基于接地电极雾化冠电晕放电耦合絮凝剂的产油废水处理研究

为什么清理油田水很重要

现代生活高度依赖石油，但每开采一桶原油，往往会伴随产生数倍于油量的含油残留和化学物质的污水。这种“采出水”极难处理，大量无法安全排放或重复利用。本文研究探索了一种新方法：将电雾化工艺与常用水处理助剂结合，旨在将这一顽固污水转化为生物处理厂更易处理的水体。

一种难缠的污水

油采废水不仅含油，还富含有机污染物、悬浮固体和盐分，在常规生物处理系统中极难降解。全球每天产生数以亿计的此类废水，且产量有增无减。若不能妥善处理，会损害土壤、河流、地下水，甚至危及人体健康。传统工艺常在处理这种混合物时遇到困难，成本高或产生新的废物。因此工程师们寻求预处理方法，既能去除大量污染物，又能使残余污染更易被后续微生物降解。

将废水变成细小带电雾滴

研究组聚焦于一种低温等离子体处理方式——雾化冠电晕放电。简单来说，他们将废水泵过放置在金属圆筒内的高压金属棒，液体在表面形成薄膜，在强电场作用下被打散成细小雾滴。雾滴周围产生高能电子和活性分子，攻击并分解污染物。早期装置的一个主要弱点是液体不能均匀铺展在电极表面，导致雾化不均、处理效果不稳定。为此，作者设计了新型“螺旋孔”电极：一根穿孔金属管包覆吸水纤维并置入螺旋弹簧。这种结构能均匀吸持水分，维持稳定的液膜并稳定放电，从而在反应器内产生一致的细喷雾。

寻找电处理的最佳工况

科学家系统调节了关键运行参数。他们比较了正极和负极放电，发现负极放电产生更强的电流和更高能量的电子，因此在后续测试中采用负极。接着他们改变水的流量和内杆与外筒之间的间隙。流量过小会使表面干涸、雾化减弱；流量过大则形成厚液膜难以破碎。间隙过窄会限制反应空间，过宽又削弱电场。通过测量起辉电压、击穿电压以及电流随电压的响应，他们确定了一个最佳组合：间隙30毫米、流量40毫升/分钟、施加电压26千伏。在这些条件下，螺旋孔设计实现了非常均匀的雾化和强放电，尽管总体电流与简单金属丝电极相当。

加入助剂使污染物凝聚沉降

单独的电雾化已能改善水质，但研究团队进一步加入了聚丙烯酰胺（PAM），这是一种常用粉末状絮凝剂，能使微小颗粒和液滴凝聚成较大絮体并沉降。他们测试了四个投加量并将处理后的水在电场反应器中处理最长达五小时，监测浑浊度、酸碱度和有机污染物指标。中等投加量使水明显澄清并比单独放电时更有效地降低有机负荷；投加过少无法形成足够絮体，投加过多则会通过稳定颗粒或消耗等离子活性物质而反而降低效果。每升0.4克的中等投加量达到了最佳平衡，获得最低的浑浊度和最高的有机物去除率。

从顽固废水到生物反应器原料

对污水处理厂操作人员而言，一个关键指标是残余污染物的“可生物降解性”，通常用BOD₅/COD比值来表示。起始时该油田废水对微生物极为不利，比值仅为0.08。仅电雾化处理可将其提高至0.56；在最佳絮凝剂配合下，该比值可提升到约0.76，同时将化学需氧量降至168毫克/升并显著降低浑浊度。换言之，该工艺能将难降解的废水转化为更易被生物系统处理的水，并接近满足油田用水回用标准。研究表明，经精心设计的电反应器与简单的凝聚助剂配合，或可为油企处理其最大且最棘手的废物流之一提供更高效、环境友好的方案。

引用: 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

关键词: 油田废水, 等离子体水处理, 冠电晕放电, 絮凝, 可生物降解性