油田污水的水質(zhì)復雜，除具有較高的礦化度和溫度外，還有高含量的 H2S 等腐蝕性氣體〔1〕，特別是隨著高含硫油田的開發(fā)，部分油田污水中的 H2S 高達 20~40 mg/L。 H2S 氣體溶于水中會導致水體的 pH 不斷下降，污水整體呈現(xiàn)酸性，成為高含硫油田污水處理系統(tǒng)管道腐蝕的主 要原因，而且現(xiàn)在大部分油田的注水水源都采用油 田采出水，更加重了注水系統(tǒng)的腐蝕 〔2〕。
目前，油田污水 的處理方法主要是向污水中投加緩蝕劑 、殺菌劑等藥劑〔3〕，緩蝕劑可在金屬壁上成膜以控制腐蝕 〔4〕。但緩蝕劑并不能完全去除污水中引起腐蝕的因素， 無法從根本上解決腐蝕問題， 而且藥劑的消耗量較大，保護范圍有限， 容易引起二次污染〔5〕。筆者從氣提角度出發(fā)， 擬開發(fā)一套有效處理污水中H2S 的新工藝。
1 實驗機理
硫化氫是弱酸， 在水中分步電離：
硫化氫水溶液中含有 H+、HS-、S2-和 H2S 分子 ，其對金屬的腐蝕為氫去極化過程：
陽 極 ：
陰極：
氣提法就是利用氣液平衡原理來處理溶解于水中的H2S。在氣提設備中，使廢水與載氣接觸，并不斷排出氣體，始終保持氣相中的 H2S 實際濃度小于該條件下的平衡濃度，這樣廢水中溶解的 H2S 就不斷轉(zhuǎn)入氣相，廢水中的 H2S 可得到去除 〔6〕。
2 實驗部分
2.1 實驗材料與儀器
材料：鹽酸 、無水乙醇， 均為分析純 ; 酚酞指示劑、97# 汽油 、0.01 mol/L 氫氧化鈉溶液、A3 碳鋼試片( D 76 mm ×13 mm ×1.5 mm)。
儀器： CP214 電子天平， 奧豪斯儀器上海有限公司 ; LG-223 恒溫干燥箱 ， 上海愛斯佩克環(huán)境儀器有限公司 ; pHS-3D pH 計， 上海精科有限公司 ; 25DBZ- 0.37 單相自吸泵， 上海恒通自吸泵有限公司 。
實驗用水： 取自勝利油田污水處理站 ， H2S 質(zhì)量濃度為 7.5~8 mg/L， pH 為 6~6.5。
2.2 實驗方法
實驗采用氮氣作載氣 ，實驗工藝流程見圖 1 ( 模擬氣提裝置容積為 0.03 m3)。
圖 1 實驗工藝流程
將含硫污水倒入密封污水儲罐，在不調(diào)節(jié) pH、分別調(diào)節(jié) pH 至 6、5、4.5 的條件下將水樣注入模擬氣提裝置內(nèi) ，開始通入氮氣 ，氮氣進入模擬氣 提裝置，將 H2S 氣體帶入中和吸收罐進行脫除。 控制載氣流量分別為 0.1 、0.2、0.3、0.4 m3/h，在各個流量下分別取通氣時間為 0、10、20、30、40、50、60、90、120 min 的水樣，測定余量 H2S。
3 實驗結(jié)果與討論
3.1 余量 H2S 變化
載氣通量為 0.1 m3/h 時水樣的 H2S 變化見圖 2。
圖 2 不同 pH 下 H2S 余量變化
由圖 2 可以看出 ，隨著氣提時間的增加 ，污水中的 H2S 持續(xù)降低 ，但如果不調(diào)節(jié)污水的 pH，H2S 的去除速率很慢，甚至不能完全去除 ，如將污水 pH 調(diào)至酸性，則去除效率大大增加 。 這是因為污水中的 H2S 大部分以硫化物的形式存在 ，應先將硫化物轉(zhuǎn)化為 H2S，再通過氣提法將其完全除去 ，而轉(zhuǎn)化方法就是將污水 pH 調(diào)至酸性。
由圖 2 還可以看出 ，pH 為 5、4.5 時 H2S 的去除效果很好，可將污水中的 H2S 完全去除 ，以 pH 為 4.5 時的去除效率最高。
圖 3 是不同載氣通量下的 H2S 余量變化。 由圖 3可以看出 ，時間一定時，H2S 的去除率隨著載氣通量的增加而增加，載氣通量為 0.3、0.4 m3/h 時，40 min 時可將 H2S 完全去除。
圖 3 不同載氣通量下 H2S 余量變化
分析其原因 ： 向污水中通入純凈的氮氣后 ，根據(jù)氣液平衡原理，液相中的 H2S 會向氮氣中擴散直到飽和 ，隨后排除氮氣，可將 H2S 一并去除。 當?shù)獨馔吭黾訒r，其容納 H2S 氣體的能力更強 ，氮氣與污水的接觸面積也增大 ，H2S 向氮氣擴散的速率變快，所以去除效果更好。 由此可見，載氣通量選擇 0.3 m3/h 或 0.4 m3/h 最為適合。
3.2 pH 變化
實 驗 對 水 樣 pH 隨 時 間 的 變 化 情 況 及 不 同 載氣通量下 pH 的變化進行考察 ，分別如圖 4、圖 5所示 。
圖 4 pH 隨時間的變化
圖 5 不同載氣通量下 pH 與時間的關(guān)系
由圖 4 可以看出 ，水樣的 pH 隨氣提時間的增加逐漸升高，由反應式 (1 ) 可知原因有二 ： 一方面加入的氫離子和污水中的硫離子反應生成 H2S，導致氫離子減少 ，pH 上升; 另一方面隨著 H2S 氣體不斷被排出 ，污水中的 H2S 濃度減小 ，平衡向著生成 H2S 氣體的方向移動 ，氫離子濃度降低 ，水樣 pH 升高。
從圖 5 還可看出 ，原水 pH 為 5 時載氣通量的增加會加快 pH 的升高速度 。 由于酸性條件下碳鋼的腐蝕速率會明顯加快 ，所以 pH 控制在 6.5 ~7.5 之間時最為合適 ，即通氣時間在 40~60 min 為宜 。
3.3 腐蝕速率的變化
考察了不同 pH 原水的腐蝕速率隨氣提時間的變化 ，見圖 6。
圖 6 原水的腐蝕速率隨時間的變化
由圖 6 可以看出 ，隨著氣提時間的增加 ，污水中的 H2S 不斷減少 ，腐蝕速率隨之下降，0~20 min 時腐蝕速率下降最快。 調(diào)節(jié) pH 后 ，腐蝕速率在一定時間內(nèi)可達到較低水平 ，當 pH 為 5 時 ，通氣 40~50 min 即可將腐蝕速率降到 0.02 mm/a。 但原水 pH <5 時 ，會由于水樣酸性太強而導致腐蝕速率升高。 綜合考慮，原水 pH 最低可以調(diào)至 5。
圖 7 為 pH 為 5 的原水在不同載氣通量下的腐蝕速率隨氣提時間的變化。 可以看出腐蝕速率都得到降低 ，在載氣通量為 0.4 m3/h 時效果最佳。 由于 0.3 m3/h 的載氣通量下也可以達到預期的效果 ，從成本方面考慮，選擇 0.3 m3/h 的載氣通量較為合適。
圖 7 不同載氣通量下腐蝕速率與時間的關(guān)系具體參見http://m.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1)為完全去除 H2S，將氣提裝置進口水樣的pH 調(diào)節(jié)到 5，氣提時間為 40~50 min，載氣通量為0.3 m3/h ( 即 氣 水 比 為 6 ∶1 )。 在 此 條 件 下 既 可 將 H2S 完全去除，又可使污水 pH 保持在 7.0~7.5，降低了碳鋼腐蝕程度。
(2)上述操作條件下腐蝕速率可下降到 0.020 mm/a，有效控制了油田污水對碳鋼的腐蝕。
(3)為降低成本，可在后續(xù)工藝中加入氮氣回收裝置，將氮氣循環(huán)利用 。
實驗表明采用氣提法去除油田 污水中的 H2S 氣體效果良好。 如推廣到工業(yè)應用 ，則可延長油井管柱的使用壽命，減少修井次數(shù)，節(jié)約大量修井作業(yè)費用 ，同時穩(wěn)定水質(zhì) ，促進原油的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn) 。
