油田含聚污水应用电子束辐照技术杀菌降黏探索性实验

马荣

大庆油田第五采油厂

在油田三次采油技术中，聚合物驱油技术应用最为广泛。聚合物驱油是在水中加入聚丙烯酰胺等不同分子聚合物来增加配聚体系的黏度和黏弹性[1]，改善流度比，提高驱油体系的波及面积，进而提高原油采出率[2]。油田采出水通常采用“沉降+过滤”工艺去除原油和悬浮物，再经杀菌处理后，重新作为地层采油回注水使用。

近年来，由于大庆油田大范围应用聚合物驱油技术，采出污水的含聚浓度上升，导致污水的黏度增大、COD值升高、乳化油与溶解油含量高、细菌存活能力及抗药性增强，造成污水沉降及过滤工艺处理效率下降，处理后的水质难以达到回注污水指标要求。

1 含聚污水杀菌降黏处理现状

由于大庆油田聚驱采出污水中聚丙烯酰胺浓度的增加，导致含聚污水的黏度增大、细菌存活数量增加。聚丙烯酰胺具有极强的生物抗性，难以被生物降解[3]，现场生产中主要采用化学药剂破乳，同时辅以超声波技术降黏[4]。但投加化学药剂不仅成本高，而且进一步增加了采出水的离子浓度和盐度，影响回注水的质量；此外，物理降黏技术[5]在实际现场应用中对含聚污水降黏处理效果不理想。

大庆油田含聚污水杀菌技术主要采用化学杀菌剂灭活细菌，同时联合应用紫外线及LEMUP 物理杀菌技术[6]。含聚污水长期投加化学杀菌剂后，细菌的抗药性增强，存活能力随之增强[7]，造成化学杀菌剂投加量及投资成本大幅增长，吨水处理费用上升。含聚污水中含油、各类杂质及细菌较多会造成污水浊度增大，导致紫外线的穿透能力下降，物理杀菌作用的效果也随之变差。

2 电子束辐照杀菌降黏技术原理

电子束辐照技术是通过电子加速器产生的电子束对污染物进行处理的技术，是一种独特的高级氧化-还原技术，其作用原理包括高能电子束直接辐射作用、电子束激发水分子产生·OH、eaq-、·H等活性粒子的氧化-还原作用[8]。

2.1 电子束辐照降黏技术原理

电子束辐照激发水分子产生的·OH 自由基和高能射线首先进攻含聚污水中聚丙烯酰胺分子内氢键以及聚丙烯酰胺分子与水之间的分子间氢键，破坏聚丙烯酰胺的空间稳定结构，使其黏度急剧减小[9]。在·OH自由基的氧化作用下，聚丙烯酰胺分子进一步被降解，聚合度降低，酰胺基被破坏，部分聚丙烯酰胺分子被直接氧化矿化为二氧化碳和水，含聚污水黏度被进一步降低。

2.2 电子束辐照杀菌技术原理

含聚污水水分子受到高能射线辐射后产生的·OH 自由基等活性基团通过氧化作用破坏微生物的DNA、RNA 及细胞组织。此外，电子束辐照产生的高能射线可通过康普顿效应直接作用于DNA、RNA 等生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，使分子链断裂、碱基脱落或氢键断裂、细胞内膜受损、酶功能紊乱等，致使微生物细胞死亡。

3 电子束辐照杀菌降黏实验

为了明确电子束辐照技术对含聚污水降低黏度及灭活污水中硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌的作用效果，实验采用电子加速器对含聚污水进行辐照，考察污水黏度及细菌变化情况（图1）。

图1 室内实验示意图Fig.1 Schematic diagram of the indoor experiment

3.1 电子束辐照对含聚污水黏度的作用效果

实验水样选取大庆油田两座含聚污水站原水，两种污水含聚浓度分别为438 mg/L（污水A）、254 mg/L（污水B）。通过调节电子束的束流强度，将电子束辐照吸收剂量分别控制为0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 kGy，对大庆油田两种含聚污水进行电子束辐照后，检测其黏度变化情况。检测数据如表1所示。

表1 含聚污水黏度检测数据Tab.1 Viscosity test data of polymer-containing sewage

实验结果表明，电子束辐照对含聚污水的降黏作用明显，污水降黏速度很快。辐照吸收剂量为0.5 kGy时，含聚污水A和含聚污水B的黏度下降幅度分别达到42.1%和40.3%；增加辐照吸收剂量达到1.0 kGy 时，含聚污水A 和含聚污水B 的黏度下降幅度分别达到53.6%和57.9%，污水B 的黏度下降到1.1～1.2 mPa·s；继续增加辐照吸收剂量达到2.0 kGy 时，污水A 和污水B 的黏度均可降为1.1～1.2 mPa·s，接近相同温度下水的黏度。

3.2 电子束辐照对含聚污水细菌的作用效果

3.2.1 电子束辐照灭活细菌作用效果

将电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、2.5、5.0、10.0 kGy，对含聚污水A 和含聚污水B 进行电子束辐照后检测硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌数量。检测数据见表2、表3。

表2 污水A细菌检测数据Tab.2 Bacterial test data of Sewage A

表3 污水B细菌检测数据Tab.3 Bacterial test data of Sewage B

实验结果表明，电子束辐照对含聚污水的杀菌效果十分明显。当辐照吸收剂量为1.0 kGy 时，含聚污水A和含聚污水B中的硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌降至0～60 mL-1，去除率均在99%以上，低于油田含聚污水回注细菌指标（100 mL-1）[10]；当辐照吸收剂量增加到2.5 kGy 时，硫酸盐还原菌等3种细菌数量均降为0，均未检出。

3.2.2 电子束辐照灭活细菌持续作用效果

将电子束辐照吸收剂量分别控制为1.0、2.5、5.0和10.0 kGy，对含聚污水A进行辐照，辐照后水样置于室温（30 ℃～32 ℃）8 h、24 h后，检测含聚污水中腐生菌、铁细菌、硫酸盐还原菌数量，考察电子束辐照对含聚污水中细菌灭活后其能否二次复活及繁殖。检测数据见表4。

表4 含聚污水细菌检测数据Tab.4 Bacterial test data of polymer-containing sewage

由实验结果可以看出，放置8 h～24 h 后，含聚污水中检测出的腐生菌、铁细菌和硫酸盐还原菌的数量无变化，电子束辐照吸收剂量为2.5、5.0 和10.0 kGy的完全灭活的水样，在8 h、24 h 后检出的细菌数量仍为0，表明电子束辐照杀菌较彻底，细菌灭活后未产生复活及繁殖现象。

4 效益分析

采用电子束辐照处理含聚污水，吸收剂量为1.0 kGy 时，含聚污水的细菌即可达到聚驱回注污水细菌指标，黏度接近1.0 mPa·s，吨水耗电约为1.0 kWh，吨水处理费用为0.637元。含聚污水采用电子束辐照预处理后，再进行物理杀菌和投加杀菌剂，可同时降低杀菌剂等化学药剂投加量，与大庆油田某含聚污水站现处理工艺对比，吨水处理成本降低31.5%。

5 结论

（1）电子束辐照技术可高效灭活油田含聚污水中硫酸盐还原菌、腐生菌和铁细菌。辐照吸收剂量1.0 kGy时，含聚污水中3种细菌可达到污水回注指标（100 mL-1）的要求；辐照吸收剂量2.5 kGy 时，3种细菌去除率达100%。

（2）电子束辐照技术可有效降低含聚污水黏度。辐照吸收剂量为1.0 kGy 时，含聚污水的黏度可大幅下降，辐照吸收剂量达到2.0 kGy 时，含聚污水黏度可降到1.1～1.2 mPa·s，接近相同温度下水的黏度。

（3）电子束辐照技术处理含聚污水可降低处理成本。电子束辐照技术预处理含聚污水与目前杀菌和降黏处理方式对比，吨水处理成本降低31.5%。