軸向動態反沖洗法過濾二元污水試驗

于忠臣　牛源麟　董喜貴　劉書孟　趙百軍　孫冰　劉曉燕　孫聰

1東北石油大學　2大慶油田采油二廠

軸向動態反沖洗法過濾二元污水試驗

于忠臣1牛源麟1董喜貴2劉書孟2趙百軍2孫冰2劉曉燕1孫聰1

1東北石油大學2大慶油田采油二廠

針對現有水力輔助機械攪拌反沖洗方式存在濾料再生不徹底和濾料污染等問題，提出一種新型軸向動態反沖洗濾料反洗再生技術，并針對二元污水進行現場試驗。探討濾床結構對污染物去除效果和濾床阻力特性影響，考察反沖洗強度和反沖洗時間對濾料再生效能影響規律。結果表明，該技術對二元污水具有較好的適應性，過濾速度為8m/h時，油和懸浮物平均去除率分別為83.86%和58.78%，濾床阻力為0.20MPa，雙濾層具有較好的懸浮物去除效能；反沖洗強度為8.8L/s.m2、反洗歷時15min時，截留油排除率95.96%，濾料再生良好，含油去除率為98.8%。

含聚污水；過濾；軸向動態反沖洗；濾床阻力；反沖洗強度

隨著二元開發技術在遼河油田的推廣應用，采出液中聚合物和表面活性劑濃度也迅速增加，對現有深床過濾工藝帶來較大影響，聚合物包裹濾料表面、濾料局部板結、濾料再生效果差和濾料流失等問題突出，使油田回注水水質嚴重超標[1]，給油田生產帶來巨大影響[2-3]。針對傳統濾料反沖洗再生方法存在的問題[4]，研究將旋流場和重力場融合形成復合場，建立了基于復合場動態反沖洗濾料原位再生技術[5]，以有效解決二元驅污水濾料反沖洗再生效果差的問題，并探討軸向動態反沖洗技術對二元污水過濾和濾料反沖洗再生影響規律。

1　試驗材料和方法

1.1試驗材料

試驗在遼河油田某污水站進行，其水質情況如表1所示。試驗裝置由過濾器（?0.4m×2.6m）、水箱（1.8m3）、潛水泵、流量計和反沖洗控制系統等組成。濾床高度為1.2m，核桃殼濾料粒徑0.8～1.2mm，工藝流程如圖1所示。

表1　污水水質

圖1　試驗工藝流程

1.2技術原理及過程

軸向動態反沖洗技術核心是將旋流分離技術應用于濾料反沖洗過程，通過軸向渦輪使反沖洗-濾料混合液做螺旋旋轉運動，其運動模式及工作原理如圖2所示，過濾器結構如圖3所示。

圖2　軸向動態反沖洗技術顆粒運動和碰撞原理

濾料顆粒做螺旋式跟隨運動，顆粒間產生旋切向碰撞力，離心分離作用使顆粒間產生徑向碰撞力，濾料顆粒相互碰撞強化了濾料搓洗作用；同時水流與顆粒濾料間的速度梯度產生水力剪切作用。在搓洗和水流剪切力的共同作用下，核桃殼表面包裹物剝離并獲得有效清洗。在離心力作用下包裹物和濾料顆粒分離，密度小的包裹物和油類污染物沿內側運動隨水流排除，密度大的濾料沿外側運動形成內循環流動，實現污物與濾料顆粒的分離和漂洗。

圖3　軸向反沖洗過濾器結構

1.3分析方法

1.3.1懸浮物含量和含油量測定

水樣懸浮物含量采用質量法測定（Q/SY DQ1281—2009），水樣含油量采用石油醚萃取分光光度法測定（SY/T0530—2011）。

1.3.2核桃殼濾料油量測定

（1）濾料石油醚萃取。將核桃殼濾料裝入250mL磨口錐形瓶內，加入石油醚、100mL蒸餾水和體積比1∶1鹽酸5～10mL，輕輕搖動錐形瓶使氣體反應完全，然后將錐形瓶蓋緊放置于振蕩器內振蕩30～60min，直至萃取完全。

（2）萃取液含油量測定。利用石油醚萃取分光光度法 （SY/T0530—2011）測定萃取液吸光度（A）并記錄。

（3）核桃殼烘干稱重。將萃取完全的核桃殼濾料，放置于105±1℃鼓風干燥箱中干燥2h至恒重，利用天平稱量其質量（m）并記錄。

（4）每克核桃殼濾料含油量 ξ。每克核桃殼濾料含油量由公式計算，其中， A為被測萃取液吸光度；v為石油醚體積（mL）；n為稀釋倍數；k為吸光系數；x為核桃殼濾料干重（g）。

2　二元污水過濾試驗結果及分析

2.1過濾速度和過濾精度關系

過濾速度為單位時間通過單位過濾面積的濾液體積[6]，與污水懸浮物含量及分布、污水黏度、濾料級配等因素有關。考察了不同濾速單層濾床的過濾精度，結果見表2。

表2　不同過濾速度濾床過濾精度

從表2可以看出，隨著過濾速度增大懸浮物過濾精度降低，過濾速度8m/h時油和懸浮物去除率分別為85.5%和58.8%，這是因為過濾速度高時水流剪切力大，污物穿透作用增強，過濾效能降低。

2.2濾床結構對過濾效能影響

在過濾速度為8.0m/h時，考察核桃殼單濾層和核桃殼/均質石英砂雙濾層的過濾作用，并與現場兩級過濾工藝進行對比，進而評價軸向動態反沖洗法中試裝置的過濾效能，研究利用進出水污染物去除率來表征過濾效能。

2.2.1核桃殼單濾層過濾效能

試驗核桃殼濾層高度為1.2m，過濾對比結果如圖4和圖5所示。

圖4　核桃殼單濾層油去除效能對比

圖5　核桃殼單濾層懸浮物去除效能對比

從圖4、圖5可以看出，試驗周期內進水含油量和懸浮物量平均值為12.02和79.32mg/L，其出水含油量和懸浮物含量平均值為1.91和32.77mg/L，油和懸浮物平均去除率為83.86%和58.78%。現場兩級過濾工藝出水含油量和懸浮物含量平均為4.01 和51.99mg/L，油和懸浮物平均去除率為65.96%和34.48%，較試驗裝置低17.9%和24.3%。這主要是軸向動態反沖洗技術濾料間有效碰撞和摩擦作用使濾料再生徹底，濾料顆粒粘附、篩分和深床過濾作用發揮充分，使過濾效率提高[7-9]。

2.2.2核桃殼/均質石英砂雙濾層過濾效能

試驗核桃殼濾層0.8m、均質石英砂濾層0.4m。從雙濾層油去除效能對比和雙濾層懸浮物去除效能對比可以看出，試驗周期內含油量和懸浮物含量進水平均值為10.04和 110.74mg/L，出水平均值為2.63和37.63mg/L，去除率為71.12%和65.71%。而現有兩級過濾工藝出水含油量和懸浮物含量平均值為3.78和70.42mg/L，油和懸浮物平均去除率為58.33%和36.2%，較試驗裝置低12.79%和29.5%。同時采用核桃殼/均質石英砂雙濾層較單核桃殼濾層懸浮物去除率提高6.93%，雙濾層顯示出較好的懸浮物去除效能。

2.2.3濾料過濾阻力損失特性

試驗考察過濾速度為8m/h時，雙濾床濾層阻力損失特性。從雙濾層阻力損失關系曲線可以看出，雙濾層阻力呈現出過濾前期增加緩慢、后期增加較快的變化趨勢。其初始過濾阻力損失為0.02MPa，運行10.0～12.0h時濾層阻力存在拐點，其后濾層阻力升高較快，過濾18.0h濾層阻力損失為0.20MPa。

2.3濾料反沖洗特性

2.3.1反沖洗強度的確定

通過改變反沖洗水量進而獲得不同反沖洗強度，并根據不同反沖洗強度下反沖洗廢水瞬時油濃度變化及截留油排除效率確定反沖洗強度[10]。截留油排除效率是在反沖洗歷時15min時排除截留油量與總截留油量之比的百分數[11]。試驗考察不同反沖洗強度和反沖洗歷時的反沖洗廢水瞬時油濃度的變化規律，其結果如圖6所示。

由圖6可看出，不同反沖洗強度，反沖洗廢水瞬時油濃度隨反沖洗時間具有相同變化趨勢，起初急劇增加至最大值，然后呈指數趨勢下降并逐漸達到穩定狀態。在反沖洗歷時15min時，隨著反沖洗強度增加，截留油排除效率增加并達到穩定狀態。相對而言，較大反沖洗強度，反沖洗歷時15min后反沖洗廢水瞬時油濃度低，截留油排除能力增強。

圖6　反沖洗廢水瞬時油濃度和反沖洗時間關系曲線

反沖洗強度為8.8L/（s·m2）時，截留油排除率為95.96%；當反沖洗強度大于8.8L/（s·m2）時，截留油排除率為96.12%～96.23%，提高幅度有限。說明反沖洗強度為8.8L/（s·m2）時，核桃殼濾料已經獲得良好的反沖洗效果。

2.3.2濾料反洗再生效果

通過試驗測定反沖洗前后濾床表層核桃殼濾料含油量，進而考察濾料反洗再生效果，結果見表3。

表3　核桃殼清洗效果

從表3可以看出，反沖洗前后核桃殼含油量變化明顯，含油去除率高達98.8%以上。這主要是軸向動態反沖洗技術的高效搓洗作用對吸附于核桃殼表面的油類進行洗脫分離，使核桃殼含油量大大降低，并有效恢復了核桃殼濾料的優良過濾性能。

3　結論

（1）軸向動態反沖洗技術對二元污水具有較好的適應性。過濾速度8m/h時，油和懸浮物平均去除率為83.86%和58.78%，過濾周期18～24h時濾床阻力為0.2MPa。

（2）核桃殼/均質石英砂雙濾層和核桃殼單濾層油去除效能基本相當，雙濾層去除懸浮物能力強，較單濾層懸浮物去除率提高6.93%。

（3）當反沖洗強度為8.8L/（s·m2）和反沖洗時間為15min時，截留油排除率為95.96%，核桃殼含油量去除率98.8%以上，核桃殼濾料獲得有效反沖洗再生。

[1]于洪敏，左景欒，任韶然．油田采油污水回注處理技術及工藝探討[J]．腐蝕與防護，2008，29（12）：776-779.

[2]荊國林，于水利，韓強．聚合物驅采油污水處理技術研究進展[J]．工業用水與廢水，2004，35（2）：16-18.

[3]任廣萌，孫德智，王美玲，等．我國三次采油污水處理技術研究進展[J]．工業水處理，2006，26（1）：1-4.

[4]李圭白．深層濾床的高效反沖洗問題[J]．中國給水排水，1985，5（2）：1-8.

[5]王松，于忠臣，吳浩，等．過濾器的反沖洗方法及裝置：中國，201010518344.3[P]．2012-05-30.

[6]蔣維鈞，雷良恒，劉茂林，等．化工原理[M]．3版．北京：清華大學出版社，2010.

[7]ZamaniA，MainiB．Flowofdispersedparticlesthroughporousmedia -deepbedfiltration[J]．JournalofPetroleumScienceandEngineeing，2009，69（1/2）：71-88.

[8]ShapiroAA，BedrikovetskyPG．Astochastictheoryfordeepbed filtrationaccountingfordispersionandsizedistribution[J]．Physica，2010，389（13）：2473-2494.

[9]SrinivasanA，ViraraghavanT．Removalofoilbywalnutshellmedia[J]．BioresourTechnology，2008，99（17）： 8217-8220.

[10]劉俊新，李圭白．濾池氣水反沖洗時排水濁度變化的數學模式[J]．哈爾濱建筑工程學院學報，1989，22（4）：60-67.

[11]于忠臣，王松，呂炳南．壓力過濾器理論反沖洗時間的確定[J]．哈爾濱工業大學學報，2006，38（8）：1267-1269.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.006

基金論文：黑龍江省科技廳應用技術研究與開發計劃項目（Gc13c305）、黑龍江省自然科學基金項目、黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541062）、黑龍江省高校科技成果產業化前期研發培育項目（1254CGZH12）、東北石油大學培育基金項目（XN2014108）、中石油和化學工業聯合會科技指導計劃項目（2014-01-07）和大慶油田公司現場科學試驗項目資助。

2015-03-25