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探究鐵碳微電解法處理油田鉆井廢水

文檔作者：關(guān)正昊1 劉嘉康1 馬銳1 關(guān)濤2 文檔來源： 1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 2.中國石油大連潤滑油分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年08月08日
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Chenmical Intermediate
60 當(dāng)代化工研究 綠色化工 2017·02
探究鐵碳微電解法處理油田鉆井廢水
＊關(guān)正昊1　劉嘉康1　馬銳1　關(guān)濤2
（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 黑龍江 163000
2.中國石油大連潤滑油分公司 遼寧 116021）
摘要：近年來，鐵碳微電解法在廢水處理領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用?；谶@種認(rèn)識，本文以油田鉆井廢水為研究對象，開展了利用鐵碳微電
解法處理油田鉆井廢水的實驗。實驗結(jié)果表明，在鐵碳比例為1:1、溶液pH值為3.2、鐵碳投加量為0.8kg/L和150min的反應(yīng)時間下，使用鐵
碳微電解法進(jìn)行700mL油田鉆井廢水處理，能夠使廢水COD濃度由586.42mg/L降低至174.46mg/L，從而使廢水中有機(jī)污染物得到有效去除。
關(guān)鍵詞：鐵碳微電解法；油田鉆井；廢水處理
中圖分類號：T 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Discussion of Oilfield Drilling Wastewater Treatment by Iron-Carbon Micro-Electrolysis Technology
Guan Zhenghao 1, Liu Jiakang 1, Ma Rui 1, Guan Tao 2
（1.School of Earth Sciences, Northeast Petroleum University, Heilongjiang, 163000
2.PetroChina Dalian Lubricating Oil Branch Office, Liaoning, 116021）
Abstract：Recently, the iron-carbon micro-electrolysis technology has a better application in the field of wastewater treatment, on which
cognition, this paper has developed the experiment of making use of iron-carbon micro-electrolysis technology to process the oilfield drilling,
wastewater. The result has shown that under the condition that iron-carbon proportion 1:1, pH value of solution 3.2, iron-carbon dosage 0.8kg/L and
reaction time 150min, use the iron-carbon micro-electrolysis technology to take the 700mL oilfield drilling wastewater treatment, which can reduce the
wastewater COD concentration from 586.42mg/L to 174.46mg/L, so that to remove the organic pollutant in wastewater effectively.
Key words：iron-carbon micro-electrolysis technology；oilfield drilling；wastewater treatment
引言
隨著環(huán)境污染的逐漸加重，高濃度工業(yè)的有機(jī)廢水處理
問題也引起了人們的重視。而油田鉆井廢水擁有COD濃度
高、組分復(fù)雜和色度高等特點，所以廢水的處理更具難度。
但由于油田鉆井廢水量較大，所以還要確保廢水處理達(dá)標(biāo)。
針對這一情況，還應(yīng)加強(qiáng)油田鉆井廢水處理方法的研究和探
索，以便更好的推動油田企業(yè)的發(fā)展。
1.鐵碳微電解法的原理分析
采用鐵碳微電解法進(jìn)行廢水處理，將使用廢鐵屑和碳
為反應(yīng)原材料，并利用二者電位差進(jìn)行金屬離子的還原，從
而使廢水中的重金屬離子、苯胺和苯酚等物質(zhì)發(fā)生沉淀或被
吸附，進(jìn)而使溶液中膠體態(tài)和懸浮狀的污染物得到去除。從
反應(yīng)原理上來看，在反應(yīng)時需要將經(jīng)過活化處理的鐵屑及碳
放入到含有酸性電解質(zhì)的水溶液中，從而構(gòu)成腐蝕電池。而
電池的陽極會產(chǎn)生具有較高活性的二價鐵離子，并在酸性溶
液中起到降解有機(jī)物的作用。鐵離子的不斷產(chǎn)生，能夠使陽
極極化作用得到克服，并使溶液保持較高化學(xué)還原性。電極
產(chǎn)生的[H]，則能與較多組分發(fā)生氧化還原，從而使發(fā)色和
助色基團(tuán)得到破壞，繼而使廢水得到脫色處理。在鐵碳構(gòu)成
的電池中，將有較多小電場產(chǎn)生，從而促使廢水中有機(jī)物及
重金屬離子發(fā)生氧化還原和電絮凝反應(yīng)。在電場效應(yīng)的作用
下，溶液中膠體的穩(wěn)定體系也將得到破壞，分離出的離子則
將吸附在電極上或沉淀。就目前來看，鐵碳微電解法已經(jīng)在
各種廢水的處理中得到了應(yīng)用，不僅能夠獲得較好的廢水處
理效果，還能有效降低廢水處理成本，具有投資少、操作簡
便等多種優(yōu)勢。
2.利用鐵碳微電解法處理油田鉆井廢水
自上世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，鐵碳微電解法就引起了人
們的注意。在80年代引入國內(nèi)后，鐵碳微電解法在石化廢
水、印染廢水和造紙廢水等多種廢水的處理中得到了應(yīng)用，
并且取得了較好的廢水處理效果。這些廢水大多具有較高
COD濃度，并且廢水中含有較多的重金屬。而油田鉆井廢
水也具有COD濃度高和重金屬含量大等特點，所以可以嘗
試使用鐵碳微電解法進(jìn)行廢水處理。但是考慮到油田鉆井廢
水還具大量油類污染物和懸浮物等物質(zhì)，所以還要確定采用
鐵碳微電解法處理該種廢水能夠取得的效果。此外，還要進(jìn)
行鐵碳微電解法使用條件的確認(rèn)，以確保方法的使用能夠給
油田企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，還要開展利用鐵碳微
電解法處理油田鉆進(jìn)廢水的實驗，以便通過實驗確定廢水處
理效果，并得到最佳的鐵碳投加量、鐵碳比例、反應(yīng)時間和
溶液pH值等參數(shù)，進(jìn)而獲得更好的廢水處理效果。
(1)油田鉆井廢水特性
從組成上來看，油田鉆井廢水包含壓裂液、鉆井廢水
和試油廢水。在油田開發(fā)初期，沖洗鉆井設(shè)備的廢水和部分
地層水將隨著鉆具被排出，其中包含較多的COD、石油類
和pH值，具有COD濃度高、pH值高、色度高和穩(wěn)定性高等
特征，難以進(jìn)行生化降解。隨著鉆井周期的延長，廢水中又
會含有大量的油類污染物和鉆井液，而鉆井液中不僅包含黏
土、添加劑等物質(zhì)，還包含固體顆粒狀的鉆井巖屑。此時，
鉆井廢水具有COD濃度高、pH偏堿性、粘度大、懸浮物和
石油類含量高等特點。就目前來看，國內(nèi)在油田鉆井廢水處
理方面，主要采用了活性炭吸附、混凝沉淀、生物降解等技
術(shù)手段。采用活性炭吸附法，僅僅能夠通過吸附和過濾進(jìn)行
污染物和水體的分離，無法改變廢水化學(xué)成分，所以獲得的
處理效果有限。采用混凝沉淀法，就是利用化學(xué)藥劑使廢水
中的污染物凝聚和沉淀。采用生物降解法，則是利用生物消
萬方數(shù)據(jù)
2017·02 綠色化工 Chenmical Intermediate 61
當(dāng)代化工研究
化作用進(jìn)行廢水中污染物的降解，可以憑借生物作用將廢水
中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等，從而實現(xiàn)水質(zhì)的凈化。
但就目前來看，鉆井廢水處理由于具有成分復(fù)雜的特點，所
以一直是困擾油田開采企業(yè)發(fā)展的一大問題。
(2)實驗材料
為研究利用鐵碳微電解法處理油田鉆井廢水能夠取得的
效果，還要選用某油田鉆井廢水預(yù)處理后的出水為實驗用廢
水。經(jīng)過檢測，該種廢水的COD濃度可達(dá)586.42mg/L，pH
值為8.35，石油類濃度為1.20mg/L，色度則為20倍。實驗
使用的鐵碳材料為柱狀活性碳和某加工車間的鐵屑，使用的
試劑均為分析純，包含濃硫酸、硫酸亞鐵、重鉻酸鉀、硫酸
汞、鹽酸、無水乙醇等。
(3)實驗方法
在實驗前，需要完成材料的預(yù)處理。具體來講，就是利
用3.5%稀硫酸溶液進(jìn)行廢鐵屑處理，需浸泡3h，從而使鐵
屑表面的氧化物得到去除。將浸泡完的鐵屑取出后，還要利
用15%氫氧化鈉溶液進(jìn)行表面清洗，清洗時間為15min，然
后使用蒸餾水將鐵屑洗凈。在處理活性炭時，需要將其放入
到廢水中浸泡20min，并直至碳吸附飽和。在開展微電解實
驗時，還要按照一定的比例進(jìn)行預(yù)處理得到的活性炭和鐵屑
的稱量，然后進(jìn)行均勻混合。將混合好的鐵碳裝入微電解反
應(yīng)裝置后，還要進(jìn)行廢水酸度的調(diào)節(jié)，然后將調(diào)節(jié)好的廢水
倒入裝置。在微電解反應(yīng)過程中，還要完成反應(yīng)體系pH值
的實時檢測，并確保其保持穩(wěn)定。每隔半小時，則要完成一
次水樣采集。反應(yīng)完成后，需要利用氫氧化鈉進(jìn)行廢水pH
值的調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行廢水過濾，并對濾液進(jìn)行水質(zhì)檢測。在
實驗過程中，需要使用精密pH計進(jìn)行pH值測定，并利用紅
外分光測油儀完成石油類含量的測定。此外，在廢水COD
濃度測定上，可使用重鉻酸鉀法。
(4)實驗結(jié)果
①鐵碳量對處理效果的影響
從實驗結(jié)果來看，在廢水量固定為700mL的條件下，
改變鐵碳投加量獲得的廢水處理效果并不相同。在鐵碳比
例為1:1，電解液pH值為3.2的情況下，在微電解反應(yīng)達(dá)到
150min后進(jìn)行測定可以發(fā)現(xiàn)，在鐵碳投加量分別為0.4、0.6、
0.8、1.0和1.2kg/L時，廢水COD的去除率分別為30.2%、
59.7%、70.3%、72.8%和75.4%。由此可見，隨著鐵碳
投加量的不斷增多，廢水的COD去除率也在不斷提高。
從0.4kg/L提升至0.8kg/L時，COD去除效果得到了明顯改
善，去除率增加了約40%。而在鐵碳投加量超過0.8kg/L
后，COD去除率并未出現(xiàn)較大幅度的變化。所以從廢水處
理效果和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，0.8kg/L為最佳的鐵碳投加量。
除了鐵碳投加量，鐵碳質(zhì)量比也將對廢水處理效果產(chǎn)
生影響。從實驗情況來看，取0.8kg/L的鐵碳投加量，并且
在電解液pH值為3.2的情況下，在微電解反應(yīng)達(dá)到150min
后進(jìn)行測定，可以發(fā)現(xiàn)在鐵碳比例分別達(dá)到2:1、1:1和1:2
時，COD去除率依次為43.2%、70.3%和80.4%。由此可
見，廢水處理效果受到鐵碳比例的影響較大，在鐵碳比例不
斷減小的情況下，廢水中COD去除率則得到了提高。從2:1
降低至1:1時，COD去除效果得到了明顯改善，去除率增加
了約27%。而在鐵碳比例降低至1:1以下后，COD去除率并
未出現(xiàn)較大幅度的變化。所以從廢水處理效果和經(jīng)濟(jì)性角度
考慮，1:1為最佳的鐵碳比例。
②溶液酸堿性對處理效果的影響
將鐵碳比例設(shè)定為1:1，投加量設(shè)定為0.8kg/L后，通過改變
溶液pH值，也能使廢水處理效果得到改善。在其它條件均相同
的情況下，將溶液pH值分別調(diào)節(jié)為2.5、3.2、4.1、5.3、6.2，
然后在反應(yīng)150min后進(jìn)行測定可以發(fā)現(xiàn)，得到的COD去除率依
次為80.4%、70.3%、51.3%、29.9%和15.1%。分析實驗結(jié)果
可知，隨著電解液pH值的逐漸增大，COD去除效果逐漸變
差。出現(xiàn)這一情況，主要是由于微電解反應(yīng)在酸性溶液中
擁有更大的速率。同時，酸性溶液能夠使陽極的極化作用得
到克服，從而反應(yīng)得到更多的亞鐵離子，進(jìn)而使鐵的電化學(xué)
腐蝕作用得到增強(qiáng)，所以能使廢水得到更好的處理。但是，
如果一味降低溶液pH值，就要在廢水處理中投入更多的酸
液，并且在反應(yīng)后利用更多的堿液進(jìn)行得到的液體的調(diào)節(jié)。
因此，采取降低溶液pH值的措施，將導(dǎo)致油田鉆井廢水的
處理成本增加，并導(dǎo)致微電解填料遭到大量消耗，繼而導(dǎo)致
更多污泥的產(chǎn)生。所以，為了給油田鉆井廢水的處理提供便
利，并降低廢水處理成本，還要將溶液pH設(shè)定為3.2。
③反應(yīng)時間對處理效果的影響
在油田鉆井廢水處理的過程中，還要對處理時間進(jìn)行
控制。在實驗中，將鐵碳比例設(shè)定為1:1，投加量設(shè)定為
0.8kg/L，溶液pH設(shè)定為3.2后，對不同反應(yīng)時間下的廢水
COD去除率進(jìn)行測定，則可以進(jìn)行最佳反應(yīng)時間的確定。
觀察實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)時間的延長，廢水處
理效果也明顯得到了提高。在微電解反應(yīng)時間達(dá)到150min
時，廢水COD去除率已經(jīng)達(dá)到了70.3%。在反應(yīng)時間由0變
化至150min的過程中，COD去除率提升幅度較大，呈現(xiàn)出明
顯的上升趨勢。而反應(yīng)時間由150min延長至180min的過程
中，COD去除率提升幅度有限，最終去除率僅達(dá)到了75.6%。
由此可見，經(jīng)過了150min的反應(yīng)，鐵碳微電解反應(yīng)已經(jīng)接
近飽和，通過增加反應(yīng)時間無法達(dá)到更好的處理效果。因
此，綜合考慮廢水處理需求和經(jīng)濟(jì)因素，可以將150min設(shè)
定為最佳的反應(yīng)時間。
3.結(jié)論
通過研究可以發(fā)現(xiàn)，利用鐵碳微電解法進(jìn)行油田鉆井廢
水的處理，能夠取得較好的廢水處理效果。綜合考慮廢水處
理需求和經(jīng)濟(jì)因素，可以得到最佳的反應(yīng)條件，即1:1的鐵碳
比例、0.8kg/L鐵碳投加量、pH值為3.2的溶液、150min的反
應(yīng)時間。在該條件下進(jìn)行700mL油田鉆井廢水處理，能夠使
廢水COD濃度由586.42mg/L降低至174.46mg/L，能夠使廢水
中有機(jī)污染物得到有效去除，從而使廢水的后續(xù)深度處理更
加容易。因此，油田開發(fā)企業(yè)可以嘗試引入鐵碳微電解法進(jìn)
行鉆井廢水的處理，以便為廢水達(dá)標(biāo)排放提供更多的保障。
?【參考文獻(xiàn)】
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藝處理油田壓裂廢水[J].化工環(huán)保,2016,04:434-438.
?【作者簡介】
關(guān)正昊（1996~），男，東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；研究方
向： 含油污水的化學(xué)處理。
((責(zé)任編輯孔凡念)

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