油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置及應用方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于煉化廢水處理領域，具體涉及油田壓裂反排液處理的方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 環境問題與能源問題制約著人類社會的發展。在油田生產過程中，由于地層條件 的阻隔，需要進行壓裂作業，其對油田的增產及降低開采成本具有重要的意義。壓裂作業所 產生的壓裂返排液具有化學成分復雜，高粘度，高C0D，高懸浮物，高鹽度，難生物降解等特 點，這導致了壓裂返排液處理困難。目前壓裂返排液的處理仍然處于起步探索階段，并且仍 未總結出一套完整易用的處理工藝。在以往的研究中，針對壓裂返排液的處理目的都是為 了油田生產服務，因而所制定的處理目標大都是達到回注的水質標準，關注的水質指標以 含油量、懸浮固體、粘度、粒徑中值等為主。
[0003] 壓裂返排液的處理方法多種多樣，各有利弊。混凝沉淀可以有效地對水樣進行預 處理，但是容易造成二次污染;膜過濾法可以有效地保障出水水質，但需要預處理，而且容 易導致膜污染問題;高級氧化法處理效果好，但處理成本高。生物法因其具有適應性強，操 作靈活，處理成本低，無二次污染成為研究的一個重要方向。與此同時，人類賴以生存的化 石能源日漸枯竭，在化石能源的開采利用過程中也加重了環境問題，因此，尋找可持續的清 潔能源成為了解決能源危機的一條出路。壓裂返排液處理的過程中同樣需要耗散一定的能 源，其中所蘊含的有機物物質被降解轉化也成為了一種資源的浪費。因此，壓裂返排液處理 與產生能源相結合為化工廢水的處理提供了新的思路與發展方向。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了解決現有工業廢水處理難度大，生物化學處理難且工業廢水 中能源浪費的問題，而提供用于油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置及應用方 法。
[0005] 本發明油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置包括反應器、陽極碳刷、 陰極碳刷、陽離子交換膜、陰離子交換膜和曝氣裝置，反應器中間隔平行設置有陽離子交換 膜和陰離子交換膜，陰離子交換膜與反應器的器壁圍成陽極室，陽離子交換膜與反應器的 器壁圍成陰極室，陽離子交換膜和陰離子交換膜之間的區域形成脫鹽室，在陽極室中設置 有接種了活性污泥的陽極碳刷，在陰極室中設置有接種了活性污泥的陰極碳刷，在陰極室 的底部還設置有曝氣裝置，陽極室的底部開有第一進水口，陽極室的上部開有第一出水口， 在陰極室的底部開有第二進水口，陰極室的上部開有第二出水口，脫鹽室的底部開有第三 進水口，脫鹽室的上部開有第三出水口，一號水管的一端與第一出水口相連，一號水管的另 一端與第二進水口相連，二號水管的一端與第二出水口相連，二號水管的另一端與第三進 水口相連通。
[0006] 本發明應用油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置處理油田壓裂反排 液的方法按以下步驟進行：
[0007] -、向陽極室和陰極室中分別注入活性污泥，然后再向陽極室和陰極室中加入油 田壓裂反排液，陽極室內活性污泥在厭氧密封條件下培養18h~26h，陰極室內活性污泥通 過曝氣裝置在好氧環境下培養18h~26h，排出陽極室和陰極室中的油田壓裂反排液，得到 初步產電菌；
[0008] 二、采用外電阻將陽極碳刷和陰極碳刷相連，然后向陽極室和陰極室中加入PBS緩 沖液和葡萄糖，再向陽極室和陰極室中加入油田壓裂反排液，開始產生電流輸出，每當電壓 下降時，將陽極室和陰極室中的油田壓裂反排液排出，然后再注入新的油田壓裂反排液、 PBS緩沖液和葡萄糖，反復更換油田壓裂反排液、PBS緩沖液和葡萄糖進行馴化培養10天~ 20天，在陽極室內的陽極碳刷上生成厭氧產電生物膜，陰極室內的陰極碳刷上生成好氧產 電生物膜；
[0009] 三、將油田壓裂反排液通過第一進水口流入陽極室中，通過陽極碳刷上的厭氧產 電生物膜對油田壓裂反排液進行產電分解，陽極室的出水通過一號水管流入陰極室中，陰 極室內的曝氣裝置提供好氧環境，陰極碳刷上的好氧產電生物膜對陽極室的出水進行產電 分解，陰極室的出水通過二號水管流入脫鹽室中進行脫鹽處理，出水從脫鹽室上的第三出 水口流出作為凈化后的出水，并在陽極碳刷與陰極碳刷之間收集電能。
[0010] 本發明應用連續流生物產電脫鹽裝置處理油田壓裂反排液的方法在脫鹽室中的 陽離子交換膜將陰極室輸送過來的油田壓裂反排液中的陽離子傳入陽極室，陰離子交換膜 將陰極室輸送過來的油田壓裂反排液中的陰離子傳入陰極室，實現脫鹽處理并且油田壓裂 反排液經過三次處理后鹽濃度降低、水質得到改善;在這一過程中厭氧產電生物膜和好氧 產電生物膜能夠產生穩定的電流，最終在外置電阻上呈現出穩定的電能輸出。
[0011] 生物電化學系統是利用微生物降解有機物，將化學能轉化為電能的的電化學裝 置。微生物燃料電池在功能上實現了污染物降解，產電的功效。因此，本發明將微生物脫鹽 燃料電池用于降解壓裂反排液，將厭氧生物處理和好氧生物處理與連續流工藝相結合，實 現對有毒有害物質處理的同時，能夠獲得穩定的電能輸出。本發明采用微生物脫鹽燃料電 池用于降解油田壓裂反排液，油田壓裂反排液中的有機物和石油類污染物質含量高，而且 較其它廢水而言黏度大，在常規的處理工藝中會產生大量的浮渣，同時處理成本高，懸浮物 不易去除，本發明從生物處理的角度，對含油量、C0D、懸浮物等進行去除，同時還能夠回收 能源（電），實現了污染物降解，產電，脫鹽的三種功效。本發明將厭氧生物處理和好氧生物 處理與MFC工藝相結合，對有毒有害物質處理的同時，整個處理過程不需要外加能量，能夠 獲得穩定的電能輸出，同時對壓裂反排液脫鹽回收。
[0012] 本發明能夠在啟動12-24h后實現電流穩定輸出，輸出電壓穩定在600~700V之間。 經本發明油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置陽極生物池處理后的油田壓裂 反排液的C0D從1700mg/L降到1000mg/L，其中石油類從200mg/L降到50mg/L，懸浮下降80%; 在通過生物陰極處理后C0D從1000mg/L降到600mg/L，其中石油類從50mg/L降到Omg/L，懸浮 達到lOmg/l以下，滿足了壓裂液外排的標準。顯示出本發明有機污染物的降解效率較高，并 能夠產生穩定的電能輸出。
【附圖說明】
[0013] 圖1為用于油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置的結構示意圖；
[0014] 圖2為實施例中用于油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽的COD降解圖，其 中?代表原水，代表陽極室出水，?代表陰極室出水；
[0015] 圖3為實施例中用于油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽的電池極化曲線 圖，其中?代表電壓，?代表功率密度。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0016] 一:本實施方式油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝置包 括反應器、陽極碳刷2、陰極碳刷6、陽離子交換膜5、陰離子交換膜3和曝氣裝置10,反應器中 間隔平行設置有陽離子交換膜5和陰離子交換膜3,陰離子交換膜3與反應器的器壁圍成陽 極室1，陽離子交換膜5與反應器的器壁圍成陰極室7，陽離子交換膜5和陰離子交換膜3之間 的區域形成脫鹽室4,在陽極室1中設置有接種了活性污泥的陽極碳刷2,在陰極室7中設置 有接種了活性污泥的陰極碳刷6,在陰極室7的底部還設置有曝氣裝置10,陽極室1的底部開 有第一進水口，陽極室1的上部開有第一出水口，在陰極室7的底部開有第二進水口，陰極室 7的上部開有第二出水口，脫鹽室4的底部開有第三進水口，脫鹽室4的上部開有第三出水 口，一號水管9-1的一端與第一出水口相連，一號水管9-1的另一端與第二進水口相連，二號 水管9-2的一端與第二出水口相連，二號水管9-2的另一端與第三進水口相連通。
[0017]本實施方式所述的產電脫鹽反應裝置由一個微生物脫鹽燃料電池構成，該微生物 脫鹽燃料電池由陽極室，脫鹽室，陰極室依次組成，在陽極室和脫氧室之間設置陰離子交換 膜，脫鹽室和陰極室之間設置陽離子交換膜，其中陽極室為厭氧環境，陰極室內設置好氧曝 氣裝置為好氧環境。
【具體實施方式】 [0018] 二:本實施方式與一不同的是陽極碳刷2與陰極碳刷6 通過外置電阻相連。
【具體實施方式】 [0019] 三:本實施方式與一或二不同的是在陽極室1中還設 置有參比電極8。
【具體實施方式】 [0020] 四：本實施方式與一至三之一不同的是在一號水管9-1和二號水管9-2中均設置有水栗。
【具體實施方式】 [0021] 五:本實施方式應用油田壓裂反排液處理的連續流生物產電脫鹽裝 置處理油田壓裂反排液的方法按以下步驟進行：
[0022] -、向陽極室1和陰極室7中分別注入活性污泥，然后再向陽極室1和陰極室7中加 入油田壓裂反排液，陽極室1內活性污泥在厭氧密封條件下培養18h~26h，陰極室7內活性 污泥通過曝氣裝置10在好氧環境下培養18h~26h，排出陽極室1和陰極室7中的油田壓裂反 排液，得到初步產電菌；
[0023] 二、采用外電阻將陽極碳刷2和陰極碳刷6相連，然后向陽極室1和陰極室7中加入 PBS緩沖液和葡萄糖，再向陽極室1和陰極室7中加入油田壓裂反排液，開始產生電流輸出， 每當電壓下降時，將陽極室1和陰極室7中的油田壓裂反排液排出，然后再注入新的油田壓 裂反排液、PBS緩沖液和葡萄糖，反復更換油田壓裂反排液、PBS緩沖液和葡萄糖進行馴化培 養10天~20天，在陽極室1內的陽極碳刷2上生成厭氧產電生物膜，陰極室7內的陰極碳刷6 上生成好氧產電生物膜；
[0024] 三、將油田壓裂反排液通過第一進水口流入陽極室1中，通過陽極碳刷2上的厭氧 產電生物膜對油田壓裂反排液進行產電分解，陽極室1的出水通過一號水管9-1流入陰極室 7中，陰