Исследование обработки сточных вод добычи нефти методом аэрозолизации заземленного электрода с коронным разрядом в сочетании с флокулянтом

Почему важно очищать воды нефтяных месторождений

Современная жизнь сильно зависит от нефти, но каждая добытая бочка сопровождается несколькими бочками загрязненной воды, насыщенной нефтяными остатками и химикатами. Эти «параллельные воды» настолько трудно поддаются очистке, что большую часть нельзя безопасно сбрасывать или повторно использовать. В работе, изложенной в этой статье, исследуется новый подход к очистке столь проблемной сточной воды — электрическая аэрозолизация в сочетании с распространенным реагентом для водоочистки, с целью превратить трудно поддающийся утилизации поток в воду, с которой биологические станции смогут справляться гораздо легче.

Особо сложный тип загрязненной воды

Сточные воды при добыче нефти — это не просто нефть в воде: они также насыщены органическими загрязнителями, взвешенными веществами и солями и очень плохо разлагаются в обычных биологических системах очистки. Ежедневно во всем мире образуются сотни миллионов баррелей таких вод, и объемы, как ожидается, будут расти. При недостаточной обработке они вредят почвам, рекам, подземным водам и даже здоровью людей. Традиционные методы часто испытывают трудности с этой смесью, могут быть дорогими или порождать дополнительные виды отходов. Поэтому инженеры ищут методы предварительной обработки, которые могли бы удалить большую часть загрязнений и, что не менее важно, сделать оставшиеся вещества более «перевариваемыми» для микроорганизмов на последующих этапах очистки.

Преобразование сточной воды в тонкодисперсный электризованный туман

Команда исследователей сосредоточилась на типе низкотемпературной плазменной обработки, называемой аэрозолизацией с коронным разрядом. Проще говоря, воду подают по металлическому стержню под высоким напряжением внутри металлического цилиндра. Жидкость распределяется тонкой пленкой и затем под действием сильного электрического поля распадается на мелкий туман. Вокруг этого тумана образуются энергичные электроны и реакционноспособные молекулы, которые атакуют и разрушают загрязнители. Главным недостатком ранних устройств было неравномерное распределение жидкости по электроду, что приводило к пятнистому образованию тумана и слабой обработке. Чтобы устранить это, авторы разработали новый «спиралевидный перфорированный» электрод: перфорированная металлическая труба, облепленная впитывающим волокном и гофрированной пружиной. Эта конструкция равномерно впитывает воду, поддерживает однородную жидкостную пленку и стабилизирует электрический разряд, обеспечивая постоянное, тонкое распыление по всему реактору.

Поиск оптимума для электрической обработки

Ученые систематически настраивали ключевые рабочие параметры. Они сравнили положительную и отрицательную полярности и обнаружили, что отрицательный разряд даёт более сильный ток и более энергичные электроны, поэтому все последующие испытания проводили с отрицательной полярностью. Затем они варьировали скорость потока воды и зазор между внутренним стержнем и наружным цилиндром. Слишком малый поток не обеспечивал поверхность и ослаблял образование тумана; слишком большой создавал толстую пленку, которую сложнее разрыхлить. Слишком узкий зазор ограничивал пространство для реакций, тогда как слишком широкий ослаблял электрическое поле. Измеряя напряжение воспламенения разряда, напряжение пробоя и зависимость тока от напряжения, они определили оптимальную комбинацию: зазор 30 мм, расход 40 мл/мин и приложенное напряжение 26 кВ. При этих условиях новая конструкция со спиральными отверстиями обеспечивала очень равномерную атомизацию и сильный разряд, даже несмотря на то, что суммарный электрический ток был сопоставим с более простым проволочным электродом.

Добавление вспомогательного вещества для слипания и осаждения загрязнений

Сам по себе электрический туман улучшал воду, но команда пошла дальше и добавила полиакриламид — широко используемый порошок, который заставляет мелкие частицы и капли слипаться в более крупные «флокулы», способные оседать. Испытали четыре дозы этого флокулянта и затем пропускали обработанную воду через электризованный реактор до пяти часов, отслеживая мутность, кислотность и показатели органического загрязнения. Умеренные дозы делали воду значительно прозрачнее и снижали суммарную органическую нагрузку сильнее, чем разряд в одиночку, тогда как слишком маленькая доза не образовывала достаточное количество флокул, а чрезмерная доза ухудшала работу, стабилизируя частицы и поглощая часть реактивных видов плазмы. Промежуточная доза 0,4 г/л оказалась оптимальной, обеспечив наименьшую мутность и наибольшее удаление органики.

От трудноразлагаемого отхода до сырья для биореактора

Для оператора очистных сооружений ключевой показателем является то, насколько оставшиеся загрязнения биоразлагаемы. Это выражается в отношении двух стандартных тестов — BOD5 и COD. В исходном состоянии сточная вода с нефти была крайне трудноперерабатываемой для микроорганизмов, с очень низким соотношением 0,08. Только электрическая аэрозолизация увеличивала это отношение до 0,56; сочетание же её с оптимизированной дозой флокулянта поднимало его примерно до 0,76, при этом химическое потребление кислорода снижалось до 168 мг/л и значительно уменьшалась мутность. В практическом смысле процесс превращает стойкий поток отходов в воду, с которой биологические системы справляются гораздо легче и которая близка к требованиям повторного использования в нефтяной промышленности. Работа показывает, что грамотно спроектированные электрические реакторы в сочетании с простыми коагулянтами могут дать нефтепроизводителям более эффективный и экологичный способ обращения с одним из их крупнейших и самых проблемных видов отходов.

Цитирование: Du, S., Gou, Y., Li, H. et al. Study on treatment of oil extraction wastewater by grounding electrode atomization corona discharge coupling flocculant. Sci Rep 16, 8747 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39459-7

Ключевые слова: сточные воды нефтяных месторождений, плазменная очистка воды, коронный разряд, флокуляция, биоразлагаемость