震動(dòng)膜處理油田采出水的試驗(yàn)研究

孫滿

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

大慶油田近年來(lái)先后開展過(guò)多種材質(zhì)（包括雙層膨脹膜、中空纖維膜、陶瓷膜[1]以及MT 線盒式纖維膜等精細(xì)過(guò)濾材質(zhì)）的膜精細(xì)過(guò)濾的試驗(yàn)研究[2]，并取得了不同的試驗(yàn)結(jié)果，部分研究成果目前已經(jīng)在油田地下清水處理工藝中得到應(yīng)用，但在含油污水[3]處理上卻沒有得到廣泛地應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明其他材質(zhì)的過(guò)濾形式應(yīng)用于油田含油污水處理，還存在過(guò)濾通量衰減過(guò)快、膜材質(zhì)再生困難、使用壽命短等問題。因此，開發(fā)一種處理效果好，過(guò)濾精度高，以及使用壽命長(zhǎng)和容易再生的精細(xì)膜過(guò)濾材質(zhì)及技術(shù)，才可以滿足油田開發(fā)生產(chǎn)的需要。

1 震動(dòng)膜過(guò)濾的試驗(yàn)裝置

1.1 組成及工作原理

震動(dòng)濾膜有一個(gè)震動(dòng)體系，由扭力桿及其下端的偏心震動(dòng)器、上端的膜組件構(gòu)成。震動(dòng)器上安裝電動(dòng)機(jī)和偏心輪，偏心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的振幅，振幅可對(duì)膜表面流體產(chǎn)生剪切力。當(dāng)污水進(jìn)入震動(dòng)膜過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)，液體中的懸浮顆粒停留在膜組里，在剪切力的作用下，懸浮物質(zhì)做震動(dòng)運(yùn)動(dòng)，膜表面不會(huì)形成凝膠層，防止了懸浮物堵塞膜孔，增加了過(guò)濾效率，減少了膜清洗次數(shù)，并可延長(zhǎng)膜使用壽命（圖1、圖2）。震動(dòng)濾膜[4]的膜組件內(nèi)包括多張膜，平行排列并以墊圈分隔，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖1 震動(dòng)膜過(guò)濾過(guò)程Fig.1 Vibrating membrane filtration process

圖2 震動(dòng)膜表面震動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of surface vibration of vibrating membrane

圖3 震動(dòng)膜組件結(jié)構(gòu)Fig.3 Assembly structure of vibrating membrane

1.2 再生工藝

震動(dòng)濾膜再生采用酸、堿及處理后污水正向循環(huán)清洗。先將1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）酸加入到循環(huán)水罐，經(jīng)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)清洗，清洗完成后將廢酸液排入回收水池；再加1.0%堿到循環(huán)水罐，清洗方法與酸清洗相同；然后加次氯酸鈉到循環(huán)水罐循環(huán)清洗，次氯酸鈉清洗完成后進(jìn)行過(guò)濾。

2 震動(dòng)膜精細(xì)過(guò)濾試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證震動(dòng)膜材質(zhì)精細(xì)過(guò)濾的處理效果和適應(yīng)性，本次試驗(yàn)裝置首先選擇五廠含油污水處理站二次過(guò)濾出水作為膜的進(jìn)水進(jìn)行處理試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)震動(dòng)膜精細(xì)過(guò)濾技術(shù)適應(yīng)性；其次進(jìn)行該膜操作技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)；最后再選擇最佳操作參數(shù)進(jìn)行膜精細(xì)過(guò)濾技術(shù)穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)。震動(dòng)膜精細(xì)過(guò)濾試驗(yàn)裝置工藝流程見圖4，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖4 震動(dòng)膜過(guò)濾試驗(yàn)工藝流程Fig.4 Process flow of vibrating membrane filtration experiment

表1 震動(dòng)膜過(guò)濾設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)及再生運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Design technical parameters and regeneration operation parameters of vibrating membrane filtration

3 震動(dòng)膜過(guò)濾裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 膜通量確定

為了進(jìn)一步確定震動(dòng)膜的最佳膜通量[5-7]，在膜通量0.023 dm3/min·dm2（處理量3.5 dm3/min）的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行增大膜通量至0.03 dm3/min·dm2（處理量4.5 dm3/min）的過(guò)濾試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 震動(dòng)膜通量試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)Tab.2 Data for flux test analysis of vibrating membrane

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，震動(dòng)膜在膜通量0.03 dm3/min·dm2（4.5 dm3/min）時(shí)，經(jīng)膜過(guò)濾后出水含油質(zhì)量濃度、懸浮固體質(zhì)量濃度及粒徑中值都達(dá)到了特低滲透油層回注水水質(zhì)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中的相關(guān)規(guī)定，但過(guò)濾運(yùn)行時(shí)間較短，只有36 h，而在膜通量0.023 dm3/min·dm2時(shí)過(guò)濾時(shí)間達(dá)到48 h。因此，從經(jīng)濟(jì)角度選擇震動(dòng)膜通量為0.023 dm3/min·dm2最佳。

3.2 過(guò)濾周期確定試驗(yàn)

震動(dòng)膜過(guò)濾周期[8]是以處理量衰減來(lái)衡量的。在運(yùn)行壓力0.40 MPa，初始處理量3.5 dm3/min 的情況下，當(dāng)膜運(yùn)行處理量衰減到初始處理量40%時(shí)，即可認(rèn)為運(yùn)行了1 個(gè)過(guò)濾周期，共進(jìn)行了4 個(gè)過(guò)濾周期的試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

由表3 可知，震動(dòng)膜運(yùn)行48h 時(shí)，處理量達(dá)到1.4 dm3/min 左右，處理量衰減達(dá)到40%，即達(dá)到了處理量的衰減設(shè)計(jì)值。因此，震動(dòng)膜過(guò)濾周期確定為48 h 。

表3 震動(dòng)膜過(guò)濾周期試驗(yàn)處理量數(shù)據(jù)Tab.3 Throughput data of vibrating membrane filtration cycle test

3.3 排污周期確定

排污周期[9]的長(zhǎng)短直接影響震動(dòng)膜的過(guò)濾周期。排污周期短，膜自耗水量大；排污周期長(zhǎng)，膜堵塞快，過(guò)濾周期短。在運(yùn)行壓力0.40 MPa 時(shí)，一次排污量按6 L 進(jìn)行不同排污周期試驗(yàn)，記錄膜處理量變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5）。由圖5 可知，排污周期6 min 及12 min 時(shí)過(guò)濾周期都達(dá)到48 h。排污周期6 min 的排污量為2.88 m2，而排污周期12 min 的排污量為1.44 m2。因此，確定排污周期為12 min。

圖5 膜過(guò)濾時(shí)間與衰減率試驗(yàn)變化曲線Fig.5 Experimental change curve of membrane filtration time and attenuation rate

3.4 排污量確定

排污量的多少同樣也影響著震動(dòng)膜過(guò)濾周期。試驗(yàn)在運(yùn)行壓力0.40 MPa 時(shí)，排污周期12 min 情況下，進(jìn)行不同排污量試驗(yàn)，記錄膜處理量變化的試驗(yàn)結(jié)果（圖6）。由圖6 可知，當(dāng)排污量為6 L 或7 L時(shí)，膜運(yùn)行周期能夠達(dá)到48 h。因此，確定排污量為6 L。

圖6 膜過(guò)濾時(shí)間與排污量試驗(yàn)變化曲線Fig.6 Experimental variation curve of membrane filtration time and discharge amount

3.5 清洗液濃度及時(shí)間確定

震動(dòng)膜再生清洗方法[10-11]的先后順序是：酸（HNO3）清洗→堿（NaOH）清洗→次氯酸鈉（Na-ClO）清洗。酸、堿及次氯酸鈉各18 L，清洗液采用三種配方。其中配方A：酸1.0%，堿1.0%，次氯酸鈉3.0%；配方B：酸0.5%，堿1.0%，次氯酸鈉3.0%；配方C：酸1.0%，堿0.5%，次氯酸鈉3.0%（均為質(zhì)量濃度）。每次清洗后起始流量達(dá)到初始流量（3.5 dm3/min），即可認(rèn)為達(dá)到清洗效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 再生清洗后起始過(guò)濾流量數(shù)據(jù)Tab.4 Start filtering traffic data after regeneration cleaning

由表4 可知：采用“A”清洗90 min 和105 min，清洗后起始處理量能夠恢復(fù)到初始處理量（3.5 dm3/min），因此，清洗酸、堿濃度確定為1.0%，次氯酸鈉濃度確定為3.0%。清洗時(shí)間為：堿清洗30 min→酸清洗30 min→次氯酸鈉清洗30 min，總計(jì)90 min。

3.6 震動(dòng)膜通量恢復(fù)率

保持膜起始運(yùn)行壓力不變（0.4 MPa），每個(gè)過(guò)濾周期的起始運(yùn)行處理量與第一次過(guò)濾周期的比值就是這次再生恢復(fù)率。經(jīng)過(guò)多次再生后，再生恢復(fù)率不變時(shí)，即為膜的穩(wěn)定恢復(fù)能力（圖7）。由圖7可知，震動(dòng)膜運(yùn)行26 個(gè)周期后，膜通量恢復(fù)率穩(wěn)定在98.6%。

圖7 膜過(guò)濾排污量與衰減率試驗(yàn)變化曲線Fig.7 Experimental variation curve of sewage discharge and attenuation rate of membrane filtration

4 穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)

在確定出震動(dòng)膜精細(xì)過(guò)濾技術(shù)處理含油污水適合的參數(shù)后，進(jìn)行3.5 dm3/min（膜通量0.023 dm3/min· dm2）穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步考核膜處理后出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)分析震動(dòng)膜進(jìn)出口含油質(zhì)量濃度、懸浮固體質(zhì)量濃度、懸浮固體顆粒粒徑中值3 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，分析數(shù)據(jù)如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 膜過(guò)濾進(jìn)出水含油量變化曲線Fig.8 Variation curve of oil content in membrane filtration inlet and outlet water

圖9 膜過(guò)濾進(jìn)出水懸浮固體含量變化曲線Fig.9 Variation curve of suspended solids content in membrane filtration inlet and outlet water

圖10 膜過(guò)濾進(jìn)出水粒徑中值變化曲線Fig.10 Variation curve of median particle size in membrane filtration inlet and outlet water

由圖8、圖9、圖10 中可知，經(jīng)膜處理后出水含油質(zhì)量濃度，懸浮固體質(zhì)量濃度，懸浮固體顆粒粒徑中值3 項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到特低滲透率油層回注水水質(zhì)指標(biāo)的要求，水質(zhì)合格率為100%。

5 結(jié)論

（1）震動(dòng)膜具有膜表面懸浮固體顆粒雜質(zhì)不易沉降堵塞膜孔的特點(diǎn)，在處理量為3.5 dm3/min 的條件下，當(dāng)膜過(guò)濾進(jìn)水含油質(zhì)量濃度≤10 mg/L、懸浮固體質(zhì)量度≤10 mg/L，粒徑中值≤3.5 μm 時(shí)，經(jīng)膜處理后，出水3 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均能夠達(dá)到特低滲透率油層回注水水質(zhì)指標(biāo)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中的要求。

（2）優(yōu)化的技術(shù)參數(shù)：膜通量參數(shù)為0.023 dm3/min·dm2；過(guò)濾周期為48 h；排污周期為12 min；排污量為6.0 dm3；酸堿清洗濃度為酸、堿均為1.0%，次氯酸鈉3.0%；清洗時(shí)間為90 min；穩(wěn)定恢復(fù)率為98.6%。

（3）為了能夠滿足油田大面積推廣應(yīng)用，建議在小型試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展震動(dòng)膜精細(xì)過(guò)濾處理含油污水工業(yè)化放大驗(yàn)證試驗(yàn)，以確定工業(yè)化應(yīng)用的設(shè)計(jì)參數(shù)。