油田含油污水高效过滤器的设计与试验

青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061

1 研究背景

目前，我国多数油田已进入石油开采中后期，原油含水率逐年上升，原有含油污水处理工艺己经不能满足日益复杂的含油污水处理要求［1-3］。过滤技术凭借自身成熟的工艺与简单的操作性，仍是目前油田含油污水处理应用最为广泛的技术之一。但是，随着含油污水成分趋于复杂，由于常规过滤材料比表面积小、非极性弱、吸油率低、易板结与流失等问题，传统过滤器对于油田含油污水的处理效率急待提高［7-8］。

随着现代工业技术的不断发展，高分子材料开始应用于污水处理领域［9］，笔者选用聚氨酯改性材料作为滤料，基于机械设计系统理论基础设计了油田含油污水高效过滤器，运用数字化电子计算机断层扫描技术分析材料孔隙结构，搭建现场试验装置并在胜利油田河口采油厂开展过滤器过滤性能检测试验，为油田含油污水过滤器研究提供参考依据。

2 油田含油污水高效过滤器设计

2.1 新型多孔滤料

过滤器的滤料选用聚氨酯材料，通过聚多巴胺粘合剂将被还原的石墨烯氧化物涂覆在材料表层，然后再由聚十二烷基胺官能化获得木质素基聚氨酯改性材料。通过改性处理，调整了材料内部孔隙结构，并改变了材料表面润湿效果，以提高材料对水中油分的吸附和选择性，最终增强了材料的截污能力，有利于水中油分及悬浮物的去除。

2.2 过滤器结构

油田含油污水高效过滤器结构如图1所示。木质素基聚氨酯改性材料填充在筒体内部，筒体内部上下分别安装透水性滤料拦截板，以避免滤料流失。当过滤器工作时，根据不同过滤精度或系统内部压降要求，可设置不同的压紧量以改变孔隙度。含油污水从污水进口进入，通过滤料拦截板进入罐内。滤料通过直接拦截和表面吸附等机理以除去水中含油及悬浮物颗粒，而后从净水出口流出。过滤器顶部开设集油器接口，裙式支座除了起到固定安装的作用外，还可以实现过滤器的撬装设计。在运行过程中，可以对过滤器罐体内部压力进行实时监控。当压力值过大时，可通过排气口缓解工作压力，以减小内部流动阻力。运行一段时间后，需对过滤器进行反冲洗，以除去滤料内部储存的杂质，保证处理效率。反冲洗水从下方排污口排出。

▲图1 油田含油污水高效过滤器结构

3 试验流程

3.1 材料结构特性

运用NanoVoxel-2702系列X射线三维显微镜，X射线扫描锥面光束设置为150 keV，光束电流为33 μA。X射线从不同角度穿透样件的过程中，被不同程度吸收，探测器接收后经过信号处理生成灰度图像。经过降噪、阈值设置，以及颜色转换和图像切割，得到滤料内部复杂结构的高分辨率三维数字图像，可以对材料内部的微观结构进行亚微米尺度上的数字化三维表征。通过孔隙半径和孔喉比，可以对材料内部复杂的孔隙结构进行一定程度上的了解。

3.2 过滤器性能试验

为了验证油田含油污水高效过滤器的使用性能，在胜利油田河口采油厂进行性能试验。利用已建站水管网来水对过滤器进行试验研究，试验装置如图2所示。

油田现有污水处理工艺流程为二级式过滤，即污水经过核桃壳过滤器和石英砂过滤器两次过滤。为实现效果对比，试验工艺流程中第二级过滤采用高效过滤器进行处理，如图3中虚线所示。试验环境温度为14℃，水温为46℃，反冲洗周期大于120 h，反冲洗时间为30 min，测试进行10 d，每天取样4次，分别对水质进行检测，并取平均值计入数据。

4 试验结果与分析

4.1 滤料结构特性

运用计算机断层扫描技术对木质素基聚氨酯改性材料内部孔隙结构特性进行分析，得到三维表征数据，如图4所示。

▲图2 试验装置

▲图3 工艺流程

如图4（a）所示，根据材料孔隙半径的概率分布可知，孔隙半径较多分布在100～130 μm之间，其中110 μm的概率分布最大，为5.44%。同理，由图4（b）可知，材料孔喉比较多集中分布在1.7～2.4之间，其中2.143的分布概率为1.42%，是孔喉比分布的最大概率。孔径作为多孔材料的重要性质，对材料的透过性、渗透速率及过滤性能具有显著影响［10］，复杂的孔隙结构在保证出水标准的同时提高了渗透率。材料的孔喉比与其驱油效率成反比，孔喉比较小，对应的驱油效率较高，可见材料具有一定的驱油效果。孔隙半径与喉道半径均处于较小级别，油质在材料内部的渗流能力较弱，利于污水处理过程中油分的去除。

4.2 装置过滤性能

运用油田含油污水高效过滤器进行性能测试，得到一次来水水质及处理后水质试验数据，如图5、图6所示。

由图5可知，过滤前油田污水悬浮物平均含量为17.96 mg/L，油田含油污水高效过滤器出水悬浮物平均含量为2.28 mg/L，平均悬浮物去除率为87.31%；常规石英砂过滤器出水悬浮物平均含量为5.87 mg/L，平均悬浮物去除率为67.32%；油田含油污水高效过滤器悬浮物的去除率高出常规石英砂过滤器近20个百分点。由图6可知，一次来水平均含油量约为4.81 mg/L，经过处理，油田含油污水高效过滤器出水平均含油率为0.68 mg/L，平均含油去除率高达85.85%；而常规石英砂过滤器出水平均含油量为1.71 mg/L，平均含油去除率为64.50%。

▲图4 滤料结构特性

▲图5 悬浮物处理效果

▲图6 含油处理效果

由图5和图6可以看出，无论是悬浮物还是水中含油，运用油田含油污水高效过滤器得到的曲线均比常规过滤器平缓，处理效率高于常规石英砂过滤器近20个百分点，并且随着试验的进行，常规石英砂过滤器处理的水质逐渐下降，过滤后水质悬浮物含量和含油量逐渐增大，而油田含油污水高效过滤器处理的水质无明显变化，说明油田含油污水高效过滤器的反冲洗周期更长，稳定性更高，处理后的水质悬浮物含量<3 mg/L，含油量<1 mg/L，满足 GB 8978—1996《污水综合排放标准》［11］。

5 结论

运用数字化计算机断层扫描技术对木质素基聚氨酯改性材料进行结构特性分析，发现材料内部具有丰富的孔隙结构，孔隙半径为110 μm、孔喉比为2.143的分布概率最大。

通过现场性能试验，笔者设计的油田含油污水高效过滤器处理水质悬浮物含量低于3 mg/L，含油量低于1 mg/L，水质满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》，可应用于油田污水处理。油田含油污水高效过滤器对污水悬浮物及水中含油的处理效率较常规石英砂过滤器高出近20个百分点。

此外，聚氨酯改性材料具有质量轻、重复利用率高的优点，油田含油污水高效过滤器表现出性能稳定、反冲洗周期长、运行费用低等优点，对油田污水的深度处理具有广泛的应用前景。