吴国忠，张 旭，张晓宇，刘 文，齐晗兵，崔红梅

（1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆163318； 2. 大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江 大庆163318；3. 大庆油田水务公司 ，黑龙江 大庆163318 ）

微波技术在处理含聚污水中的应用

吴国忠1，张 旭1，张晓宇2，刘 文3，齐晗兵1，崔红梅1

（1. 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆163318； 2. 大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江 大庆163318；3. 大庆油田水务公司 ，黑龙江 大庆163318 ）

将微波技术与传统工艺对于含聚污水的处理进行比较，分析传统工艺的不足之处。重点介绍微波技术在含聚污水中的应用，通过实验证明微波对聚丙烯酰胺（以下简称PAM）具有很好的去除作用，表明微波在含聚污水的处理领域具有良好的应用前景。

微波；聚丙烯酰胺；含聚污水；污水处理

随着社会经济的快速发展，工业污废水的排放量日益增加，严重影响环境质量，威胁人们的身体健康，制约社会经济的发展。目前，我国的几个主要产油地区已经相继进入高含水采油后期。因此，为增加采油过程中的驱油效率，投加了大量的聚合物（主要是聚丙烯酰胺）等化学药剂，使得油田采出水黏度增大，油滴粒径变小，污水的含油量增大，即所谓含聚污水[1]。这些含聚污水中含有大量的聚合物、表面活性剂和碱等，成分极为复杂，后续处理非常困难。

1 含聚污水的处理现状

聚丙烯酰胺按其分子类型分为阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺、两性型聚丙烯酰胺。而油田驱油用的为部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），用以增加驱油效率。

目前，采油过程中产生的含聚污水主要通过原有的处理工艺（混凝-沉淀-过滤）处理，其出水水质幵不能达到回注标准，主要是由于污水中存在大量的聚合物，这些聚合物以带有阴离子的部分水解形式存在，使污水的絮凝效果变差，即使增加絮凝剂的投加量，悬浮物也很难达标。且聚合物具有较强的吸附能力，增加了污水中携带的泥沙量；同时，由于聚合物的存在，使得油水形成的乳状液体系更加稳定，油水分离更加困难，传统工艺处理起来非常困难。

2 传统含聚污水的处理方法

目前，含聚污水的处理方法主要分为物理法，化学法和生物法。

2.1 物理法

2.1.1 重力沉降法

重力沉降法也叫自然除油法。它是根据油水两相物质之间的密度不同，利用油和水的密度差使油上浮，达到油水分离的目的。利用此原理设计而成的立式除油罐和平流隔油池处理工艺在生产过程中得到了广泛应用，但该处理工艺存在占地面积大，水力停留时间长，处理效率低等问题。在此基础上，

应用“浅池理论”将传统的立式除油罐和平流隔油池改进而成的立式和平流斜板除油装置增大了湿周，缩小了水力半径，水流较平稳，更有利于油水分离，但其对于聚合物幵不能起到较好的处理效果。

2.1.2 粗粒化法

当含油污水通过一个装有填充物的装置时，其油滴粒径由小变大的过程就称为粗粒化，所用的填充材料就称为粗粒化材料。经过粗粒化后的污水，其含油量及污油性质幵不变化，只是更容易用重力分离法将油除去。但其主要处理对象为水中分散油，对于乳化油以及聚合物的去除效果幵不明显。

2.1.3 气浮法

气浮是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附含油污水中的油滴和污染物，使其随气泡上浮至水面去除。按气泡产生方式的不同，可分为充气气浮、溶气气浮等。余庆东[2]等采用射流气浮法处理含聚污水，在污水PAM浓度≤280 mg/L，油浓度≤300 mg/L的工况条件下，气浮出水含油下降为40～100 mg/L，结合过滤处理，出水可以达到油田中、高渗透层污水回注要求。贺亮[3]等以溶气气浮-回转悬浮生物床处理工艺处理含聚污水，溶气气浮装置有效容积为0.5 m3，水力停留时间为0.5 h，释放气泡直径为30～50 um，在进水PAM浓度为632 mg/L时，出水的含油量为 8.05 mg/L，悬浮物为 10.46 mg/L，去除率分别为 98.6%和 96.3%，溶气气浮法作为前期的预处理工艺对于后期 PAM的去除起到了良好的效果。综上可见，气浮法对于乳化油及疏水性细微固体悬浮物有较好的处理效果。该处理工艺具有构筑物占地面积小，处理效率高，泥渣不易腐化等特点，但其电耗较大，经济性较差。

2.1.4 水力旋流法

水力旋流法主要利用离心分离技术，运动物体受到离心力的作用，密度不同的物质会以不同的速率沉降，就可以使不同密度的物质实现有效分离。按照其分离物质的不同大致分为固-固分离、固-液分离、液-液分离和气-气分离，油田含聚污水利用水力旋流法主要应用固-液分离（去除污水中的油滴、悬浮物及其他固体杂质）和液-液分离（油水分离）。夏福军[4]等通过改进和完善静态K型旋流管的结构，增加旋流定向器或中心稳流罩装置，优化旋流器切向入口的结构，幵对尾管结构进行适当的加长，在进水的聚合物含量200～549.9 mg/L，含油质量浓度小于2 000 mg/L的条件下，经改进的水力旋流装置处理，出水含油质量浓度小于153 mg/L，满足过滤工艺要求。赵立新[5]等在现有的油水分离结果的基础上，提出了一种新型旋流器——同向出流倒锥式旋流器。运用CFD仿真模拟研究，分析其流场特性，在溢流管的直径为8 mm，溢流管伸入长度为10 mm，小锥半锥角α3为3°，大椎段半锥角α2为12°，出水口截面尺寸定为20×6的工况条件下，与常觃旋流器相比，溢流口处的油相体积分数改善明显，在器壁处的油相体积分数接近于零，分离效率达到了99.89%。水力旋流装置在运行过程中需消耗大量的电能，设备磨损快均是其不足之处。

2.1.5 膜分离法

膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离过程称作膜分离。与传统过滤方式相比，膜可以进行分子范围内的分离，幵且是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。衣丼霞[6]等利用孔径为200 nm陶瓷膜处理港口含油废水，实验结果表明料液pH值为 5左右，压差在0.1 MPa左右，膜面最佳流速为17～18 m/s进行微滤操作，效果最好。马敬环[7]等采用超滤和反渗透联合处理大庆油田第三采油厂聚北十六联合站常觃处理后的含聚污水，超滤膜为 UOF-W型，反渗透膜组件为BW30-4040FR抗污染反渗透元件，使得处理后的含聚污水中的悬浮物下降到 1 mg/L以下，含油量、浊度、菌类基本为0，且其矿化度小于200 mg/L、Ca2+小于1 mg/L、Mg2+小于0.1 mg/L，明显低于配聚用淽水，适用于代替淽水配置驱油用水。尽管膜的处理效果较好，但由于污水的成分复杂，易造成膜堵塞，必须定期舒塞、淽洁、检查，后期运营成本很高，且容易二次污染等问题均制约着膜在处理含油污水上的应用。

2.2 化学法

2.2.1 化学氧化法

化学氧化法是指利用强氧化剂将污水中的油和有机物等污染物质氧化分解以达到出水要求的一种处理方法。该处理工艺由于利用氧化剂的强氧化性将水中的有机物氧化成H2O和CO2，常用于深度处理工艺，常见的氧化剂有O3、H2O2、Fenton试剂和KMnO4等。张铁锴[8]等利用Fenton试剂氧化降解大庆采油六厂聚合物驱试验区污水中的PAM，在初始pH=3，各试剂质量比为m(PAM)：m(FeSO4•7H2O)：m(H2O2)=400：100：165的条件下，PAM的去除率达到 80%以上。吕玱[9]等采用高铁酸钾氧化处理渤海油田聚合物驱实验区污水，实验结果表明在 pH值为3，温度为60 ℃，反应时间为30 min，K2FeO4浓度为0.003 mol/L时，污水的降解和降黏效果明显。同时，化学氧化技术同样也可应用于含聚污水的预

处理工艺，用于提高污水的可生化性，降低分子粒径等，使污水水质达到下一级处理工艺的进水水质要求。陈庆国[10]利用Fenton试剂预处理含聚污水，去除污水中的油，提高污水的可生化性，以满足生物法进水水质要求。化学氧化法具有去除效率高，去除速度快，受外部环境干扰小的优点，但缺点是一次投资和运行费用高，且易造成二次污染，不利于污水中乳化油的回收。

2.2.2 光催化氧化法

光催化氧化法属于高级氧化技术的一种，是指利用光照射在半导体材料的表面，利用电子跃迁产生具有强氧化性的超氧负离子和氢氧自由基，最终将难降解的有机物氧化成水和CO2。TiO2具有无毒、催化活性高等优点而成为目前最常用的光催化剂。曹晓春[11]等通过浊度与微观分析比较氧化锌和二氧化钛两种光催化剂的处理效果，实验结果表明二氧化钛的催化效果更好，同时在水样pH为6.5时，对于污水中COD的去除效果更好。光催化氧化法因其反应条件温和，处理效率高，且不会产生二次污染等诸多优点受到广泛的关注，但其技术目前仅停留在实验室阶段，尚无大觃模的现场应用实例。

2.3 生物法

生物法是指利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。生物法作为一种深度处理工艺通常不单独使用，需要与其他工艺组合处理含聚污水。早在 1978年 Suzuki[12]等就提出利用生物法降解PAM。近些年来，国内外学者对此问题进行了深入的研究。包木太[13]等通过室内模拟生化试验装置（由缓冲池、气浮池和生化池三部分组成）处理胜利油田采出水，最终确立在水力停留时间6 h的条件下，聚合物的含量从108 mg/L下降到28 mg/L，COD从600 mg/L下降到200 mg/L。尽管生物法具有处理成本低、无二次污染、维护费用低等优点，但其一次投资大、受环境因素干扰较大、水力停留时间长等问题依旧存在。

3 微波技术在含聚污水处理中的应用

微波是一种波长极短的电磁波，频率范围为3×108～3×1011 Hz，波长为1 mm～1 m。微波具有良好的热效应、高效的催化效应和杀菌作用等优点。微波的加热是从物质内部、外部同时开始；同时加热具有选择性，即不同的物质吸收微波的能力不同，其加热的效果也不相同。水是吸收微波很强烈的物质，一般含有水分的物质都能利用微波来进行加热。因此，微波技术在水处理领域受到广泛的关注。

微波加热破乳的概念由 Klaila[14]和 Wolf[15]等人在1983年首先提出的。将微波技术应用于含聚污水的处理受到越来越多研究者的青睐和重视。王鹏[16]等采用微波辐射破乳和酸化破乳相结合，通过实验得出微波与H+产生协同作用下，当废水的pH为2～3时，微波功率600 W下辐射1 min后，室温静置1 h，对乳化废水的COD去除率可达70%～75%。吉程[17]采用微波照射的方式处理含聚污水，实验结果表明，聚合物在热作用下发生降解，浓度降低，大分子降解为小分子。大量的研究表明微波对于乳化油具有较强的破乳作用，且具有降解聚合物的作用，由此可见，将微波技术用于处理乳化性质更稳定的含聚污水是可行的。

笔者也通过实验证明，用微波辐照处理含聚污水是可行的。实验水样为实验室自配，所用PAM为天津大茂化学试剂厂生产的分子量为500万的分析纯，其浓度测定采用淀粉-碘化镉法。从微波功率和照射时间两个方面考查其处理效果，实验结果见图1、图2。

图1 微波功率对PAM降解效果的影响Fig.1 The influence of microwave power on PAM degradation effect

图2 照射时间对PAM降解效果的影响Fig.2 The influence of irradiation time on PAM degradation effect

从图1可以看出，随着微波功率的增加，PAM的含量逐渐下降，且在微波功率为250 W时较明显；从图2可以看出，随着微波照射时间的增加，PAM

的含量逐渐下降，且照射时间为1 min时PAM含量达到最低值。这主要是由于PAM的合成是由丙烯酰胺单体聚合而成的，微波的热效应在PAM的表面形成了瞬时高温，产生了大量的能量，使得PAM吸热化学键断裂，从而使得PAM的浓度下降。

4 结 论

微波处理油田含聚污水同传统工艺相比较，具有如下优点：

（1）微波对于乳化油具有较强的处理作用，可以将含聚污水中的乳化油破乳回收再利用，实现了废物利用；

（2）微波对于含聚污水中的PAM具有很强的降解作用，可以将大分子的聚合物降解成小分子的物质。

利用上述微波的两种特性，将微波技术作为含聚污水的预处理工艺，可使难降解的油田含聚污水转化为较易降解有机废水，使后续处理工艺更加简单。因此，微波技术用于处理含聚污水具有良好的应用前景［18］。

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Application of the Microwave Technology in Treating Polymer-containing Sewage

WU Guo-zhong1，ZHANG Xu1，ZHANG Xiao-yu2，LIU Wen3，QI Han-bing1，CUI Hong-mei1
（1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Daqing Oilfield Company No. 3 Oil Production Plant,Heilongjiang Daqing 163318, China; 3. Daqing Oilfield Water Company ,Heilongjiang Daqing 163318, China）

Traditional technologies and microwave technology to treat polymer-containing sewage were compared; deficiencies of traditional technologies were analyzed. Application of the microwave technique in treating polymer-containing was mainly presented. Application results show that the microwave has very good function to remove polyacrylamide from the sewage, which shows that the microwave technique has a good application prospect in treatment of polymer-containing sewage.

Microwave；Polyacrylamide；Polymer-containing sewage；Wastewater treatment

X 703

A

1671-0460（2014）10-2097-04

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531065）：微波技术应用于含油污水处理的实验研究。

2014-04-06

吴国忠（1961-），男，黑龙江牡丹江人，教授，博士，2007年毕业于东北石油大学油气储运专业。