軸向動(dòng)態(tài)反沖洗法過濾二元污水試驗(yàn)

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(xué)　2大慶油田采油二廠

軸向動(dòng)態(tài)反沖洗法過濾二元污水試驗(yàn)

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(xué)2大慶油田采油二廠

針對(duì)現(xiàn)有水力輔助機(jī)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(dòng)態(tài)反沖洗濾料反洗再生技術(shù)，并針對(duì)二元污水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。探討濾床結(jié)構(gòu)對(duì)污染物去除效果和濾床阻力特性影響，考察反沖洗強(qiáng)度和反沖洗時(shí)間對(duì)濾料再生效能影響規(guī)律。結(jié)果表明，該技術(shù)對(duì)二元污水具有較好的適應(yīng)性，過濾速度為8m/h時(shí)，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(qiáng)度為8.8L/s.m2、反洗歷時(shí)15min時(shí)，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(dòng)態(tài)反沖洗；濾床阻力；反沖洗強(qiáng)度

隨著二元開發(fā)技術(shù)在遼河油田的推廣應(yīng)用，采出液中聚合物和表面活性劑濃度也迅速增加，對(duì)現(xiàn)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(jié)、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(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)[1]，給油田生產(chǎn)帶來巨大影響[2-3]。針對(duì)傳統(tǒng)濾料反沖洗再生方法存在的問題[4]，研究將旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)融合形成復(fù)合場(chǎng)，建立了基于復(fù)合場(chǎng)動(dòng)態(tài)反沖洗濾料原位再生技術(shù)[5]，以有效解決二元驅(qū)污水濾料反沖洗再生效果差的問題，并探討軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)對(duì)二元污水過濾和濾料反沖洗再生影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在遼河油田某污水站進(jìn)行，其水質(zhì)情況如表1所示。試驗(yàn)裝置由過濾器（?0.4m×2.6m）、水箱（1.8m3）、潛水泵、流量計(jì)和反沖洗控制系統(tǒng)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(zhì)

圖1　試驗(yàn)工藝流程

1.2技術(shù)原理及過程

軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)核心是將旋流分離技術(shù)應(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)模式及工作原理如圖2所示，過濾器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)顆粒運(yùn)動(dòng)和碰撞原理

濾料顆粒做螺旋式跟隨運(yùn)動(dòng)，顆粒間產(chǎn)生旋切向碰撞力，離心分離作用使顆粒間產(chǎn)生徑向碰撞力，濾料顆粒相互碰撞強(qiáng)化了濾料搓洗作用；同時(shí)水流與顆粒濾料間的速度梯度產(chǎn)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(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)隨水流排除，密度大的濾料沿外側(cè)運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)污物與濾料顆粒的分離和漂洗。

圖3　軸向反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)

1.3分析方法

1.3.1懸浮物含量和含油量測(cè)定

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

1.3.2核桃殼濾料油量測(cè)定

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

（2）萃取液含油量測(cè)定。利用石油醚萃取分光光度法 （SY/T0530—2011）測(cè)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(fēng)干燥箱中干燥2h至恒重，利用天平稱量其質(zhì)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(jì)算，其中， A為被測(cè)萃取液吸光度；v為石油醚體積（mL）；n為稀釋倍數(shù)；k為吸光系數(shù)；x為核桃殼濾料干重（g）。

2　二元污水過濾試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1過濾速度和過濾精度關(guān)系

過濾速度為單位時(shí)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(jí)配等因素有關(guān)?？疾炝瞬煌瑸V速單層濾床的過濾精度，結(jié)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(shí)油和懸浮物去除率分別為85.5%和58.8%，這是因?yàn)檫^濾速度高時(shí)水流剪切力大，污物穿透作用增強(qiáng)，過濾效能降低。

2.2濾床結(jié)構(gòu)對(duì)過濾效能影響

在過濾速度為8.0m/h時(shí)，考察核桃殼單濾層和核桃殼/均質(zhì)石英砂雙濾層的過濾作用，并與現(xiàn)場(chǎng)兩級(jí)過濾工藝進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而評(píng)價(jià)軸向動(dòng)態(tài)反沖洗法中試裝置的過濾效能，研究利用進(jìn)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(yàn)核桃殼濾層高度為1.2m，過濾對(duì)比結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　核桃殼單濾層油去除效能對(duì)比

圖5　核桃殼單濾層懸浮物去除效能對(duì)比

從圖4、圖5可以看出，試驗(yàn)周期內(nèi)進(jìn)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%?，F(xiàn)場(chǎng)兩級(jí)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(yàn)裝置低17.9%和24.3%。這主要是軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)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(fā)揮充分，使過濾效率提高[7-9]。

2.2.2核桃殼/均質(zhì)石英砂雙濾層過濾效能

試驗(yàn)核桃殼濾層0.8m、均質(zhì)石英砂濾層0.4m。從雙濾層油去除效能對(duì)比和雙濾層懸浮物去除效能對(duì)比可以看出，試驗(yàn)周期內(nèi)含油量和懸浮物含量進(jìn)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(xiàn)有兩級(jí)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(yàn)裝置低12.79%和29.5%。同時(shí)采用核桃殼/均質(zhì)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(yàn)考察過濾速度為8m/h時(shí)，雙濾床濾層阻力損失特性。從雙濾層阻力損失關(guān)系曲線可以看出，雙濾層阻力呈現(xiàn)出過濾前期增加緩慢、后期增加較快的變化趨勢(shì)。其初始過濾阻力損失為0.02MPa，運(yùn)行10.0～12.0h時(shí)濾層阻力存在拐點(diǎn)，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(qiáng)度的確定

通過改變反沖洗水量進(jìn)而獲得不同反沖洗強(qiáng)度，并根據(jù)不同反沖洗強(qiáng)度下反沖洗廢水瞬時(shí)油濃度變化及截留油排除效率確定反沖洗強(qiáng)度[10]。截留油排除效率是在反沖洗歷時(shí)15min時(shí)排除截留油量與總截留油量之比的百分?jǐn)?shù)[11]。試驗(yàn)考察不同反沖洗強(qiáng)度和反沖洗歷時(shí)的反沖洗廢水瞬時(shí)油濃度的變化規(guī)律，其結(jié)果如圖6所示。

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

圖6　反沖洗廢水瞬時(shí)油濃度和反沖洗時(shí)間關(guān)系曲線

反沖洗強(qiáng)度為8.8L/（s·m2）時(shí)，截留油排除率為95.96%；當(dāng)反沖洗強(qiáng)度大于8.8L/（s·m2）時(shí)，截留油排除率為96.12%～96.23%，提高幅度有限。說明反沖洗強(qiáng)度為8.8L/（s·m2）時(shí)，核桃殼濾料已經(jīng)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(yàn)測(cè)定反沖洗前后濾床表層核桃殼濾料含油量，進(jìn)而考察濾料反洗再生效果，結(jié)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(dá)98.8%以上。這主要是軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)的高效搓洗作用對(duì)吸附于核桃殼表面的油類進(jìn)行洗脫分離，使核桃殼含油量大大降低，并有效恢復(fù)了核桃殼濾料的優(yōu)良過濾性能。

3　結(jié)論

（1）軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)對(duì)二元污水具有較好的適應(yīng)性。過濾速度8m/h時(shí)，油和懸浮物平均去除率為83.86%和58.78%，過濾周期18～24h時(shí)濾床阻力為0.2MPa。

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

（3）當(dāng)反沖洗強(qiáng)度為8.8L/（s·m2）和反沖洗時(shí)間為15min時(shí)，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。

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（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(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（Gc13c305）、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541062）、黑龍江省高?？萍汲晒a(chǎn)業(yè)化前期研發(fā)培育項(xiàng)目（1254CGZH12）、東北石油大學(xué)培育基金項(xiàng)目（XN2014108）、中石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（2014-01-07）和大慶油田公司現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目資助。

2015-03-25