申请日2015.12.30
公开(公告)日2016.05.04
IPC分类号C02F3/30; H01M8/16; C02F103/10
摘要
一种用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置及含油污水处理方法，涉及一种含油污水处理装置及含油污水处理方法。本发明是要解决现有油田含油污水处理方法无法合理利用有机物物质被降解产生的能源，导致资源浪费的问题。该装置包括阳极室、阴极室、兼性室和外置电阻，所述阳极室和阴极室之间设有离子交换膜，阳极室和阴极室通过离子交换膜相联通，阳极碳刷和阴极碳刷之间设有外置电阻。方法：一、向微生物燃料电池中接种活性污泥，驯化;二、水处理发电。本发明将厌氧生物处理及好氧生物处理与MFC工艺相结合，并将其应用于油田含油污水的处理上。实现对石油类物质降解的同时，能够获得稳定的电能输出。用于含油污水处理领域。
摘要附图
权利要求书
1.一种用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置，其特征在于该装置包括阳极室(1)、阴极室(2)、兼性室(3)和外置电阻(4)，所述阳极室(1)和阴极室(2)之间设有离子交换膜(5)，阳极室(1)和阴极室(2)通过离子交换膜(5)相联通，
所述阳极室(1)内设有搅拌装置(6)、阳极碳刷(7)、参比电极(8)、网筒(9)和隔网(10)，网筒(9)设置在阳极室(1)的中心，搅拌装置(6)设置在网筒(9)内，网筒(9)的底部设有隔网(10)，阳极碳刷(7)和参比电极(8)设置在网筒(9)外，阳极室(1)的底部设有阳极室进水口(1-1)，阳极室(1)的侧壁上部设有阳极室出水口(1-2)，
所述阴极室(2)内设有阴极碳刷(11)，阴极室(2)的底部设有曝气装置(12)，阴极室(2)的侧壁上部分别设有第一阴极室出水口(2-1)和第二阴极室出水口(2-2)，阴极室(2)的侧壁下部设有阴极室进水口(2-3)，
所述兼性室(3)的侧壁上部设有兼性室出水口(3-1)，兼性室(3)的侧壁下部分别设有第一兼性室进水口(3-2)和第二兼性室进水口(3-3)，
所述阳极室出水口(1-2)通过管道与第一兼性室进水口(3-2)相连，兼性室出水口(3-1)通过管道与阴极室进水口(2-3)相连，第二阴极室出水口(2-2)通过管道与第二兼性室进水口(3-3)相连，
所述阳极碳刷(7)通过导线与阴极碳刷(11)相连，所述阳极碳刷(7)和阴极碳刷(11)之间设有外置电阻(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置，其特征在于所述阳极室(1)的下部为椎体。
3.利用权利要求1所述的三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、控制外置电阻(4)上的开关将外置电阻(4)处于断开状态，向三段连续流产电装置的阳极室(1)和阴极室(2)内均加满含油污水，然后向阳极室(1)和阴极室(2)内均加入活性污泥、PBS缓冲液和葡萄糖，并向阳极室(1)的网筒(9)内加入填料(13);
二、控制外置电阻(4)上的开关将阳极碳刷(7)和阴极碳刷(11)连通，同时开启阳极室(1)中的搅拌装置(6)和阴极室(2)中的曝气装置(12)，使阴极室(2)中溶解氧浓度达到2～4mg/L，实时监测外置电阻(4)两侧电压，首先电压逐渐升高至达到最大V1，然后电压逐渐较低，当电压降低至15%～20%V1时，控制外置电阻(4)上的开关将外置电阻(4)处于断开状态，关闭搅拌装置(6)和曝气装置(12)，排出阳极室(1)和阴 极室(2)内污水，并重新注入油田含油污水，同时调整阳极室(1)和阴极室(2)内PBS缓冲液和葡萄糖的量，将阳极室(1)和阴极室(2)内PBS缓冲液均控制为20ppm，将阳极室(1)和阴极室(2)内PBS缓冲液均控制为20ppm;
三、重复步骤二的操作，至连续重复步骤二操作3次的最高电压Vn-1、Vn和Vn+1的相对误差小于10mV为止;
四、启动搅拌装置(6)和曝气装置(12)，通过控制曝气装置(12)将阴极室(2)中溶解氧控制为2mg/L～4mg/L，控制外置电阻(4)上的开关将外置电阻(4)处于连通状态，此时阳极碳刷(7)通过外置电阻(4)与阴极碳刷(11)连通，实时监测外置电阻(4)两侧电压，首先电压逐渐升高至达到最大Vn+2，然后电压逐渐降低，当电压降低至50%Vn+2时，控制外置电阻(4)上的开关将外置电阻(4)处于断开状态，关闭搅拌装置(6)和曝气装置(12)，将阳极室(1)和阴极室(2)内污泥及污水全部排出，即完成驯化;
五、向兼性室(3)中加入活性污泥，然后开启三段连续流产电装置，启动搅拌装置(6)和曝气装置(12)，通过控制曝气装置(12)将阴极室中溶解氧控制为2mg/L～4mg/L，控制外置电阻(4)上的开关将外置电阻(4)处于连通状态，此时阳极碳刷(7)通过外置电阻(4)与阴极碳刷(11)连通，采用连续流运行模式，使含油污水由阳极室进水口(1-1)进入，由阳极室出水口(1-2)流出进入兼性室(3)，再由兼性室出水口(3-1)流出进入阴极室(2)，经过阴极室(2)处理后的出水一部分由第一阴极室出水口排出(2-1)，一部分由第二阴极室出水口(2-2)回流至兼性室(3)，控制回流比为4:1。
4.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于步骤一中阳极室(1)中活性污泥的体积是阳极室(1)容积的20%～30%，阴极室(2)中活性污泥的体积是阴极室(2)容积的20%～30%。
5.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于步骤一中所述活性污泥为油田污水处理厂二沉池污泥。
6.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于步骤一中阳极室(1)中PBS缓冲液的浓度为20ppm，阴极室(2)中PBS缓冲液的浓度为20ppm。
7.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于步骤一中阳极室(1)中葡萄糖的浓度为500～1000mg/L，阴极室(2)中葡萄糖的浓度为500～1000mg/L。
8.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于步骤一中加入的填料(13)的体积为网筒(9)体积的30%。
9.根据权利要求3所述的利用三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，其特征在于所述填料(13)为MBBR填料。
说明书
一种用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置及含油污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种含油污水处理装置及含油污水处理方法。
背景技术
我国油田普遍进入高含水开采阶段，每年产生大量含油采出水需要处理。在以往的处理过程中，含油污水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，忽略了含油污水中石油类物质的妥善处置与资源化利用。因此在工艺的选择上也多以传统的重力沉降和过滤为主。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。含油污水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，含油污水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
本发明是要解决现有油田含油污水处理方法无法合理利用有机物物质被降解产生的能源，导致资源浪费的问题，提供一种用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置及含油污水处理方法。
本发明用于油田含油污水处理的三段连续流产电装置包括阳极室、阴极室、兼性室和外置电阻，所述阳极室和阴极室之间设有离子交换膜，阳极室和阴极室通过离子交换膜相联通，
所述阳极室内设有搅拌装置、阳极碳刷、参比电极、网筒和隔网，网筒设置在阳极室的中心，搅拌装置设置在网筒内，网筒的底部设有隔网，阳极碳刷和参比电极设置在网筒外，阳极室的底部设有阳极室进水口，阳极室的侧壁上部设有阳极室出水口，
所述阴极室内设有阴极碳刷，阴极室的底部设有曝气装置，阴极室的侧壁上部分别设有第一阴极室出水口和第二阴极室出水口，阴极室的侧壁下部设有阴极室进水口，
所述兼性室的侧壁上部设有兼性室出水口，兼性室的侧部下部分别设有第一兼性室进水口和第二兼性室进水口，
所述阳极室出水口通过管道与第一兼性室进水口相连，兼性室出水口通过管道与阴极室进水口相连，第二阴极室出水口通过管道与第二兼性室进水口相连，
所述阳极碳刷通过导线与阴极碳刷相连，所述阳极碳刷和阴极碳刷之间设有外置电阻。
进一步的，所述阳极室的下部为椎体。
利用上述三段连续流产电装置进行含油污水处理的方法，按以下步骤进行：
一、控制外置电阻上的开关将外置电阻处于断开状态，向三段连续流产电装置的阳极室和阴极室内均加满含油污水，然后向阳极室和阴极室内均加入活性污泥、PBS缓冲液和葡萄糖，并向阳极室的网筒内加入填料;
二、控制外置电阻上的开关将阳极碳刷和阴极碳刷连通，同时开启阳极室中的搅拌装置和阴极室中的曝气装置，使阴极室中溶解氧浓度达到2～4mg/L，实时监测外置电阻两侧电压，首先电压逐渐升高至达到最大V1，然后电压逐渐较低，当电压降低至15%～20%V1时，控制外置电阻上的开关将外置电阻处于断开状态，关闭搅拌器和曝气装置，排出阳极室和阴极室内污水，并重新注入油田含油污水，同时调整阳极室和阴极室内PBS缓冲液和葡萄糖的量，将阳极室和阴极室内PBS缓冲液均控制为20ppm，将阳极室和阴极室内PBS缓冲液均控制为20ppm;
三、重复步骤二的操作，至连续重复步骤二操作3次的最高电压Vn-1、Vn和Vn+1的相对误差小于10mV为止;
四、启动搅拌装置和曝气装置，通过控制曝气装置将阴极室中溶解氧控制为2mg/L～4mg/L，控制外置电阻上的开关将外置电阻处于连通状态，此时阳极碳刷通过外置电阻与阴极碳刷连通，实时监测外置电阻两侧电压，首先电压逐渐升高至达到最大Vn+2，然后电压逐渐降低，当电压降低至50%Vn+2时，控制外置电阻上的开关将外置电阻处于断开状态，关闭搅拌装置和曝气装置，将阳极室和阴极室内污泥及污水全部排出，即完成驯化;
五、向兼性室中加入活性污泥，然后开启三段连续流产电装置，启动搅拌装置和曝气装置，通过控制曝气装置将阴极室中溶解氧控制为2mg/L～4mg/L，控制外置电阻上的开关将外置电阻处于连通状态，此时阳极碳刷通过外置电阻与阴极碳刷连通，采用连续流运行模式，使含油污水由阳极室进水口进入，由阳极室出水口流出进入兼性室，再由兼性室出水口流出进入阴极室，经过阴极室处理后的出水一部分由第一阴极室出水口排出，一部 分由第二阴极室出水口回流至兼性室，控制回流比为4:1。
步骤一中阳极室中活性污泥的体积是阳极室容积的20%～30%，阴极室中活性污泥的体积是阴极室容积的20%～30%，所述活性污泥为油田污水处理厂二沉池污泥。
步骤一中阳极室中PBS缓冲液的浓度为20ppm，阴极室中PBS缓冲液的浓度为20ppm。
步骤一中阳极室中葡萄糖的浓度为500～1000mg/L，阴极室中葡萄糖的浓度为500～1000mg/L。
步骤一中加入的填料的体积为网筒体积的30%，所述填料为MBBR填料。
本发明的原理：
本发明装置的阳极室、阴极室以及兼性室中均预先接种了具有油田含油污水能力的活性污泥，驯化过程使阳极碳刷表面生成厌氧产电菌膜，在阴极碳刷表面生成好氧产电菌膜，在填料表面生成厌氧菌膜，在阳极室中油田含油污水利用阳极碳刷表面的厌氧产电菌膜和填料表面的厌氧菌膜对污水进行处理，在阴极室中阳极室处理后的油田含油污水利用阴极碳刷表面的好氧产电菌膜进行处理，最终实现利用基于生物电子调控的油田含油污水处理装置的产电。
本发明装置的阳极室和阴极室构成了一个微生物燃料电池(MFC)，本发明的三段连续流产电装置采用连续流运行的方式，反应器各室进出水均采取下进上出的方式，油田的含油污水作为待处理水由设置在阳极室底部的阳极室进水口进入MFC，阳极室的出水作为兼性室的进水，兼性室的出水作为阴极室的进水，经过阴极室处理后的出水一部分作为最终出水由第一阴极室出水口排出，另一部分出水由第二阴极室出水口回流至兼性室;阳极室为厌氧环境，阴极室为好氧环境，兼性室由厌氧的出水和阴极室的好氧水回流来保证兼性条件。
本发明的有益效果：
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(MFC)在功能上实现了污染物降解，产电的功效。本发明油田含油污水处理的连续流产电装置用于降解含油污水，特点在于将厌氧生物处理和好氧生物处理与连续流MFC工艺相结合，并将其应用于含油污水的处理上。实现对有毒有害物质处理的同时，最大的电能输出。
本发明将厌氧生物处理及好氧生物处理与MFC工艺相结合，并将其应用于油田含油 污水的处理上。实现对石油类物质降解的同时，能够获得稳定的电能输出，实现了资源的回收与利用。