膜组合工艺降低聚驱采油废水矿化度的技术研究

一本充满幽默、大牙齿、和怪物 的图画书，以一个怪物的视角来给孩子讲述刷牙不仅仅是人类的事情，就连怪物也要刷牙。提醒孩子们刷牙的重要性，并引导孩子快乐地刷牙，同时把牙医描述成一个战无不胜的超级英雄，消除孩子对牙医的恐惧心理。

用孩子听得懂、感兴趣的方式，幽默、诙谐的方法告诉他们刷牙是怎么回事，吃刷牙的好处，如何保护牙齿，以及牙医的工作……这本书想想奇特，，故事有趣，画面色彩柔和，要孩子在快乐中学到知识，在童话故事中养成良好的刷牙习惯。

 

本书针对目前聚驱采油废水的处理现状和技术难题，提出了以“陶瓷膜/改性有机超滤膜 离子交换膜”组合工艺处理聚驱采油废水的技术路径。通过对比，研究了改性有机超滤膜和陶瓷膜预处理聚驱采油废水的效能，然后在预处理基础上对离子交换膜降低聚驱采油废水矿化度的效能进行了研究，并对“改性有机超滤膜 离子交换膜”组合工艺进行了中试研究，为降低聚驱采油废水矿化度及资源化利用提供了理论依据和技术基础。

本书可供从事水处理的专业技术人员和研究人员、高等院校水处理及相关专业师生参考使用。

 

徐俊，南阳师范学院土木建筑工程学院，讲师，南阳师范学院讲师，南阳市市政环境领域评审专家。自2004年一直致力于含油废水处理及资源化利用方面的工程实践和研究工作，具有较强的专业理论、工程设计和科研能力，主持和参与多项相关领域的国家
级、省部级纵向和横向研究课题。目前在国内外知名期刊发表含油废水处理及资源化利用方面的学术论文20余篇，其中SCI和EI收录7篇，荣获省市级自然科学学术奖2项，申报国家专利6项。

 

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2聚驱采油废水的来源及危害2

1.2.1采油技术的发展阶段2

1.2.2聚驱采油废水的来源2

1.2.3聚驱采油废水的水质特征3

1.2.4聚驱采油废水的危害4

1.3聚驱采油废水的处理研究进展与技术现状5

1.3.1采油废水的常规处理技术现状5

1.3.2聚驱采油废水处理技术的研究进展8

1.3.3聚驱采油废水的处理技术现状分析10

1.4超滤和微滤技术概述12

1.4.1超滤和微滤技术简介12

1.4.2超滤和微滤技术特点13

1.4.3超滤和微滤膜组件类型及特性13

1.4.4超滤和微滤膜的污染与控制14

1.4.5有机膜和无机膜的性能对比分析16

1.5超滤和微滤技术处理采油废水的研究与应用17

1.5.1超滤和微滤技术处理采油废水的国外研究现状17

1.5.2超滤和微滤技术处理采油废水的国内研究现状18

1.5.3超滤和微滤技术处理采油废水存在的问题19

1.6降低矿化度技术概述21

1.6.1相变法降低矿化度技术21

1.6.2化学法降低矿化度技术22

1.6.3电吸附法降低矿化度技术22

1.6.4反渗透法降低矿化度技术22

1.6.5离子交换膜法降低矿化度技术23

1.7降低矿化度技术处理采油废水的研究与应用25

1.7.1降低矿化度技术处理采油废水的国内外研究现状25

1.7.2降低矿化度技术处理采油废水存在的问题26

1.8本书的技术路线、研究内容及结论27

1.8.1研究来源27

1.8.2技术路线27

1.8.3研究内容28

第2章试验材料及方法29

2.1试验用水与装置29

2.1.1陶瓷膜试验用水与装置29

2.1.2改性有机超滤膜试验用水与装置32

2.1.3离子交换膜试验用水与装置32

2.1.4中试用水与装置34

2.1.5试验试剂36

2.2检测方法37

2.2.1悬浮物含量测定37

2.2.2含油量测定38

2.2.3聚丙烯酰胺(PAM)相对分子质量、水解度及含量测定40

2.2.4金属离子和阴离子测定42

2.2.5总有机碳和溶解性有机碳测定43

2.2.6细菌类测定43

2.2.7极限电流密度测定43

2.2.8其他指标测定43

2.3仪器分析44

2.3.1原子力显微镜(AFM)观察44

2.3.2扫描电镜(SEM)显微观察44

2.3.3傅里叶变换红外(ATR-FTIR)分析44

2.3.4气相色谱-质谱(GC/MS)分析45

2.3.5X射线能量色散谱(EDS)分析45

2.3.6X射线衍射(XRD)分析45

2.3.7粒径分布分析45

2.3.8接触角的分析46

2.3.9核磁共振(NMR)分析46

2.3.10表观黏度及流变性分析46

2.3.11流动电位、Zeta电位及电荷密度分析46

第3章陶瓷膜预处理聚驱采油废水的试验研究47

3.1引言47

3.2陶瓷膜预处理聚驱采油废水的单因子试验47

3.2.1陶瓷膜清水通量试验48

3.2.2跨膜压差对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响49

3.2.3膜面流速对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响50

3.2.4浓缩倍数对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响53

3.2.5温度对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响55

3.2.6pH对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响57

3.2.7矿化度对陶瓷膜通量发展及除污特性的影响62

3.3陶瓷膜预处理聚驱采油废水的运行参数优化62

3.3.1析因交叉试验设计及运行结果63

3.3.2膜通量预测回归模型的建立及检验65

3.3.3陶瓷膜产水能耗预测模型的建立及应用分析70

3.3.4经济预测模型的建立及参数优化75

3.3.5优化参数下陶瓷膜的通量发展77

3.4 本章小结79

第4章改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水及与陶瓷膜的对比研究80

4.1引言80

4.2改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的单因子试验80

4.2.1改性有机超滤膜清水通量试验及其与陶瓷膜的比较80

4.2.2跨膜压差对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响81

4.2.3膜面流速对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响84

4.2.4浓缩倍数对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响86

4.2.5温度对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响89

4.2.6pH对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响91

4.2.7矿化度对改性有机超滤膜通量发展及除污特性的影响96

4.3改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的运行参数优化97

4.3.1析因交叉试验设计及运行结果98

4.3.2膜通量预测回归模型的建立及检验100

4.3.3经济预测模型的建立及参数优化104

4.4优化参数下改性有机超滤膜通量发展及出水水质分析107

4.4.1优化参数下改性有机超滤膜的通量发展107

4.4.2优化参数下改性有机超滤膜出水水质分析108

4.5改性有机超滤膜和陶瓷膜预处理聚驱采油废水性能对比分析115

4.5.1吨水膜投资成本预测模型的对比分析115

4.5.2产水综合成本预测模型的对比分析115

4.5.3优化参数下产水能耗的对比分析115

4.5.4优化参数下吨水投资成本及产水综合成本的对比分析116

4.5.5优化参数下产水率的对比分析116

4.5.6优化参数下出水水质的对比分析116

4.6本章小结119

第5章改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的膜污染机理与控制技术研究120

5.1引言120

5.2改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的膜阻力研究120

5.2.1聚驱采油废水的流变性120

5.2.2改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水阻力模型的建立及应用122

5.3改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的污染机理分析124

5.3.1污染膜AFM及SEM显微观察124

5.3.2污染物傅里叶变换红外（ATR-FTIR）分析124

5.3.3污染物核磁共振（NMR）分析127

5.3.4X射线衍射（XRD）及X射线能量色散谱（EDS）分析128

5.3.5气相色谱-质谱（GC/MS）分析129

5.3.6膜清洗液TOC及离子含量分析130

5.3.7溶液和膜Zeta电位分析131

5.3.8溶液的粒径分布分析132

5.3.9膜出水HPAM相对分子质量及水解度特性133

5.3.10膜接触角变化分析134

5.3.11改性有机超滤膜污染过程的演绎与推断134

5.4改性有机超滤膜预处理聚驱采油废水的膜污染控制135

5.4.1反冲洗对改性有机超滤膜污染的控制135

5.4.2NaOH碱洗对改性有机超滤膜污染的控制137

5.5有机超滤膜预处理含聚采油废水清洗技术研究139

5.5.1单组分药剂清洗研究139

5.5.2CaCO3粉末协同作用下的单组分药剂清洗效果141

5.5.3CaCO3粉末协同作用下的复合药剂及与酸交替清洗效果145

5.5.4CaCO3粉末协同作用下的清洗机理分析149

5.6本章小结151

第6章离子交换膜降低聚驱采油废水矿化度试验研究152

6.1引言152

6.2运行参数对离子交换膜低矿化度性能的影响152

6.2.1恒定流量下关于电流密度和脱盐时间的脱盐率预测模型152

6.2.2恒定流量下电流密度对淡水吨水能耗和脱盐时间的影响153

6.2.3恒定电压下关于流量和脱盐时间的脱盐率预测模型154

6.2.4恒定电压下流量对淡水吨水能耗和脱盐时间的影响155

6.2.5产水率和电流密度对电流效率的影响155

6.2.6极限电流密度的确定156

6.3离子交换膜去除离子效果及淡水目标电导率的确定157

6.3.1阴离子的去除效果158

6.3.2阳离子的去除效果158

6.3.3离子交换膜淡水目标电导率的确定159

6.4离子交换膜的污染与清洗161

6.5本章小结164

第7章改性有机超滤膜-离子交换膜组合工艺降低聚驱采油废水矿化度中试研究165

7.1引言165

7.2改性有机超滤膜和陶瓷膜产水能耗模型的检验试验165

7.3改性有机超滤膜抗污染负荷能力试验167

7.3.1对二次混凝沉降罐出水的处理效果167

7.3.2改性有机超滤膜抗HPAM污染能力168

7.4改性有机超滤膜长期运行过程中的通量发展及出水水质169

7.4.1改性有机超滤膜长期运行过程中的通量发展169

7.4.2改性有机超滤膜长期运行过程中的出水水质170

7.4.3改性有机超滤膜浓缩液及膜清洗液处理研究170

7.5离子交换膜长期运行淡水电导率变化及配聚性能研究171

7.5.1离子交换膜长期运行淡水电导率变化171

7.5.2离子交换膜淡水配制聚合物溶液表观黏度171

7.5.3离子交换膜淡水配制聚合物溶液的剪切流变性173

7.5.4离子交换膜淡水配制聚合物溶液的黏弹性173

7.6组合工艺降低聚驱采油废水矿化度经济评价174

7.6.1设备费174

7.6.2运行费用174

7.6.3设备维护费175

7.6.4综合制水成本175

7.7本章小结175

第8章总结与展望176

8.1主要试验研究内容及结论176

8.2中试研究内容及结论177

8.3主要创新点178

8.4技术展望178

参考文献179

 

随着聚合物驱技术的大规模推广和应用，伴随产生的聚驱采油废水也在日益增加。2012年我国聚驱采油废水高达1.3×108吨。聚驱采油废水不仅含悬浮物高、含油高、矿化度高，而且因含有聚合物（HPAM），水体黏度增加，稳定性增强，常规处理工艺难以对其进行有效处理。同时,由于聚驱采油废水矿化度高,导致聚合物溶液黏度严重损失而无法直接回用。聚驱采油废水的外排不仅破坏了油田的注采平衡，浪费了大量宝贵的水资源，而且对环境造成了严重污染。

我国是水资源短缺的国家，特别是我国北方地区水资源短缺的危机已经十分突出，目前有300多个大中城市缺水，其中100多个城市严重缺水，缺水城市的分布将由目前集中在三北（华北、东北、西北）地区及东部沿海城市逐渐向全国蔓延，已产生了严重的经济和社会环境问题。同时，水环境污染已成为世界性的重大问题，而我国的水环境污染尤其严重，成为制约国民经济发展的另一因素。因此，对聚驱采油废水回用过程中的关键技术进行研究，探索和开发一种技术合理、经济可行的聚驱采油废水深度处理方法以实现油田水资源的循环利用，对我国乃至世界油田的可持续发展、节约水资源和保护环境都具有重要的意义。

本书以实现油田水资源的循环利用为目标，以“陶瓷膜/改性有机超滤膜 离子交换膜”组合工艺降低聚驱采油废水矿化度过程中涉及的关键技术为主要内容，首先对比考察了改性有机超滤膜和陶瓷膜预处理聚驱采油废水的效能，随后在预处理基础上考察了离子交换膜降低聚驱采油废水矿化度的效能;基于相关机理的探讨,对改性有机超滤膜的膜污染机理、控制技术和清洗技术进行了研究;最后对“改性有机超滤膜 离子交换膜”组合工艺降低聚驱采油废水矿化度进行了长达18个月的中试考察和研究，为降低聚驱采油废水矿化度及废水的资源化利用提供了理论依据和技术基础。本书中采用的析因交叉试验设计方法、膜通量预测回归模型建立与检验方法、经济预测模型建立及参数优化方法以及产水成本预测模型在膜法水处理领域起到一定的先导和促进作用，具有较好的实际应用价值和现实意义。

本书的出版得到了河南省高等学校重点科研项目(15A560033)、河南省科技厅科技发展计划项目(172102210096)、河南省科技厅自然科学基金项目(182300410291)等项目的支持。在本书研究和形成过程中, 曾得到同济大学于水利教授的倾心支持，是恩师把我引入了膜法采油废水处理的领域，并给予了悉心的指导和帮助；在水质监测和分析方面，得到了哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室欧阳红、余敏、施雪华、沈吉敏等老师的支持和帮助；在现场试验研究过程中，得到了南阳油田和大庆油田的大力支持和帮助；在本书撰写过程中，得到了河北工业大学田家宇教授多方面的关心、支持、帮助和鼓励。特别感谢南阳师范学院在本书的编著和出版过程中给予的大力支持。最后感谢我的爱人和家人对我一如既往的理解和支持。

限于笔者水平，文中难免存在缺陷和不足，敬请批评指正。

徐俊

2018年8月