芬顿耦合接地电极均匀雾化介质阻挡放电装置在石油开采废水处理中的应用研究

《Desalination and Water Treatment》：Study of Fenton coupled grounding electrode uniform atomization dielectric barrier discharge device for oil recovery wastewater treatment

本研究针对石油开采废水成分复杂、难降解有机物含量高的问题，开发了一种螺旋线孔电极结构的接地电极均匀雾化介质阻挡放电（DBD）反应器。研究人员通过优化放电参数（液体流速35 mL/min，双极间隙25 mm，放电电压22 kV），并耦合芬顿（Fenton）试剂，显著提高了废水处理效率。实验结果表明，该装置在处理含油废水时，COD去除率达到86%，BOD5/COD比值提升至0.72，浊度去除率为75.3%，有效改善了废水的可生化性。该研究为高效、低能耗处理复杂工业废水提供了新的技术方案，对推动等离子体技术与高级氧化工艺的耦合应用具有重要意义。

　　

随着全球能源需求的持续增长，石油开采活动日益频繁，而由此产生的油田采出水已成为严峻的环境挑战。这类废水成分复杂，含有大量难降解有机物质，若直接排放将对生态系统造成严重破坏。因此，开发高效、经济效益好的油田采出水处理技术至关重要。

传统介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）技术虽能高效产生多种活性物种（如·OH、O₃、H₂O₂），但其放电区域集中、均匀性差，导致活性粒子时空分布不均；同时，反应器内流体分布性能不理想，污染物与活性物质接触效率低，制约了整体处理效率。为解决这些问题，吉林建筑大学的赵子杰、周逸帆等研究人员在《Desalination and Water Treatment》上发表论文，报道了一种新型接地电极均匀雾化DBD反应器，并探究了其耦合芬顿（Fenton）试剂处理石油开采废水的效果。

为开展研究，研究人员首先设计了核心创新部件——螺旋线孔电极，该电极由空心铝管、聚酯纤维棉和精密缠绕的金属丝（304不锈钢丝，直径0.2 mm）组成。通过优化液体流速（25-45 mL/min）和双极间隙（20-30 mm）等放电参数，确定了最佳操作条件。研究还设置了三种处理情景进行对比：添加芬顿试剂（FeSO₄·7H₂O和H₂O₂）、仅添加Fe²⁺以及不添加芬顿试剂。废水样本来自辽河油田，每六天取样一次，共获取六份水样，测定了其浊度、pH、BOD₅（五日生化需氧量）和COD（化学需氧量）等指标。关键实验技术包括放电特性研究（通过伏安特性曲线分析）和废水水质指标测量（采用密封催化消解法测COD，微生物传感器快速测定法测BOD₅，以及pH计和浊度计的直接测量）。

3.1. 反应机理

研究阐述了DBD过程中的反应机理：放电期间，气体分子受电场激发，形成一系列带电粒子、中性粒子和活性离子，包括高能电子、羟基自由基（·OH）、氧自由基（·O）、负氧离子（O₂^-）、过氧自由基（·HO₂）和臭氧（O₃）。其中·OH和·O具有强氧化性，可氧化分解污染物。

3.2. 螺旋线孔电极和线电极对放电特性的影响

通过对比螺旋线孔电极和传统线电极的伏安特性，发现螺旋线孔电极的击穿电压（22 kV）显著高于线电极（18 kV），且放电电流更大（在22 kV时达132 μA）。这得益于其结构增大了电极表面有效曲率半径，分散了电场强度，并通过均匀液膜形成多重介质阻挡。

3.3. 流体流量对放电特性的影响

考察了不同液体流速（25, 35, 45 mL/min）对放电电流的影响。结果表明，流速为35 mL/min时，放电电流最大（132 μA）。流速过小无法形成连续液膜，过大则液膜表面张力大，不利于泰勒锥形成，导致放电电流减小。

3.4. 双极间隙对放电特性的影响

研究了不同双极间隙（20, 25, 30 mm）下的放电特性。间隙为25 mm时放电电流最大（132 μA）。间隙过小液滴易聚集形成液桥，雾化面积小；间隙过大则电场减弱，电流减小。

3.5. 最佳条件下的放电特性

综合以上研究，确定最佳参数为：螺旋线孔电极、液体流速35 mL/min、双极间隙25 mm、放电电压22 kV。在此条件下，最大放电电流为132 μA。

4.1. 芬顿耦合接地电极均匀雾化介质阻挡放电处理石油开采废水

在最佳放电参数下，对比了三种处理情景（添加芬顿试剂、仅加Fe²⁺、不加芬顿试剂）对废水各项指标的影响。

4.1.1. 放电时间对石油开采废水浊度的影响

三组废水的浊度均先升后降。添加芬顿试剂组在75分钟时浊度最高（998 NTU），300分钟时降至247 NTU，去除率达75.3%，优于其他两组（约57%）。这表明芬顿试剂耦合DBD能更有效地降解有机物颗粒。

4.1.2. 放电时间对石油开采废水pH的影响

仅加Fe²⁺组和不加试剂组的pH逐渐升高后稳定在弱碱性环境。而芬顿试剂组的pH先升后降，最终稳定在约3.2。这归因于芬顿反应中Fe³⁺水解产生H⁺（Fe(H₂O)₆³⁺ ? Fe(H₂O)₅OH²⁺ + H⁺），使其维持在芬顿反应高效进行的酸性范围。

4.1.3. 放电时间对石油开采废水COD的影响

随着处理时间增加，COD值逐渐降低。300分钟时，芬顿试剂组COD降至235 mg/L（去除率86%），显著优于其他两组（约346 mg/L）。这表明芬顿试剂耦合DBD产生了更多·OH，氧化降解有机物效果更佳。

4.1.4. 放电时间对石油开采废水BOD₅的影响

三组BOD₅值均先降后升。初期（0-75分钟）易降解有机物被快速矿化，BOD₅下降；中后期（75-300分钟）难降解大分子有机物被分解为易降解小分子中间产物，导致BOD₅回升。芬顿试剂组此趋势更显著，说明其氧化转化能力更强。

4.1.5. 放电时间对石油开采废水BOD₅/COD的影响

BOD₅/COD比值先降后升。处理时间达200分钟后，各组比值均大于0.3，废水变为可生化处理。300分钟时，芬顿试剂组BOD₅/COD达0.72，高于其他两组（不加试剂组为0.63），表明其可生化性改善最为明显。

本研究系统探讨了DBD技术在油田采出水处理中的应用机制。自主研发的接地电极均匀雾化DBD装置，通过采用螺旋线孔电极结构，显著改善了放电均匀性和液膜分布性能。优化后的操作参数（液体流速35 mL/min、双极间隙25 mm、放电电压22 kV）在液膜厚度和电场力之间取得了良好平衡，最大化泰勒锥效应，提高了·OH等活性物种的生成效率。通过与芬顿试剂的耦合，构建了“等离子体-电-芬顿”协同氧化体系，在处理高浓度石油开采废水方面展现出显著优势：COD去除率达86%，BOD₅/COD比值提升至0.72，浊度去除率75.3%。这不仅验证了该反应器结构结合优化参数在提升放电性能和废水处理效率方面的有效性，也为低温等离子体与其他高级氧化技术耦合处理复杂工业废水提供了可靠的技术路径和理论依据，对推动低能耗、高效废水处理技术的发展具有重要意义。