轴向动态反冲洗法过滤二元污水试验

于忠臣　牛源麟　董喜贵　刘书孟　赵百军　孙冰　刘晓燕　孙聪

1东北石油大学　2大庆油田采油二厂

轴向动态反冲洗法过滤二元污水试验

于忠臣1牛源麟1董喜贵2刘书孟2赵百军2孙冰2刘晓燕1孙聪1

1东北石油大学2大庆油田采油二厂

针对现有水力辅助机械搅拌反冲洗方式存在滤料再生不彻底和滤料污染等问题，提出一种新型轴向动态反冲洗滤料反洗再生技术，并针对二元污水进行现场试验。探讨滤床结构对污染物去除效果和滤床阻力特性影响，考察反冲洗强度和反冲洗时间对滤料再生效能影响规律。结果表明，该技术对二元污水具有较好的适应性，过滤速度为8m/h时，油和悬浮物平均去除率分别为83.86%和58.78%，滤床阻力为0.20MPa，双滤层具有较好的悬浮物去除效能；反冲洗强度为8.8L/s.m2、反洗历时15min时，截留油排除率95.96%，滤料再生良好，含油去除率为98.8%。

含聚污水；过滤；轴向动态反冲洗；滤床阻力；反冲洗强度

随着二元开发技术在辽河油田的推广应用，采出液中聚合物和表面活性剂浓度也迅速增加，对现有深床过滤工艺带来较大影响，聚合物包裹滤料表面、滤料局部板结、滤料再生效果差和滤料流失等问题突出，使油田回注水水质严重超标[1]，给油田生产带来巨大影响[2-3]。针对传统滤料反冲洗再生方法存在的问题[4]，研究将旋流场和重力场融合形成复合场，建立了基于复合场动态反冲洗滤料原位再生技术[5]，以有效解决二元驱污水滤料反冲洗再生效果差的问题，并探讨轴向动态反冲洗技术对二元污水过滤和滤料反冲洗再生影响规律。

1　试验材料和方法

1.1试验材料

试验在辽河油田某污水站进行，其水质情况如表1所示。试验装置由过滤器（Ø0.4m×2.6m）、水箱（1.8m3）、潜水泵、流量计和反冲洗控制系统等组成。滤床高度为1.2m，核桃壳滤料粒径0.8～1.2mm，工艺流程如图1所示。

表1　污水水质

图1　试验工艺流程

1.2技术原理及过程

轴向动态反冲洗技术核心是将旋流分离技术应用于滤料反冲洗过程，通过轴向涡轮使反冲洗-滤料混合液做螺旋旋转运动，其运动模式及工作原理如图2所示，过滤器结构如图3所示。

图2　轴向动态反冲洗技术颗粒运动和碰撞原理

滤料颗粒做螺旋式跟随运动，颗粒间产生旋切向碰撞力，离心分离作用使颗粒间产生径向碰撞力，滤料颗粒相互碰撞强化了滤料搓洗作用；同时水流与颗粒滤料间的速度梯度产生水力剪切作用。在搓洗和水流剪切力的共同作用下，核桃壳表面包裹物剥离并获得有效清洗。在离心力作用下包裹物和滤料颗粒分离，密度小的包裹物和油类污染物沿内侧运动随水流排除，密度大的滤料沿外侧运动形成内循环流动，实现污物与滤料颗粒的分离和漂洗。

图3　轴向反冲洗过滤器结构

1.3分析方法

1.3.1悬浮物含量和含油量测定

水样悬浮物含量采用质量法测定（Q/SY DQ1281—2009），水样含油量采用石油醚萃取分光光度法测定（SY/T0530—2011）。

1.3.2核桃壳滤料油量测定

（1）滤料石油醚萃取。将核桃壳滤料装入250mL磨口锥形瓶内，加入石油醚、100mL蒸馏水和体积比1∶1盐酸5～10mL，轻轻摇动锥形瓶使气体反应完全，然后将锥形瓶盖紧放置于振荡器内振荡30～60min，直至萃取完全。

（2）萃取液含油量测定。利用石油醚萃取分光光度法 （SY/T0530—2011）测定萃取液吸光度（A）并记录。

（3）核桃壳烘干称重。将萃取完全的核桃壳滤料，放置于105±1℃鼓风干燥箱中干燥2h至恒重，利用天平称量其质量（m）并记录。

（4）每克核桃壳滤料含油量 ξ。每克核桃壳滤料含油量由公式计算，其中， A为被测萃取液吸光度；v为石油醚体积（mL）；n为稀释倍数；k为吸光系数；x为核桃壳滤料干重（g）。

2　二元污水过滤试验结果及分析

2.1过滤速度和过滤精度关系

过滤速度为单位时间通过单位过滤面积的滤液体积[6]，与污水悬浮物含量及分布、污水黏度、滤料级配等因素有关。考察了不同滤速单层滤床的过滤精度，结果见表2。

表2　不同过滤速度滤床过滤精度

从表2可以看出，随着过滤速度增大悬浮物过滤精度降低，过滤速度8m/h时油和悬浮物去除率分别为85.5%和58.8%，这是因为过滤速度高时水流剪切力大，污物穿透作用增强，过滤效能降低。

2.2滤床结构对过滤效能影响

在过滤速度为8.0m/h时，考察核桃壳单滤层和核桃壳/均质石英砂双滤层的过滤作用，并与现场两级过滤工艺进行对比，进而评价轴向动态反冲洗法中试装置的过滤效能，研究利用进出水污染物去除率来表征过滤效能。

2.2.1核桃壳单滤层过滤效能

试验核桃壳滤层高度为1.2m，过滤对比结果如图4和图5所示。

图4　核桃壳单滤层油去除效能对比

图5　核桃壳单滤层悬浮物去除效能对比

从图4、图5可以看出，试验周期内进水含油量和悬浮物量平均值为12.02和79.32mg/L，其出水含油量和悬浮物含量平均值为1.91和32.77mg/L，油和悬浮物平均去除率为83.86%和58.78%。现场两级过滤工艺出水含油量和悬浮物含量平均为4.01 和51.99mg/L，油和悬浮物平均去除率为65.96%和34.48%，较试验装置低17.9%和24.3%。这主要是轴向动态反冲洗技术滤料间有效碰撞和摩擦作用使滤料再生彻底，滤料颗粒粘附、筛分和深床过滤作用发挥充分，使过滤效率提高[7-9]。

2.2.2核桃壳/均质石英砂双滤层过滤效能

试验核桃壳滤层0.8m、均质石英砂滤层0.4m。从双滤层油去除效能对比和双滤层悬浮物去除效能对比可以看出，试验周期内含油量和悬浮物含量进水平均值为10.04和 110.74mg/L，出水平均值为2.63和37.63mg/L，去除率为71.12%和65.71%。而现有两级过滤工艺出水含油量和悬浮物含量平均值为3.78和70.42mg/L，油和悬浮物平均去除率为58.33%和36.2%，较试验装置低12.79%和29.5%。同时采用核桃壳/均质石英砂双滤层较单核桃壳滤层悬浮物去除率提高6.93%，双滤层显示出较好的悬浮物去除效能。

2.2.3滤料过滤阻力损失特性

试验考察过滤速度为8m/h时，双滤床滤层阻力损失特性。从双滤层阻力损失关系曲线可以看出，双滤层阻力呈现出过滤前期增加缓慢、后期增加较快的变化趋势。其初始过滤阻力损失为0.02MPa，运行10.0～12.0h时滤层阻力存在拐点，其后滤层阻力升高较快，过滤18.0h滤层阻力损失为0.20MPa。

2.3滤料反冲洗特性

2.3.1反冲洗强度的确定

通过改变反冲洗水量进而获得不同反冲洗强度，并根据不同反冲洗强度下反冲洗废水瞬时油浓度变化及截留油排除效率确定反冲洗强度[10]。截留油排除效率是在反冲洗历时15min时排除截留油量与总截留油量之比的百分数[11]。试验考察不同反冲洗强度和反冲洗历时的反冲洗废水瞬时油浓度的变化规律，其结果如图6所示。

由图6可看出，不同反冲洗强度，反冲洗废水瞬时油浓度随反冲洗时间具有相同变化趋势，起初急剧增加至最大值，然后呈指数趋势下降并逐渐达到稳定状态。在反冲洗历时15min时，随着反冲洗强度增加，截留油排除效率增加并达到稳定状态。相对而言，较大反冲洗强度，反冲洗历时15min后反冲洗废水瞬时油浓度低，截留油排除能力增强。

图6　反冲洗废水瞬时油浓度和反冲洗时间关系曲线

反冲洗强度为8.8L/（s·m2）时，截留油排除率为95.96%；当反冲洗强度大于8.8L/（s·m2）时，截留油排除率为96.12%～96.23%，提高幅度有限。说明反冲洗强度为8.8L/（s·m2）时，核桃壳滤料已经获得良好的反冲洗效果。

2.3.2滤料反洗再生效果

通过试验测定反冲洗前后滤床表层核桃壳滤料含油量，进而考察滤料反洗再生效果，结果见表3。

表3　核桃壳清洗效果

从表3可以看出，反冲洗前后核桃壳含油量变化明显，含油去除率高达98.8%以上。这主要是轴向动态反冲洗技术的高效搓洗作用对吸附于核桃壳表面的油类进行洗脱分离，使核桃壳含油量大大降低，并有效恢复了核桃壳滤料的优良过滤性能。

3　结论

（1）轴向动态反冲洗技术对二元污水具有较好的适应性。过滤速度8m/h时，油和悬浮物平均去除率为83.86%和58.78%，过滤周期18～24h时滤床阻力为0.2MPa。

（2）核桃壳/均质石英砂双滤层和核桃壳单滤层油去除效能基本相当，双滤层去除悬浮物能力强，较单滤层悬浮物去除率提高6.93%。

（3）当反冲洗强度为8.8L/（s·m2）和反冲洗时间为15min时，截留油排除率为95.96%，核桃壳含油量去除率98.8%以上，核桃壳滤料获得有效反冲洗再生。

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（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.006

基金论文：黑龙江省科技厅应用技术研究与开发计划项目（Gc13c305）、黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541062）、黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目（1254CGZH12）、东北石油大学培育基金项目（XN2014108）、中石油和化学工业联合会科技指导计划项目（2014-01-07）和大庆油田公司现场科学试验项目资助。

2015-03-25