無機炭膜在處理含油污水中的應(yīng)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(shè)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(fā)過程中產(chǎn)生的大量污水經(jīng)過處理后要回注地層[1]，常規(guī)的處理工藝為自然沉降+氣浮混凝+多介質(zhì)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(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外都開展了利用膜分離技術(shù)處理含油污水的研究[2]。膜分離技術(shù)具有流程簡單、操作方便、分離效率高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，越來越受到人們的重視，也成為含油污水處理的一個發(fā)展方向[3-8]，但膜的抗污染程度制約著膜技術(shù)在含油污水中的應(yīng)用。

無機炭膜是近年來發(fā)展起來的一種新型分離膜，采用了新型復(fù)合碳材料，具有極強的親水性、過濾通量大、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性強和耐磨損性好等特點，在處理含油污水方面表現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢是其他膜無法比擬的，具有廣闊的應(yīng)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(lián)合站，經(jīng)過自然除油，混凝沉降，進(jìn)入無機炭膜處理裝置，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 無機炭膜進(jìn)水的水質(zhì)

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(xì)過濾裝置為撬裝式設(shè)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(zhì)通過濃水口直接排污。

無機炭膜精細(xì)過濾裝置位于油田采出水混凝沉降預(yù)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(xì)過濾系統(tǒng)工藝流程圖

在進(jìn)水流量4.5 m3/h的條件下，經(jīng)過炭膜的錯流過濾，得到產(chǎn)水和濃水，調(diào)節(jié)濃水端的調(diào)節(jié)閥控制產(chǎn)水流量，測得不同產(chǎn)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(zhì)條件下最佳水的回收率(產(chǎn)水流量/進(jìn)水流量)。

跨膜壓差=(進(jìn)水端壓差+產(chǎn)水端壓差)/2

2 結(jié)果與討論

2.1 水的回收率對跨膜壓差的影響

在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水質(zhì)變化不大，水溫度22 ℃的條件下，通過濃水端調(diào)節(jié)閥對濃水流量進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)整水的回收率，考察回收率對跨膜壓差的影響，結(jié)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(wěn)，無明顯上升趨勢，表明水的回收率保持在75%以下，系統(tǒng)都能穩(wěn)定運行；水的回收率為80%時，系統(tǒng)的跨膜壓差有一定的起伏，但起伏的幅度能夠保持穩(wěn)定，說明系統(tǒng)也能夠正常運行；而當(dāng)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(yán)重，已經(jīng)導(dǎo)致膜過濾通道堵塞，通量無法完全恢復(fù)。綜合考慮系統(tǒng)反洗要求和水的回收率等因素，確定系統(tǒng)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(jìn)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(jié)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(wěn)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(jīng)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(guān)，適當(dāng)?shù)靥岣叽幚硭臏囟扔欣谀さ姆蛛x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(xì)過濾系統(tǒng)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(zhì)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(shù)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(xù)脈沖式膜再生技術(shù)是通過壓縮空氣在膜表面產(chǎn)生高頻脈沖式?jīng)_擊水波，沖擊剝離膜進(jìn)水側(cè)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(xiàn)了膜的在線連續(xù)再生，保證了膜長周期穩(wěn)定運行。

在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%，水溫為20 ℃，系統(tǒng)開啟脈沖反洗與關(guān)閉脈沖反洗功能，考察脈沖反洗對膜通量的影響，結(jié)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(guān)閉條件下，系統(tǒng)的跨膜壓差呈現(xiàn)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(tǒng)脈沖反洗功能關(guān)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(dǎo)致膜的過濾功能不能得到恢復(fù)。在脈沖反洗開啟條件下，系統(tǒng)跨膜壓差保持穩(wěn)定，基本保持在19.5～21.0 kPa，無明顯的上升趨勢，表明經(jīng)過脈沖反洗使膜系統(tǒng)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(shù)下，可以較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定運行。由于油田采出水的復(fù)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(jìn)行恢復(fù)，在進(jìn)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(jìn)行反沖洗，考察反洗周期對跨膜壓差的影響，結(jié)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(tǒng)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(tǒng)運行比較平穩(wěn)，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(wěn)定；將反洗時間間隔上升至50 min后，系統(tǒng)跨膜壓差穩(wěn)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(fù)。綜合系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)反洗周期為30 min比較合適。

2.4 膜處理水質(zhì)效果

膜過濾端產(chǎn)水的外觀為無色，清澈透明，各項指標(biāo)見表2。

表2 膜濾后產(chǎn)水水質(zhì)[10]

由表2可知，膜過濾后，產(chǎn)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(zhì)符合低滲透油田回注水的要求。

3 結(jié)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(zhì)穩(wěn)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(zhì)指標(biāo)及分析方法》中低滲透油田回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

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