核桃壳过滤器超声波辅助反冲洗实验研究

国亚东，付翠亭，刘国荣，刘春爽

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东 青岛 266580)

目前各主要油田大多采用核桃壳或纤维球等作为滤料的深床过滤器，而深床过滤器过滤性能的稳定和维持依靠反冲洗得以实现[1]。常用的反冲洗方式主要有机械搅拌、水力搓洗、气体沸腾等，但都只对滤料的局部有效果，容易产生清洗死角，导致过滤器的过滤精度不能保持稳定，这就需要采取一定的措施强化反冲洗的效果[2]。应用最为广泛的是气水联合反冲洗方式和机械搅拌联合化学药剂反冲洗方式，但仍然存在着一定的缺点[3～5]。随着超声波技术的日渐成熟及在清洗再生行业中的广泛应用，若在滤料反冲洗时辅助超声波手段，利用其空化作用形成的高温高压冲击波去除滤料表面的杂质，达到比较彻底地去除滤床的杂质、强化滤料再生的效果，则可以延长过滤器运行时间，节约运行成本，带来较好的经济和社会效益。

作者在此基于国内油田常用的核桃壳过滤器，对超声波辅助反冲洗进行了研究，优化了操作参数，并与单独水反冲洗进行了比较。对于其它类型过滤设备的在线清洗也具有十分重要的借鉴意义。

1 实验

为了系统地研究超声波辅助反冲洗方式的影响因素、对比单独水反冲洗与超声波辅助反冲洗的再生效果，设计并制作了一套实验装置，该装置由污水制备系统、污水过滤系统和滤料反冲洗再生系统3大部分组成，如图1所示。

1.搅拌器 2.加料口 3.污水罐 4.提升泵 5.过滤流量计 6.测压板 7.过滤器 8.超声波换能器 9.滤料补充口 10.反冲洗储水箱 11.反冲洗流量计 12.反冲洗泵

图1中，超声波换能器固定于过滤器中下部的筒壁上，超声波的频率范围为20～40 kHz、功率范围为0.5～1.5 kW。滤料为核桃壳，当过滤器过滤压降达到760 mmHg时结束过滤过程，开始滤料反冲洗再生。以反冲洗后初始过滤压降作为评价反冲洗效果的技术指标、以耗水量作为经济指标，实验中超声波功率的调节由超声波发生器控制，超声波频率的调节通过切换超声波换能器来实现，而反冲洗强度的调节则由反冲洗阀门来完成。

2 结果与讨论

2.1 单独水反冲洗效果分析

2.1.1 反冲洗强度对初始过滤压降的影响(图2)

图2 反冲洗强度对初始过滤压降的影响

由图2可以看出，随着反冲洗强度的增大，初始过滤压降不断下降。反冲洗时间为3 min和6 min时，随着反冲洗强度的增大，初始过滤压降虽然有所下降，但幅度不大，其原因在于虽然增大了反冲洗强度，但由于反冲洗时间较短，脱落下来的杂质还未及时排出到过滤器外，反冲洗过程就已经结束；当反冲洗时间超过9 min时，随着反冲洗强度的增大，初始过滤压降下降极为明显，但当反冲洗强度增至10～12 m3·h-1时，初始过滤压降变化不大，其原因在于：尽管反冲洗强度增大，但滤床的孔隙率也相应增大，孔隙中的水流速度减慢，水流对滤料颗粒所产生的剪切力也就相应减小，虽然增大了滤床的膨胀率，单位液体中滤料的数量反而减少，滤料的运动速度加快，其平均碰撞几率减小，所以碰撞摩擦作用有限，甚至不发生碰撞。

2.1.2 反冲洗时间对初始过滤压降的影响(图3)

图3 反冲洗时间对初始过滤压降的影响

由图3可以看出，随着反冲洗时间的延长，初始过滤压降逐渐下降。反冲洗时间为3～9 min时，初始过滤压降下降极为明显；但当反冲洗时间超过9 min后，初始过滤压降变化不大。说明反冲洗9 min左右时，滤料之间的杂质以及在一定的反冲洗强度下脱除的滤料表面的部分杂质已经排出过滤器，继续延长反冲洗时间对滤料表面杂质的去除效果十分微弱，并且较长的反冲洗时间也会造成反冲洗水的大量浪费。

综合考虑反冲洗时间和反冲洗强度,确定适宜的单独水反冲洗的工艺参数如下：反冲洗时间10 min、反冲洗强度12 m3·h-1。

2.2 超声波辅助反冲洗效果分析

考虑到实验规模较大，且超声波换能器经济投入过大，采用正交实验确定超声波辅助反冲洗方式应用于核桃壳过滤器的工艺参数，其正交实验因素与水平见表1、结果与分析见表2。

表1 超声波辅助反冲洗正交实验因素与水平

表2 超声波辅助反冲洗正交实验结果与分析

由表2可以看出，各因素对初始过滤压降影响大小依次为：反冲洗时间>超声波频率>超声波功率>反冲洗强度。要想将滤床冲洗干净，必须保证足够的反冲洗时间，否则会造成部分前一阶段已经与滤料分离的杂质不能被带出滤床，造成反冲洗后滤床的过滤压降仍然较大。频率较低的超声波更容易形成空化作用，对滤料杂质的去除有利，但对过滤器的损害亦较大，所以在评价指标值相差不大的情况下应选择较高的超声波频率。反冲洗强度和超声波功率对初始过滤压降的影响较弱。2#、3#、5#实验的初始过滤压降较低。尤以3#实验的初始过滤压降最低，3#实验的耗水量最大，而2#、5#实验的初始过滤压降相差不大，考虑到较低的超声波频率对过滤器造成一定的空化腐蚀，最终确定最优的水平组合为A2B2C3D1(5#)，即：超声波频率30 kHz、超声波功率0.7 kW、反冲洗时间12 min、反冲洗强度8 m3·h-1。

2.3 超声波辅助反冲洗与单独水反冲洗的效果比较

对超声波辅助反冲洗与单独水反冲洗后的初始过滤压降进行了比较，结果见图4。

图4 反冲洗方式对初始过滤压降的影响

由图4可以看出，超声波辅助反冲洗后的初始过滤压降明显低于单独水反冲洗的初始过滤压降，即滤料得到更加彻底的清洗，过滤器的纳污能力得到增强，同时过滤周期延长30%以上，产水量增加。

3 结论

基于国内油田常用的核桃壳过滤器，对反冲洗进行了深入系统的实验研究。确定单独水反冲洗的反冲洗时间为10 min、反冲洗强度为12 m3·h-1，但对于滤料的再生效果不够理想，且反冲洗强度较高、耗水量大；采用正交实验，确定超声波辅助反冲洗的超声波频率为30 kHz、超声波功率为0.7 kW、反冲洗时间为12 min、反冲洗强度为8 m3·h-1；并对两种方式的反冲洗效果进行了对比，发现超声波辅助反冲洗初始过滤压降下降极为明显，反冲洗效果优于单独水反冲洗，并能延长过滤周期、减少反冲洗次数、节约能耗及用水量，应用前景广阔。

[1] 韩洪森，汪龙眠.核桃壳滤料污染后的清洗再生[J].黑龙江科技信息，2008，(31)：8.

[2] 翟国亮，陈刚，赵武，等.微灌用石英砂滤料的过滤与反冲洗试验[J].农业工程学报，2007，23(12)：46-49.

[3] 谢志刚，邱雪敏，赵燕玲.间歇式气水联合反冲洗生物炭池的试验研究[J].环境科学，2012，33(1):124-127.

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[5] 乔铁军，孙国芬.饮用水生物滤池的反冲洗机理研究[J].净水技术，2006，25(1)：39-41.