無機炭膜在處理含油污水中的應用研究

閆旭濤，馬慶偉，劉亮，許硯城，朱瑞龍

(1.陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054；2.延長油田股份有限公司 定邊采油廠，陜西 定邊 718600)

油田開發過程中產生的大量污水經過處理后要回注地層[1]，常規的處理工藝為自然沉降+氣浮混凝+多介質過濾，能量消耗大，水的回用率低，且存在水的二次污染等問題。隨著膜技術的發展，國內外都開展了利用膜分離技術處理含油污水的研究[2]。膜分離技術具有流程簡單、操作方便、分離效率高和節能環保等優點，越來越受到人們的重視，也成為含油污水處理的一個發展方向[3-8]，但膜的抗污染程度制約著膜技術在含油污水中的應用。

無機炭膜是近年來發展起來的一種新型分離膜，采用了新型復合碳材料，具有極強的親水性、過濾通量大、化學穩定性高、熱穩定性強和耐磨損性好等特點，在處理含油污水方面表現的技術優勢是其他膜無法比擬的，具有廣闊的應用前景[9]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

油田采出污水，取自延長油田某聯合站，經過自然除油，混凝沉降，進入無機炭膜處理裝置，水質指標見表1。

表1 無機炭膜進水的水質

無機炭膜(外形尺寸865 mm×146 mm，單支膜面積0.8 m2，過濾孔徑0.04 μm，通道尺寸φ3 mm)。

1.2 實驗方法

無機炭膜精細過濾裝置為撬裝式設備，裝置自制，配備有雙支無機炭膜，膜面積1.6 m2，裝置可以在自動和手動兩種模式下運行，通過錯流過濾截留水中的所有非溶性油污、乳化油污及懸浮顆粒，截留的雜質通過濃水口直接排污。

無機炭膜精細過濾裝置位于油田采出水混凝沉降預處理后的出口、采出水凈化水罐的入口之間，工藝流程見圖1。

圖1 無機炭膜精細過濾系統工藝流程圖

在進水流量4.5 m3/h的條件下，經過炭膜的錯流過濾，得到產水和濃水，調節濃水端的調節閥控制產水流量，測得不同產水流量下跨膜壓差，通過跨膜壓差的變化情況，反映膜通量的變化，并確定該水質條件下最佳水的回收率(產水流量/進水流量)。

跨膜壓差=(進水端壓差+產水端壓差)/2

2 結果與討論

2.1 水的回收率對跨膜壓差的影響

在進水流量為4.5 m3/h，水質變化不大，水溫度22 ℃的條件下，通過濃水端調節閥對濃水流量進行控制，進而調整水的回收率，考察回收率對跨膜壓差的影響，結果見圖2。

由圖2可知,在水的回收率分別為65%，70%，75%條件下，跨膜壓差比較平穩，無明顯上升趨勢，表明水的回收率保持在75%以下，系統都能穩定運行；水的回收率為80%時，系統的跨膜壓差有一定的起伏，但起伏的幅度能夠保持穩定，說明系統也能夠正常運行；而當回收率上升到85%后，跨膜壓差隨著時間的推移，上升趨勢明顯，表明在此回收率下，污垢在膜表面沉積比較嚴重，已經導致膜過濾通道堵塞，通量無法完全恢復。綜合考慮系統反洗要求和水的回收率等因素，確定系統回收率為75%。

圖2 水回收率對跨膜壓差的影響

2.2 溫度對跨膜壓差的影響

在進水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%時，考察處理水的溫度對跨膜壓差的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對跨膜壓差的影響

由圖3可知，隨著時間的延長，水溫10～40 ℃下的跨膜壓差波動不大，基本保持穩定。水溫為40 ℃時的跨膜壓差較水溫為10 ℃時的跨膜壓差有所下降，這可能與水溫升高，經過膜表面的富含有機物、無機物及油的油田水的粘度有所下降，通過膜過濾時的阻力降低有關，適當地提高待處理水的溫度有利于膜的分離效果。由于原油采出液油水分離后的水溫也較高，綜合考慮能源成本，無機炭膜處理裝置的操作溫度為20～25 ℃最佳。

2.3 反洗對跨膜壓差的影響

無機炭膜精細過濾系統采用錯流方式運行，由于水中含有較高的油及懸浮物，隨著時間的延長，這些物質在膜表面的沉積不可避免，造成膜通量下降和跨膜壓差的升高，影響了膜的處理效果，也成為制約膜技術推廣的瓶頸。因此，研究無機炭膜的反洗方式及反洗頻率，降低膜的污染程度，保持膜的高通量尤為重要。

2.3.1 脈沖反洗對跨膜壓差的影響 連續脈沖式膜再生技術是通過壓縮空氣在膜表面產生高頻脈沖式沖擊水波，沖擊剝離膜進水側表面截留污染物，使膜表面堅實的濾餅無法形成，保持了膜通道的暢通，避免了膜污染程度的不斷加深，從而實現了膜的在線連續再生，保證了膜長周期穩定運行。

在進水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%，水溫為20 ℃，系統開啟脈沖反洗與關閉脈沖反洗功能，考察脈沖反洗對膜通量的影響，結果見圖4。

圖4 脈沖反洗對跨膜壓差的影響

由圖4可知，在脈沖反洗功能關閉條件下，系統的跨膜壓差呈現緩慢上升趨勢，從測試初始的18.7 kPa 逐漸升至24.0 kPa左右。表明在系統脈沖反洗功能關閉的情況下，膜表面存在污染物沉積，且不能得到及時的清理，導致膜的過濾功能不能得到恢復。在脈沖反洗開啟條件下，系統跨膜壓差保持穩定，基本保持在19.5～21.0 kPa，無明顯的上升趨勢，表明經過脈沖反洗使膜系統得到完全再生。

2.3.2 反洗周期對跨膜壓差的影響 無機炭膜材料具有良好的親水性，耐油污染能力強，在最佳的運行參數下，可以較長時間內保持穩定運行。由于油田采出水的復雜性，膜表面污染物的沉積不可避免，本實驗采取通用的反沖洗對膜功能進行恢復，在進水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%，水溫為20 ℃，20，30，40，50 min的時間間隔對膜進行反沖洗，考察反洗周期對跨膜壓差的影響，結果見圖5。

圖5 反洗時間間隔對跨膜壓差的影響

由圖5可知，系統在反洗時間間隔分別為20，30，40 min條件下運行，跨膜壓差的差值波動范圍基本維持在1.5～2.7 kPa，系統運行比較平穩，說明隨著運行時間的延長，反洗能夠及時地將炭膜表面污堵物沖洗出來，跨膜壓差維持穩定；將反洗時間間隔上升至50 min后，系統跨膜壓差穩定一段時間后明顯上升，差值為11 kPa，表明反洗時間間隔過長，通過反洗無法使膜的過濾性能得到完全恢復。綜合系統運行的穩定性，系統反洗周期為30 min比較合適。

2.4 膜處理水質效果

膜過濾端產水的外觀為無色，清澈透明，各項指標見表2。

表2 膜濾后產水水質[10]

由表2可知，膜過濾后，產水含油量不大于3.0 mg/L，懸浮物不大于1.0 mg/L，粒徑中值也不大于1.0 μm，水質符合低滲透油田回注水的要求。

3 結論

(1)含油量25～30 mg/L，懸浮物含量15～35 mg/L 的油田采出水，采用孔徑0.04 μm的無機炭膜處理，在水溫20～25 ℃、水的回收率75%及反洗周期30 min的運行條件下，處理后水質穩定，含油量和懸浮物含量均滿足《SY/T 5329—2012 碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》中低滲透油田回注水水質標準。

(2)無機炭膜表面污染物可通過水的反沖洗并結合脈沖反洗予以清除，使膜的過濾功能得到恢復，反洗周期30 min。