粒狀濾料反沖洗周期和納污量關(guān)系研究

李福章，夏劍軍

(大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163853)

0 引言

我廠含油污水深度處理站常用的過濾罐主要有核桃殼過濾罐、磁鐵礦和石英砂雙層濾料濾罐，由于油田各水質(zhì)站的過濾罐反沖洗周期主要是按照設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值確定，一般按24 h為周期進(jìn)行反沖洗。這樣雖然方便于生產(chǎn)管理，但也會因反沖洗周期不適宜而導(dǎo)致以下問題:一是反沖洗不及時(shí)，隨著過濾罐過濾進(jìn)行，濾層中的水流剪力逐漸增大，如果不及時(shí)反沖洗會造成水流阻力增大，系統(tǒng)憋壓或者當(dāng)水流剪切力大于附著力時(shí)，懸浮顆粒穿透濾層，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差;二是反沖洗周期過短，由于反沖洗的頻繁，影響了水質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，也會增加系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)增加系統(tǒng)能耗，造成水資源的不必要浪費(fèi)。

濾床的過濾原理是利用濾料堆積形成的孔隙的截留作用和沉降作用，以及濾料本身的吸附作用來實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的去除。對于不同濾料形成的濾床層，其截留污染物能力不同，其去除雜質(zhì)的能力與過濾速度、濾床厚度等因素相關(guān)。反沖洗周期的優(yōu)化研究就是針對影響反沖洗周期的濾床納污量、過濾速度等因素，結(jié)合理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推導(dǎo)、簡化，并輔以現(xiàn)場試驗(yàn)錄取的數(shù)據(jù)，確定與之相關(guān)的變量參數(shù)，來完成合理的反沖洗周期的求證，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)反沖洗周期精確調(diào)整的目的。

1 反沖洗周期的理論推導(dǎo)

濾層反沖洗后，可近似認(rèn)為濾層是潔凈的，在濾層中由孔隙構(gòu)成的水流通道縱橫交錯(cuò)，過水?dāng)嗝娴男螤詈痛笮『懿灰?guī)則，在理論上直接計(jì)算水頭損失較困難。卡門—柯真尼采用數(shù)學(xué)模擬法，將孔隙通道看作無數(shù)的毛細(xì)管的集合，用毛細(xì)管模型來描述過濾，考慮到濾層組成(非均勻?yàn)V料)對過濾的影響，粒徑由上而下可分成若干層(每層很薄且粒徑相同)，則各層水頭損失之和即為整個(gè)濾層水頭損失之和，有如下公式:

過濾到一定階段，由于懸浮物沉積在濾料表面，引起濾層孔隙率下降，濾料顆粒形狀系數(shù)的變化和水流在濾料中流態(tài)的變化。這些變化難以定量計(jì)算，且這種變化在濾層中又無規(guī)律可循，難以數(shù)學(xué)描述，對此艾夫斯 (Ives)將堵塞濾層水頭損失分解成清潔濾層水頭損失和上述原因引起的附加水頭損失之和，得到以下 (Ives’law)經(jīng)驗(yàn)公式:

對上式進(jìn)行處理則有:

受比表面積和孔隙度大小的影響，粒狀濾料濾池有一個(gè)去除雜質(zhì)的極限能力。這個(gè)極限能力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算如下:1 m3濾料約含有450 L的孔隙，為了讓水流能繼續(xù)通過濾層，可供貯存懸浮固體的孔隙平均值只有100 L～150 L，即25～35%的孔隙絕對值。所以又 R≈0.25 －0.35 R0。

實(shí)驗(yàn)資料也驗(yàn)證k取值范圍在0.2～0.3之間，所以有kR0≈R，于是可推導(dǎo)出反沖洗周期關(guān)系式:

為推導(dǎo)出可指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用的反沖洗周期，應(yīng)以現(xiàn)場試驗(yàn)為基礎(chǔ)，確定出不同濾速下最大壓差和最大納污量。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)納污量的計(jì)算

試驗(yàn)過程中控制流體的雷諾數(shù)，使過濾器具有與現(xiàn)場相同的流態(tài)條件，模擬裝置相關(guān)物理參數(shù)如下:

表1 過濾器物理參數(shù)表

1)核桃殼濾料計(jì)算

研究了 6 m/h、8 m/h、10 m/h、12 m/h、15 m/h、20 m/h和30 m/h速率下核桃殼過濾模擬裝置進(jìn)水和出水水質(zhì)變化以及過濾周期內(nèi)壓力變化，過濾時(shí)間、水質(zhì)和壓頭損失運(yùn)行情況詳見表2至表9。通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，核桃殼過濾罐出水水質(zhì)隨著壓差的升高逐漸變差，我們以過濾罐出水水質(zhì)為依據(jù)，確定了不同濾速狀態(tài)下的核桃殼過濾罐的最大控制壓差。

表1 濾速10 m/h核桃殼模擬裝置運(yùn)行效果表

表3 濾速12 m/h核桃殼模擬裝置運(yùn)行效果表

表4 濾速15 m/h核桃殼模擬裝置運(yùn)行效果表

表5 濾速20 m/h核桃殼模擬裝置運(yùn)行效果表

將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出在過濾周期內(nèi)截留的污染物量，除以濾料體積既得出單位體積濾料在不同濾速下容納污染物的能力，詳細(xì)結(jié)果見表10。

表6 核桃殼濾料納污量計(jì)算結(jié)果表

從上表可見，對于核桃殼在12 m/h對于懸浮固體和油有著最大的容納能力，濾速再升高其納污量呈顯著下降趨勢。

根據(jù)實(shí)際情況，建議核桃殼濾料最佳過濾速度在12～15 m/h。

2)石英砂、磁鐵礦雙層濾料計(jì)算

研究了 4 m/h、6 m/h、8 m/h、10 m/h、12 m/h、15 m/h和20 m/h不同速率下石英砂、磁鐵礦雙濾料過濾模擬裝置的進(jìn)水和出水水質(zhì)變化以及過濾周期內(nèi)壓力的變化，過濾時(shí)間、水質(zhì)和壓頭損失運(yùn)行情況詳細(xì)見表11至表16。通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，雙層濾料過濾罐出水水質(zhì)隨著壓差的升高逐漸變差，以過濾罐出水水質(zhì)為依據(jù)，確定了不同濾速狀態(tài)下的雙層濾料過濾罐的最大控制壓差。

表7 濾速8m/h雙層濾料模擬裝置運(yùn)行效果表

表8 濾速1 0m/h雙層濾料模擬裝置運(yùn)行效果表

表9 濾速12 m/h雙層濾料模擬裝置運(yùn)行效果表

將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出在過濾周期內(nèi)截留的污染物量，除以濾料體積既得出單位體積濾料在不同濾速下容納污染物的能力，詳細(xì)結(jié)果見表17。

表10 雙濾料納污量計(jì)算結(jié)果表

從上表可見，對于雙濾料在4 m/h對于懸浮 固體和油有著最大的容納能力，濾速高其納污量顯著下降，主要是濾速高，污染物質(zhì)在濾床中移動速度快，穿透速度快，濾料截留能力減弱。

根據(jù)實(shí)際情況，建議雙濾料濾料最佳過濾速度在8～10 m/h。

3 納污量與濾速關(guān)系式的擬合

1)核桃殼過濾器

通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定濾床的納污量數(shù)據(jù)與對應(yīng)的濾速作出曲線，用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，選出精度數(shù)值R2最大值0.997作出曲線，如圖1所示，符合指數(shù)線性規(guī)律，可得出納污量與濾速的關(guān)系式R(V)。

圖1 核桃殼納污量與濾速曲線擬合圖

2)雙層濾料過濾器

通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定濾床的納污量數(shù)據(jù)與對應(yīng)的濾速作出曲線，用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，選出精度數(shù)值R2最大值0.9863作出曲線，如圖2所示，符合指數(shù)線性規(guī)律，可得出納污量與濾速的關(guān)系式R(V)。

4 自控系統(tǒng)監(jiān)測要素的確定

圖2 雙層濾料納污量與濾速曲線擬合圖

對于油田污水，由于含油污水的雜質(zhì)含量和油含量較高，出水水質(zhì)比較復(fù)雜，在線監(jiān)測設(shè)備難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)自動反沖洗，必須篩選出合適的監(jiān)測指標(biāo)以便于監(jiān)控。我們通過反沖洗周期與納污量的關(guān)系研究，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，編入系統(tǒng)軟件用戶程序，完成反沖洗周期計(jì)算，自控系統(tǒng)按反沖洗周期的計(jì)算值執(zhí)行反沖洗。過濾罐出水水質(zhì)變差說明濾床截留的雜質(zhì)已經(jīng)穿透濾床，因此，通過現(xiàn)場試驗(yàn)效果的分析，我們引用最大控制壓差作為實(shí)現(xiàn)反沖洗周期精確調(diào)整的補(bǔ)充條件，控制模式如下:當(dāng)濾罐水頭損失達(dá)到最大允許的運(yùn)行差壓，如果此時(shí)距離反沖洗執(zhí)行時(shí)間差值超過2小時(shí)，則立即執(zhí)行反沖洗;如果差值在2小時(shí)范圍內(nèi)，則仍按設(shè)定反沖洗周期值執(zhí)行。

5 結(jié)論與認(rèn)識

一是通過現(xiàn)場試驗(yàn)，摸索出核桃殼過濾罐運(yùn)行最高控制壓差為0.05 MPa －0.06 MPa，雙層濾料濾罐運(yùn)行最高控制壓差為0.07 MPa－0.08 MPa。

二是核桃殼濾罐濾速在6 m/h－30 m/h范圍內(nèi)，在12 m/h對于懸浮固體和油有著最大的容納能力，最佳過濾速度在12－15 m/h時(shí)，濾罐有較大的納污能力。

三是雙層濾料濾罐濾速在4 m/h－20 m/h范圍內(nèi)，隨著濾速的提高其納污量呈下降趨勢，最佳過濾速度在8－10 m/h時(shí)，濾罐有較大的納污能力。

四是通過推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型計(jì)算出反沖洗周期，并引用過濾罐最高控制壓差作為補(bǔ)充條件，以實(shí)現(xiàn)過濾罐反沖洗周期的精確調(diào)整。

［1］景有海，金同軌，范瑾初.均質(zhì)濾料過濾過程的水頭損失計(jì)算模型［J］.中國給水排水，2000:9－12.

［2］許保玖.給水處理理論［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］Helmut Kobus.水力模擬［M］.清華大學(xué)水力和泥砂研究室譯.北京:清華大學(xué)出版社，1988.