復合場動態反沖洗技術在聚驅采出水雙濾床過濾工藝試驗與應用

劉書孟 董喜貴 于忠臣 孫冰 苗寶林

1大慶油田有限責任公司第二采油廠

2東北石油大學

隨著油田開發向精細化方向發展，對深度處理污水需求量逐步增加，有效提高污水過濾效率是水處理達標的關鍵環節。油田過濾工藝濾料主要有核桃殼、石英砂和磁鐵礦單層濾料，以及石英砂和磁鐵礦雙層濾料。目前，油田主要采用核桃殼和石英砂濾料分步過濾工藝，基本形成利用核桃殼濾料除油、石英砂或磁鐵礦濾料去除懸浮物的工藝格局。目前，大慶油田采出水中已普遍見到聚合物，水質特性發生改變，污水黏度增大，聚合物在濾罐內長期累積。現有過濾工藝濾料反洗再生效果差，濾料局部板結、濾料流失問題嚴重，導致處理水質變差。近年來，通過對過濾系統進行工藝改造，雖然改善了處理水質，但也存在工藝復雜、建設投資和運行成本高等問題，因此，試驗應用聚驅采出水過濾新技術，提高處理效率，控投資、降成本，已成為油田聚驅采出水處理面臨的重要課題。

由于核桃殼和石英砂濾料密度相差較大，以及核桃殼濾料的親油特性，現有濾料再生方式難以實現核桃殼和石英砂濾料的復合。為有效發揮核桃殼和石英砂濾料復合作用，實現雙濾料的批次耦合過濾效能，提出核桃殼和石英砂復合濾層思想，并通過前期試驗研究，設計出復合場動態反沖洗雙濾床過濾工藝，在大慶油田某聚驅采出水處理站進行了試驗應用，取得較好技術效果，為油田聚驅采出水處理工藝優化簡化和水質改善提供了借鑒[1-9]。

1 復合場動態反沖洗技術原理

所謂復合場反沖洗技術是指反沖洗過程中受到兩個或多個物理場的相互作用，通過復合場作用強化濾料的水力反沖洗過程的行為。復合場動態反沖洗技術構建基于旋流場和重力場耦合的旋流復合場反沖洗體系，提出了一種軸向動態反沖洗濾料再生新方法[10-13]，豐富和發展了濾料的水力反沖洗方法，并為解決油田高含聚濾料反洗再生提供了一種新途徑。

復合場動態反沖洗技術將旋流場加載于濾床重力場的水力反沖洗過程，利用旋流場和重力場耦合的復合場，在復合場中通過旋流場強化重力場中顆粒間剪切碰撞和摩擦作用，并通過旋流場離心作用實現濾料顆粒和反沖洗廢水的有效分離。反沖洗過程中混合液作螺旋型旋轉運動，其運動模式及工作原理如圖1 所示。

由圖1 可見，在旋切方向上，濾料顆粒作跟隨運動并不斷碰撞，產生旋切向碰撞力FD；在徑向上，由于場分離作用顆粒不斷碰撞，產生徑向碰撞力FP。在螺旋型旋轉流作用下，濾料顆粒間的碰撞強化了濾料搓洗作用，同時水流與顆粒濾料間存在的速度梯度強化了水力剪切力作用。在搓洗和水流剪切力的共同作用下，濾料表面的包裹物得以剝離，濾料得到有效清洗。與此同時，剝離的包裹物與濾料間存在密度差，其場分離作用使密度輕的油類污染物隨水流排除，濾料形成內循環流動，使反沖洗廢物與濾料顆粒有效分離。

圖1 復合場反沖洗過程顆粒運動和碰撞原理圖Fig.1 Diagram of particle motion and collision principle in compound field backwashing process

復合場動態反沖洗技術與目前油田常用過濾反沖洗技術相比，具有以下特點：①通過優化濾料物化參數和濾層結構參數，形成核桃殼與石英砂雙濾床結構，充分發揮核桃殼濾料濾速高和石英砂濾料過濾精度高的優勢，顯著提高過濾效能；②利用旋流場和重力場協同作用，形成復合場軸向動態反沖洗模式，實現了高密度差雙濾料濾床的有效反洗；③通過旋流場強化重力場中顆粒間剪切碰撞和摩擦作用，改善濾料再生效果，有效解決了濾料板結問題。

2 工業化試驗概況

現場試驗在大慶油田某聚驅污水站進行（圖2）。該站原采用“兩級沉降+三級過濾”污水處理工藝，其中一級過濾采用核桃殼過濾罐，二級過濾采用石英砂過濾罐，三級過濾采用雙濾料過濾罐。利舊站內二級石英砂過濾罐體，利用復合場動態反沖洗技術對其進行升級改造，其中，在一級核桃殼過濾罐處設置了超越管線，開展不同過濾工藝組合工業化規模試驗，工藝路線如圖3 所示。試驗期間污水含聚質量濃度為270～310 mg/L，自2016 年12月投產運行至今，處理水質穩定達標，濾料反沖洗效果顯著改善，技術經濟指標達到預期目標。

圖2 復合場動態反沖洗雙濾床過濾罐現場Fig.2 Site of the filtering tanks in the double filteration bed for compound field dynamic backwashing

圖3 改造后某聚驅污水站工藝流程Fig.3 The flow chart of wastewater treatment after technical upgrades

3 試驗結果分析

3.1 復合場動態反沖洗技術的過濾效能

3.1.1 作為第二級時的過濾效能

試驗運行工藝流程如圖4 所示，對復合場動態反沖洗過濾罐出水取樣，評價其作為第二級濾罐的過濾效能。

復合場動態反沖洗雙濾床過濾罐對油和懸浮物去除效能結果如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出，進水平均含油質量濃度為81.9 mg/L，復合場動態反沖洗雙濾床過濾出水平均含油質量濃度為8.6 mg/L，其平均油去除率為89.3%。進水平均懸浮物質量濃度為為70.2 mg/L，出水平均懸浮物質量濃度為為9.2 mg/L，平均懸浮物去除率為86.9%。油和懸浮物質量濃度小于10 mg/L，油和懸浮物去除率為85%以上。試驗結果表明：當進水平均含油質量濃度在100 mg/L 以下時，復合場動態反沖洗雙濾床過濾出水油和懸浮物含量可以達到“雙10”指標。

圖4 第二級濾罐過濾效能評價試驗工藝流程Fig.4 Process flow of filteration performance evaluation test for secondary filtering tanks

圖5 雙濾床油過濾效能Fig.5 Filtration performance of double filtration bed for oil

圖6 雙濾床懸浮物過濾效能Fig.6 Filtration performance of double filtration bed for suspended solids

3.1.2 作為第一級時的過濾效能

試驗啟用核桃殼過濾罐超越流程，工藝流程如圖7 所示，對復合場動態反沖洗過濾罐出水取樣化驗，評價其作為第一級濾罐過濾效能。

圖7 第一級濾罐過濾效能評價試驗工藝流程Fig.7 Process flow of filtration performance evaluation test for primary filtering tanks

復合場動態反沖洗雙濾床過濾罐對油和懸浮物去除效能結果如圖8 和圖9 所示。從圖中可以看出，進水平均含油質量濃度為150.3 mg/L，復合場動態反沖洗雙濾床過濾出水平均含油質量濃度為15.8 mg/L，其平均油去除率為89.5%。進水平均懸浮物質量濃度為125.1 mg/L，出水平均懸浮物質量濃度為16.8 mg/L，平均懸浮物去除率為86.6%。油和懸浮物質量濃度小于20 mg/L，油和懸浮物去除率85%以上。試驗結果表明：在進水平均含油質量濃度不超過150 mg/L 的條件下，復合場動態反沖洗雙濾床過濾出水油和懸浮物含量可以達到“雙20”指標；一級復合場動態反沖洗雙濾床過濾工藝可以替代“一級核桃殼、二級石英砂”兩級過濾工藝。

圖8 作為首級時雙濾床油過濾效能Fig.8 Filtration performance of double filtration bed for oil as the first stage

圖9 作為首級時雙濾床懸浮物過濾效能Fig.9 Filtration performance of double filtration bed for suspended solids as the first stage

3.2 濾料反沖洗再生效果

開展了復合場動態反沖洗雙濾床過濾罐濾料反沖洗效果評價試驗。反沖洗強度為9.0～10.5 L/(s·m2)，反沖洗時間為15 min，試驗結果見表1 和圖10。

表1 濾料反沖洗前后含油量對比Tab.1 Oil content comparison of filter material before and after backwashing

圖10 反沖洗前后核桃殼濾料對比Fig.10 Comparison of walnet shell filter material before and after backwashing

可以看出，反沖洗前后濾料表面截留油量變化明顯，運行2 個月和13 個月后經復合場動態反沖洗后濾料表面截留油去除率分別為99.10% 和96.65%，其總平均截留油去除率為96.89%。同時，納污濾床濾料顆粒表面清潔，獲得良好再生。

試驗期間，開罐檢查了罐內濾床狀況，如圖11 所示。可以發現，上層的核桃殼濾料與下層的石英砂濾料分層界面清晰，沒有出現濾料返混現象，說明高密度差的核桃殼濾料與石英砂濾料組成的雙濾料床工作狀態穩定。

圖11 反沖洗后濾料分層和表層濾料狀態Fig.11 Filter material layering and surface filter material status after backwashing

3.3 抗沖擊性評價

試驗期間，該污水站曾進行沉降罐改造和回收水池清淤，因此停運1 組沉降罐。試驗濾罐的過濾進水油和懸浮物量大幅度增加，極大地增加了過濾負荷。考查極端條件下，復合場動態反沖洗技術污染濾料的反沖洗效能，評價濾床極限納污容量。

3.3.1 過濾效能抗沖擊性

多批次連續監測高含油和懸浮物沖擊對復合場動態反沖洗過濾罐過濾效能的影響（圖12）。每次在濾罐反沖洗后過濾運行60 min 時取樣化驗。

由圖12 可以看出，過濾進水含油質量濃度最大值為2 330.3 mg/L，最小值為596.2 mg/L，平均值為1 236.7 mg/L。反沖洗后過濾運行60 min 時，2#罐過濾出水含油質量濃度最大值為160.3 mg/L，最小值為10.3 mg/L，平均值為36.8 mg/L；3#罐過濾出水含油質量濃度最大值為120.4 mg/L，最小值為19.3 mg/L，平均值為47.2 mg/L。2#和3#罐油平均去除率分別為96.8%和95.7%。

圖12 水質沖擊時復合場動態反沖洗濾床過濾效能Fig.12 Filtration performance of compound field dynamic backwashing filtration bed with water quality shock

3.3.2 反沖洗再生效能抗沖擊性

取2#和4#罐濾料，分析測定其反沖洗前后濾料含油量，考查水質沖擊極端條件下的濾料再生效能，并分析復合場動態反沖洗濾料磨損情況。結果見表2。

表2 水質沖擊時濾料反沖洗再生效能Tab.2 Backwashing and regeneration performance of filter material with water quality shock

在水質沖擊條件下，復合場動態反沖洗后濾床不同位置濾料再生程度相似，濾料表面油去除率平均為97.35%，獲得較好的反沖洗效果。說明復合場動態反沖洗濾床反沖洗效能具有較強的抗沖擊性。

通過測定2#和4#濾床高度可知，復合場動態反沖洗技術濾料磨損流失率較低，年磨損流失率為8%～10%。

4 技術經濟性評價

4.1 工程投資

復合場動態反沖洗技術實現了單一過濾單元不低于兩級過濾效果的目的，即復合場動態反沖洗雙濾料濾罐功能相當于“一級核桃殼濾罐+一級石英砂濾罐”串聯過濾模式。以新建設計規模為3×104m3/d 的常規污水站為例，設計采用兩級沉降兩級過濾工藝流程，需要建設常規一級二級過濾罐共計26 座，減少占地面積1 000 m2，實現設備購置投資降低30.9%，直接減少建設投資1 891 萬元，一次性建設投資降低19%（表3）。

表3 復合場動態反沖洗技術和傳統兩級過濾技術投資對比Tab.3 Investment comparison of compound field dynamic backwashing technology and traditional two-stage filtration technology

4.2 運行和維護成本

復合場動態反沖洗技術減少運行成本主要體現在可以減少站內反沖洗水量消耗。以該聚驅采出水處理站為例，站內共有核桃殼濾罐13 座，石英砂濾罐13 座，每天反沖洗消耗水量為2 834.0 m3；復合場動態反沖洗濾罐11 座，每天反沖洗消耗水量為1 243.0 m3。因此，較常規兩級過濾工藝相比，應用復合場動態反沖洗技術每天可減少反沖洗水量消耗1 591.0 m3，減少反沖洗水消耗量為56.1%，生產運行中每天可實際節電330 kWh，年節電12.05×104kWh，節約電費7.83 萬元/年，節約運行成本共計215.8 萬元/年（表4）。

表4 復合場動態反沖洗技術與傳統兩級過濾技術對比Tab.3 Technical comparison of compound field dynamic backwashing technology and traditional two-stage filtration technology

5 結束語

（1）復合場動態反沖洗雙濾床過濾工藝對聚驅采出水表現出較好處理效果，其處理能力和處理水質均優于油田常規過濾工藝。在來水含聚質量濃度為300 mg/L 的情況下：當來水含油質量濃度為100 mg/L 時，單級過濾出水油和懸浮物含量可達到“雙10”標準；當來水含油質量濃度為150 mg/L時，單級過濾出水油和懸浮物含量可達到“雙20”標準。

（2）復合場動態反沖洗技術對濾料再生效果好，反洗后濾料截留油平均去除率96.89%，可有效解決聚驅采出水過濾罐的濾料污染問題。

（3）復合場動態反沖洗雙濾床過濾技術抗沖擊性較強，進水含油質量濃度在596.2～2330.3 mg/L 范圍內波動大、沖擊強度高的情況下，過濾效能和濾料反沖洗再生效果穩定，過濾出水含油量平均值為36.8 mg/L，平均去除率為95.7%，能獲得較平穩的過濾出水水質。

（4）復合場動態反沖洗技術能夠替代現有的核桃殼+石英砂兩級過濾工藝，采用復合場動態反沖洗雙濾料過濾建設污水站，同等處理規模條件實現一次性建設投資降低19%，反沖洗成本降低57.0%。