污水站個性化反沖洗技術研究與應用

樂昕朋

大慶油田有限責任公司第四采油廠規劃設計研究所

污水處理系統是油田開發過程中至關重要的生產環節，轉油站、轉油放水站及脫水站的含油污水最終均需要在污水站中經過沉降、過濾后注入地層，過濾系統作為污水處理的最后環節，其處理污水效果直接影響注水水質[1]。然而，過濾系統經過一段時間運行后，濾料層中會截留大量污油和懸浮物質，形成不同程度的濾餅層，影響過濾效果。為了恢復或提高濾罐的過濾效果，保障濾料再生，需要定期對濾罐進行反沖洗[2]。

1 杏北油田污水站工藝及運行現狀

在水驅、聚驅和三元復合驅并存開發方式下，杏北油田建設4 類污水處理站共32 座。其中，普通污水站8 座、深度污水站15 座、聚驅污水站5 座、三元污水站4 座。除水驅深度污水站采用“兩級過濾”處理工藝外，其余站庫均采用“沉降+過濾”主體工藝技術。

杏北油田污水站目前在用反沖洗控制系統主要有TDCS 系統和PLC 系統2 類，均可實現全自動變強度反沖洗工藝。各站庫通過對不同反沖洗階段參數的設定，形成“一站一參數”的反沖洗模式。

2 “一站一參數”模式的不適應性

隨著三次采油的開發推廣，地面污水處理成分日益復雜，多元開發方式下含油污水處理難度越來越大。采出液含聚濃度的上升造成污水黏度增加，嚴重污染濾料，影響處理水質[3]。由于各過濾罐的結構、使用時間等情況不同，濾罐內的濾料數量與污染程度也不同，現有“一站一參數”的反沖洗模式已經難以滿足所有濾罐的差異反沖洗要求。圖1、圖2 為杏二十五聯深度污水站在現有反沖洗模式下部分二級濾罐的運行情況。該站反沖洗分為“低階—高階—低階”三個階段，其反沖洗強度按照“5 L/(m2·s)（3 min）—13 L/(m2·s)（8 min）—7 L/(m2·s)（4 min）”進行變化。隨著運行時間的延長，濾料年限較長的二級2#、4#及10#過濾罐出現了反沖洗強度達不到設定值、反沖洗曲線波動較大的現象，說明這3 座濾罐反沖洗效果不佳，濾料再生效果差[4]，且3 座濾罐平均除懸率僅為20%。

圖1 部分二級過濾罐反沖洗曲線Fig.1 Backwashing curve of some secondary filter tanks

圖2 杏二十五聯深度污水站二級濾罐除油、除懸情況Fig.2 Oil and suspended substance removal status of secondary fifter tanks in Xing 25 Deep Sewage Station

結合開罐檢查發現，3 座濾罐濾料污染嚴重，說明在原有“整站一參數”的反沖洗模式下，3 座濾罐的濾料再生效果差（圖3）。針對此問題，對過濾罐反沖洗參數進行優化，將高階反沖洗參數由“13 L/(m2·s)（8 min）”調整為“14 L/(m2·s)（10 min）”，跟蹤14 天觀察發現，2#、4#及10#濾罐反沖洗憋壓現象得到緩解，反沖洗壓力由平均0.52 MPa 下降至0.44 MPa，單罐濾后除懸率提升7%。從運行效果來看，適當的提高反沖洗強度對濾料污染嚴重的2#、4#及10#濾罐具有一定效果，通過觀察回收水池內反沖洗水情況發現，對于濾料污染不嚴重的其他濾罐，高強度的反沖洗會導致不同程度的跑料現象發生。

圖3 2#過濾罐內濾料污染情況Fig.3 Pollution of the filter material in 2# filter tank

而針對單獨濾罐濾料污染情況頻繁調整整站反沖洗參數，將會大大增加崗位工人的工作量，且不便于生產管理[5]。因此，為保證單獨過濾罐出水水質、確保生產過程中可根據單個濾罐出水水質進行參數調整、方便員工操作及生產運行，研究過濾罐個性化反沖洗工藝、保證問題濾罐實現“一罐一參數”，對于杏北油田污水達標回注尤為重要。

3 個性化反沖洗技術研究

由于TDCS、AB PLC 兩種控制系統均能實現自動化反沖洗，只是實現的過程方式不同，因此本文以AB PLC 控制系統的優化為例進行個性化反沖洗技術研究。

3.1 AB PLC 控制系統

AB PLC 控制系統采用模塊化結構設計，主要由主程序模塊（main program）、過程控制模塊（process）和反沖洗水泵控制模塊（water-pump）三部分組成。其中main program 模塊主要用于模擬量輸入操作，包括模擬量數據轉換、模擬量報警輸出等功能；process 模塊是整個反沖洗系統最重要的一個功能塊，反沖洗過程控制、閥開關控制、閥狀態檢測等都由該功能塊完成；water-pump 模塊主要用于控制反沖洗水泵的啟停及運行時間。三個功能模塊組合在一起共同完成過濾罐反沖洗工藝，并通過上位機實現監控及反沖洗操作運行[6]。

3.2 AB PLC 個性化反沖洗程序開發

以杏二十五聯深度污水站為試點進行研究，該站共有30 個濾罐，每個濾罐在單次反沖洗時需經歷3 個反沖洗階段，每個階段包括上升、保持和下降3 個過程。因此，需分別設置上升時間、保持時間、下降時間和反沖洗流量等4 個參數。為保證各節點參數可調、實現個性化反沖洗，在PLC 和上位機內共進行了3 處改進（圖4、圖5）。

圖4 反沖洗模式的改進Fig.4 Improvement of backwashing model

圖5 過濾罐參數設置界面Fig.5 Parameter setup interface of filter tanks

（1）PLC 系統數據庫部分。利用RSLogix5000軟件平臺打開杏二十五聯污水站PLC 應用程序[7]，在反沖洗的3 個階段中分別新建4 個數組，每個數組含有30 個變量，分別表示每個罐在不同反沖洗強度的上升時間、保持時間、下降時間和反洗流量，共計360 個變量點（3 個階段×4 個數組×30個罐）。

（2）反沖洗控制程序部分。在研究原PLC 應用程序基礎上，保持water-pump 模塊不變，利用程序循環運行原理，在process 模塊內建立變量循環語句，以變量代換方式實現單個濾罐參數個性化設置功能，進而實現個性化反沖洗功能[8]。反沖洗流量、反沖洗上升時間、保持時間和下降時間等變量賦值在上位機進行。

（3）上位機界面部分。應用RSView32 軟件對上位機部分進行修改[9]，新建2 個界面用于設置反沖洗控制參數，設計表格，排放360 個編輯框，用來輸入30 個濾罐各自在3 個反沖洗階段下的4 個參數。利用OPC 方式將每個編輯框與PLC 數據庫中的變量進行數據鏈接，實現數據傳輸。最后為新界面添加顯示按鈕，刪除原界面中部分編輯框，完成上位機界面的添加和修改。

4 現場應用

杏二十五聯深度污水處理站采用兩級單向石英砂、磁鐵礦雙層濾料過濾工藝流程，一級過濾罐12座，二級過濾罐18 座，設計處理量為3×104m3/d，出水水質指標為含油濃度、含懸浮物濃度均小于等于5 mg/L。該站AB PLC 反沖洗控制系統經改造后能夠實現單獨濾罐個性化反沖洗參數調整。

針對反沖洗效果不好的二級2#、4#及10#過濾罐進行參數優化。由于杏二十五聯深度污水站反沖洗模式為“低階—高階—低階”，反洗效果的好壞主要取決于高階時的強度及時間[10]，因此首先考慮調高反沖洗高頻段排量。將3 座罐的高階段排量由13 L/(m2·s)調至16 L/(m2·s)，對比試驗前后含油、含懸浮物去除率變化情況，具體如表1、圖6 所示。

圖6 調整反沖洗強度前后除油率、除懸率變化情況Fig.6 Oil and suspended substance removal rate before and after adjusting the backwashing strength

表1 調整反沖洗強度前后試驗數據Tab.1 Test data before and after adjusting the backwashing strength

從結果可以看出，個性化調整反沖洗參數后，3 座濾罐的出水含油均達標，平均除油率由原“整站一參數”的38.1%上升至66.1%；出水含懸接近達標，平均除懸率由20.7%上升至47.6%。平均除油率及除懸率分別上升28 個百分點及26.9 個百分點，說明適當的提高反沖洗強度對濾料再生效果起到促進作用。

由于杏二十五聯二級2#、4#及10#過濾罐自2009 年投產未更換過濾料，長時間高強度的反沖洗將加速濾料磨損[11]。因此，在高階階段適當提高反沖洗強度的同時，減少反沖洗時間，并對比試驗前后含油含、懸去除率變化情況（表2）。

由表2 可知，降低反洗時間后，3 座濾罐平均除油率及除懸率均有所下降，但降幅不大。從水質上來看，當高階階段反沖洗時間由8 min 降低至7 min，3 座濾罐出水含油仍能達標，出水含懸水平基本不變；當高階階段反沖洗時間降低至6 min 時，3 座濾罐出水含油均無法達標，且出水含懸量也有所上升。因此，將杏二十五聯深度污水站二級2#、4#、10#過濾罐的反沖洗參數設置為5 L/(m2·s)（3 min）—16 L/(m2·s)（7 min）—7 L/(m2·s)（4min）。運行反沖洗曲線如圖7 所示。

圖7 調整反沖洗參數后反沖洗曲線Fig.7 Backwashing curve after adjusting the backwashing parameters

表2 調整反沖洗時間前后試驗數據Tab.2 Test data before and after adjusting the backwashing time

綜上所述，對于濾料再生效果較差的濾罐，可根據實際情況提高其高頻反沖洗強度，并適當降低反沖洗時間，在提高出水水質的前提下節省反洗水量[12]。通過調整反沖洗模式為“一罐一參數”，可有效提高濾料再生效果，與“一站一參數”相比，既方便了員工操作，也降低了管理困難。

5 結論與建議

（1）研發了TDCS、AB PLC 兩種控制系統的反沖洗參數優化程序，實現“一罐一參數”的個性化反沖洗設置，解決了因“一站一參數”造成的部分濾罐反沖洗不適應性，改善濾料再生效果，對于水質提升、降低勞動強度及自動化管理具有重大意義。

（2）污水處理站的反沖洗應首選“一站一參數”運行模式，當部分過濾罐出現反沖洗不適應性時，應及時對有問題的過濾罐進行問題分析，并進行“一罐一參數”調試。

（3）現場開展個性化反沖洗參數調節試驗，針對杏二十五聯深度污水站除油率、除懸率較低的2#、4#、10#過濾罐進行參數調節，有效改善了濾罐出水水質，3 座濾罐出水含油均能達標，除油率、除懸率能夠提升20 個百分點以上。

（4）面對油田多元開發形勢以及采出污水的日益復雜，污水站過濾系統面臨的挑戰更為嚴峻，為進一步提高濾料再生效果、改善水質、降低能耗，需根據各濾罐的實際生產情況進行摸索和實踐，探索出適合各污水站的反沖洗方法。