油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置及应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于炼化废水处理领域，具体涉及油田压裂反排液处理的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 环境问题与能源问题制约着人类社会的发展。在油田生产过程中，由于地层条件 的阻隔，需要进行压裂作业，其对油田的增产及降低开采成本具有重要的意义。压裂作业所 产生的压裂返排液具有化学成分复杂，高粘度，高C0D，高悬浮物，高盐度，难生物降解等特 点，这导致了压裂返排液处理困难。目前压裂返排液的处理仍然处于起步探索阶段，并且仍 未总结出一套完整易用的处理工艺。在以往的研究中，针对压裂返排液的处理目的都是为 了油田生产服务，因而所制定的处理目标大都是达到回注的水质标准，关注的水质指标以 含油量、悬浮固体、粘度、粒径中值等为主。
[0003] 压裂返排液的处理方法多种多样，各有利弊。混凝沉淀可以有效地对水样进行预 处理，但是容易造成二次污染;膜过滤法可以有效地保障出水水质，但需要预处理，而且容 易导致膜污染问题;高级氧化法处理效果好，但处理成本高。生物法因其具有适应性强，操 作灵活，处理成本低，无二次污染成为研究的一个重要方向。与此同时，人类赖以生存的化 石能源日渐枯竭，在化石能源的开采利用过程中也加重了环境问题，因此，寻找可持续的清 洁能源成为了解决能源危机的一条出路。压裂返排液处理的过程中同样需要耗散一定的能 源，其中所蕴含的有机物物质被降解转化也成为了一种资源的浪费。因此，压裂返排液处理 与产生能源相结合为化工废水的处理提供了新的思路与发展方向。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有工业废水处理难度大，生物化学处理难且工业废水 中能源浪费的问题，而提供用于油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置及应用方 法。
[0005] 本发明油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置包括反应器、阳极碳刷、 阴极碳刷、阳离子交换膜、阴离子交换膜和曝气装置，反应器中间隔平行设置有阳离子交换 膜和阴离子交换膜，阴离子交换膜与反应器的器壁围成阳极室，阳离子交换膜与反应器的 器壁围成阴极室，阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的区域形成脱盐室，在阳极室中设置 有接种了活性污泥的阳极碳刷，在阴极室中设置有接种了活性污泥的阴极碳刷，在阴极室 的底部还设置有曝气装置，阳极室的底部开有第一进水口，阳极室的上部开有第一出水口， 在阴极室的底部开有第二进水口，阴极室的上部开有第二出水口，脱盐室的底部开有第三 进水口，脱盐室的上部开有第三出水口，一号水管的一端与第一出水口相连，一号水管的另 一端与第二进水口相连，二号水管的一端与第二出水口相连，二号水管的另一端与第三进 水口相连通。
[0006] 本发明应用油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置处理油田压裂反排 液的方法按以下步骤进行：
[0007] -、向阳极室和阴极室中分别注入活性污泥，然后再向阳极室和阴极室中加入油 田压裂反排液，阳极室内活性污泥在厌氧密封条件下培养18h~26h，阴极室内活性污泥通 过曝气装置在好氧环境下培养18h~26h，排出阳极室和阴极室中的油田压裂反排液，得到 初步产电菌；
[0008] 二、采用外电阻将阳极碳刷和阴极碳刷相连，然后向阳极室和阴极室中加入PBS缓 冲液和葡萄糖，再向阳极室和阴极室中加入油田压裂反排液，开始产生电流输出，每当电压 下降时，将阳极室和阴极室中的油田压裂反排液排出，然后再注入新的油田压裂反排液、 PBS缓冲液和葡萄糖，反复更换油田压裂反排液、PBS缓冲液和葡萄糖进行驯化培养10天~ 20天，在阳极室内的阳极碳刷上生成厌氧产电生物膜，阴极室内的阴极碳刷上生成好氧产 电生物膜；
[0009] 三、将油田压裂反排液通过第一进水口流入阳极室中，通过阳极碳刷上的厌氧产 电生物膜对油田压裂反排液进行产电分解，阳极室的出水通过一号水管流入阴极室中，阴 极室内的曝气装置提供好氧环境，阴极碳刷上的好氧产电生物膜对阳极室的出水进行产电 分解，阴极室的出水通过二号水管流入脱盐室中进行脱盐处理，出水从脱盐室上的第三出 水口流出作为净化后的出水，并在阳极碳刷与阴极碳刷之间收集电能。
[0010] 本发明应用连续流生物产电脱盐装置处理油田压裂反排液的方法在脱盐室中的 阳离子交换膜将阴极室输送过来的油田压裂反排液中的阳离子传入阳极室，阴离子交换膜 将阴极室输送过来的油田压裂反排液中的阴离子传入阴极室，实现脱盐处理并且油田压裂 反排液经过三次处理后盐浓度降低、水质得到改善;在这一过程中厌氧产电生物膜和好氧 产电生物膜能够产生稳定的电流，最终在外置电阻上呈现出稳定的电能输出。
[0011] 生物电化学系统是利用微生物降解有机物，将化学能转化为电能的的电化学装 置。微生物燃料电池在功能上实现了污染物降解，产电的功效。因此，本发明将微生物脱盐 燃料电池用于降解压裂反排液，将厌氧生物处理和好氧生物处理与连续流工艺相结合，实 现对有毒有害物质处理的同时，能够获得稳定的电能输出。本发明采用微生物脱盐燃料电 池用于降解油田压裂反排液，油田压裂反排液中的有机物和石油类污染物质含量高，而且 较其它废水而言黏度大，在常规的处理工艺中会产生大量的浮渣，同时处理成本高，悬浮物 不易去除，本发明从生物处理的角度，对含油量、C0D、悬浮物等进行去除，同时还能够回收 能源（电），实现了污染物降解，产电，脱盐的三种功效。本发明将厌氧生物处理和好氧生物 处理与MFC工艺相结合，对有毒有害物质处理的同时，整个处理过程不需要外加能量，能够 获得稳定的电能输出，同时对压裂反排液脱盐回收。
[0012] 本发明能够在启动12-24h后实现电流稳定输出，输出电压稳定在600~700V之间。 经本发明油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置阳极生物池处理后的油田压裂 反排液的C0D从1700mg/L降到1000mg/L，其中石油类从200mg/L降到50mg/L，悬浮下降80%; 在通过生物阴极处理后C0D从1000mg/L降到600mg/L，其中石油类从50mg/L降到Omg/L，悬浮 达到lOmg/l以下，满足了压裂液外排的标准。显示出本发明有机污染物的降解效率较高，并 能够产生稳定的电能输出。
【附图说明】
[0013] 图1为用于油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置的结构示意图；
[0014] 图2为实施例中用于油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐的COD降解图，其 中?代表原水，代表阳极室出水，?代表阴极室出水；
[0015] 图3为实施例中用于油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐的电池极化曲线 图，其中?代表电压，?代表功率密度。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0016] 一:本实施方式油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装置包 括反应器、阳极碳刷2、阴极碳刷6、阳离子交换膜5、阴离子交换膜3和曝气装置10,反应器中 间隔平行设置有阳离子交换膜5和阴离子交换膜3,阴离子交换膜3与反应器的器壁围成阳 极室1，阳离子交换膜5与反应器的器壁围成阴极室7，阳离子交换膜5和阴离子交换膜3之间 的区域形成脱盐室4,在阳极室1中设置有接种了活性污泥的阳极碳刷2,在阴极室7中设置 有接种了活性污泥的阴极碳刷6,在阴极室7的底部还设置有曝气装置10,阳极室1的底部开 有第一进水口，阳极室1的上部开有第一出水口，在阴极室7的底部开有第二进水口，阴极室 7的上部开有第二出水口，脱盐室4的底部开有第三进水口，脱盐室4的上部开有第三出水 口，一号水管9-1的一端与第一出水口相连，一号水管9-1的另一端与第二进水口相连，二号 水管9-2的一端与第二出水口相连，二号水管9-2的另一端与第三进水口相连通。
[0017]本实施方式所述的产电脱盐反应装置由一个微生物脱盐燃料电池构成，该微生物 脱盐燃料电池由阳极室，脱盐室，阴极室依次组成，在阳极室和脱氧室之间设置阴离子交换 膜，脱盐室和阴极室之间设置阳离子交换膜，其中阳极室为厌氧环境，阴极室内设置好氧曝 气装置为好氧环境。
【具体实施方式】 [0018] 二:本实施方式与一不同的是阳极碳刷2与阴极碳刷6 通过外置电阻相连。
【具体实施方式】 [0019] 三:本实施方式与一或二不同的是在阳极室1中还设 置有参比电极8。
【具体实施方式】 [0020] 四：本实施方式与一至三之一不同的是在一号水管9-1和二号水管9-2中均设置有水栗。
【具体实施方式】 [0021] 五:本实施方式应用油田压裂反排液处理的连续流生物产电脱盐装 置处理油田压裂反排液的方法按以下步骤进行：
[0022] -、向阳极室1和阴极室7中分别注入活性污泥，然后再向阳极室1和阴极室7中加 入油田压裂反排液，阳极室1内活性污泥在厌氧密封条件下培养18h~26h，阴极室7内活性 污泥通过曝气装置10在好氧环境下培养18h~26h，排出阳极室1和阴极室7中的油田压裂反 排液，得到初步产电菌；
[0023] 二、采用外电阻将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后向阳极室1和阴极室7中加入 PBS缓冲液和葡萄糖，再向阳极室1和阴极室7中加入油田压裂反排液，开始产生电流输出， 每当电压下降时，将阳极室1和阴极室7中的油田压裂反排液排出，然后再注入新的油田压 裂反排液、PBS缓冲液和葡萄糖，反复更换油田压裂反排液、PBS缓冲液和葡萄糖进行驯化培 养10天~20天，在阳极室1内的阳极碳刷2上生成厌氧产电生物膜，阴极室7内的阴极碳刷6 上生成好氧产电生物膜；
[0024] 三、将油田压裂反排液通过第一进水口流入阳极室1中，通过阳极碳刷2上的厌氧 产电生物膜对油田压裂反排液进行产电分解，阳极室1的出水通过一号水管9-1流入阴极室 7中，阴