油田聚合物驱污水滤床结构和过滤效能特性研究

孙超， 赵宇， 马骏， 何亚其， 李可， 于忠臣， 尹鹏

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司， 天津 300452； 2.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318； 3.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452）

随着油田开发在精细化纵深方向的发展， 特别是聚合物注入技术在油田的推广应用， 导致油田采出液中聚合物浓度不断增大、 油水乳化液稳定性增强［1-2］， 使得油田现有级配滤床对油和悬浮物的去除能力降低［3］， 难以达到油田回注水标准［4］， 探索一种新型滤床结构已经成为油田生产中需着力解决的问题之一。 研究借鉴城市水处理中无烟煤／石英砂双滤床过滤技术的理念， 基于核桃壳滤料优良的除油性能［5-6］， 利用核桃壳滤床替代无烟煤滤床，建立了核桃壳／石英砂新型滤床结构［7］， 探讨不同滤床结构及其耦合作用对过滤效能的影响， 为油田聚合物驱污水的高效处理提供理论支持和技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由轴向动态反冲洗过滤装置、 水箱、潜水泵、 转子流量计和反冲洗控制系统等构成。 轴向动态反冲洗过滤装置尺寸为D 0.4 m×2.6 m， 装填核桃壳滤料A 和石英砂滤料B 组成双滤床结构，其结构如图1 所示。

图1 双滤床结构示意Fig.1 Structure of dual-media filter bed

含油污水经轴向动态反冲洗过滤装置过滤后进入水箱。 当过滤运行24 h 后， 利用轴向动态反冲洗技术［8-9］反冲洗再生滤床， 反冲洗废水排入回收水池。

1.2 试验水质

试验在大庆油田某聚合物驱污水站内开展， 其水质情况如表1 所示。

表1 现场试验水质情况Tab. 1 Water quality in field test

1.3 试验方法

通过单滤床结构单因素试验， 考察滤料粒径D、 滤层厚度L 和过滤速度v 对滤床过滤效能的影响。 通过多因素正交试验， 建立滤床结构对过滤效能的影响规律。 在此基础上考察双滤床结构耦合对过滤效能的影响， 最后通过双滤床对高浓度聚合物过滤效能试验进一步验证。 试验通过考察油和悬浮物去除率来评价滤床过滤效能。

1.4 分析方法

水样悬浮物含量采用重量法测定（Q／SY DQ 1281—2009）； 水样含油量采用石油醚萃取分光光度法测定（SY／T 0530—2011）。 粒径分布采用英国马尔文Mastersizer3000 型激光粒度分析仪分析。

2 结果与讨论

2.1 滤床结构及滤速对过滤效能影响

相同工况条件下， 影响颗粒滤床过滤效能主要因素有滤床结构（滤层厚度L、 滤料粒径D 和L／D值）、 过滤速度、 滤料组成等。 滤床结构影响单位滤层所提供的表面积及其响应行为， 过滤速度影响滤床水流剪切力及污染物穿透深度。

2.1.1 滤料粒径对过滤效能影响

在石英砂单滤层厚度为650 mm 和过滤速度为8 m／h 的条 件 下， 考 察 不同滤 料 粒径D（0.30 ～0.50、 0.50 ～0.80 和0.80 ～1.20 mm）对油和悬浮物去除效能变化规律， 结果如图2、 图3 所示。

从图2 和图3 可以看出， 相同试验条件下， 滤料粒径越小， 对油和悬浮物的去除效能越高。 这主要是因为当滤料粒径较大时， 滤床孔隙较大， 滤床过滤筛分作用较弱， 颗粒去除主要依靠滤料表面的迁移和黏附作用； 而小粒径滤床， 滤床孔隙小， 滤床依靠机械筛分作用更有效。 另外， 小粒径滤床的滤料比表面积呈指数增大， 同体积滤床小粒径滤料提供较大比表面积， 滤料表面迁移和黏附作用发挥更充分， 因此小粒径滤床的油和悬浮物去除效能较好［10－12］。

图2 滤料粒径对油去除效能影响Fig.2 Effect of particle media size on oil removal

图3 滤料粒径对悬浮物去除效能影响Fig.3 Effect of particle media size on suspend solid removal

2.1.2 滤层厚度和滤料粒径对过滤效能影响

深床过滤是水中颗粒物与滤料颗粒黏附和脱落的动态过程， 颗粒物逐渐地从上层滤床脱落， 穿过滤料孔隙向下层滤床迁移， 被下层滤料颗粒捕获或黏附。 因此增加滤层厚度， 可以增加滤料表面与水中颗粒物的接触机会， 减少颗粒物穿透滤床的机会， 提高水中颗粒物的去除效率， 并可以均衡滤料粒径增大带来的影响。 保持过滤速度为8 m／h， 考察不同滤料粒径D（0.30 ～0.50、 0.50 ～0.80 和0.80 ～1.20 mm）及不同滤层厚度L（400、 650 和1 000 mm）条件， 探讨滤层厚度L、 滤料粒径D 和L／D 值对油和悬浮物去除效能的影响， 结果如表2 所示。

从表2 可以看出， 滤层厚度和滤料粒径对油和悬浮物去除效能影响较大。 相同粒径滤床， 增加滤层厚度过滤效能提高。 粒径为0.50 ～0.80 mm 和0.80 ～1.20 mm 结构滤床， 当L／D 值为1 000 时，油和悬浮物去除率基本相同， 因此对大粒径滤床，须满足L／D 值 为1 000 的条件［13］； 而 对 于 粒 径 为0.30 ～0.50 mm 滤床， 滤层厚度为650 mm 时才具有较高去除率， 因此小粒径结构滤床， 须满足最小厚度为650 mm 的条件。

表2 滤床L 及L/D 值对过滤效能影响Tab. 2 Effect of L and L/D value on filtration efficiency of filter bed

滤床L／D 值衡量滤床所提供比表面积的大小，增加L／D 值时， 滤床沉淀和筛分等作用机制增强，滤床过滤效能提高。 滤床截留作用是分层级的， 每层滤料对悬浮物均有截留作用。 滤床上层截留悬浮物受水流剪切作用向下移动， 滤床下层依次发挥其过滤能力［14－16］。 当滤层厚度较小时， 截留悬浮物穿透滤床， 导致油和悬浮物去除效能下降。 根据Stanley 滤料粒径与穿透深度关系［17］， 相同滤床结构、 过滤速度和水质条件， 悬浮物穿透滤床深度是一定的， 其穿透深度即为滤层理论厚度的极小值。当滤层厚度小于其临界厚度时， 悬浮颗粒易穿透滤床， 导致滤床去除率降低。

2.1.3 过滤速度对过滤效能影响

试验考察滤料粒径为0.30 ～0.50 mm， 滤层厚度为650 mm， 过滤速度分别为8、 10、 12 和14 m／h 时滤床对油和悬浮物的去除效能， 结果如图4所示。

图4 不同过滤速度对滤床过滤效能影响Fig.4 Effect of filtration speed on filtration efficiency

从图4 可以看出， 相同滤床结构， 随着过滤速度的增大， 油和悬浮物去除效能呈线性递减规律。这主要是因为过滤速度大， 水流剪切力大， 减轻了油和悬浮物向滤床的截留或沉积作用［18］。

2.2 单滤床正交试验结果

正交试验考察的因素为滤料粒径、 L／D 值和过滤速度3 个因素， 每个因素有3 个水平取值。 正交试验条件及结果如表3 所示。

表3 正交试验条件及结果分析Tab. 3 Orthogonal test condition and results analysis

由表3 可以看出， 根据极差值分析， 滤料粒径、 L／D 值和过滤速度对滤床过滤效能均有不同程度影响， L／D 值和过滤速度对滤床油和悬浮物去除效能影响较大， 其规律是L／D 值＞过滤速度＞滤料粒径。 滤料粒径为0.30 ～0.50 mm， 须满足滤床厚度为650 mm 的条件； 粒径为0.50 ～0.80 mm 结构滤床， 须满足L／D 值为1 000 的条件。

2.3 双滤床过滤效能及分析

根据单因素试验结果， 在聚合物质量浓度为200 ～300 mg／L 和过滤速度为12 m／h 时， 考察粒径 为0.80 ～1.20 mm 核 桃 壳 和 粒 径 为0.30 ～0.50 mm 石英砂组成的双滤床在不同高度组合（分别为900／400、 700／550、 600／750 和950／750 mm）时油和悬浮物的去除率， 以分析滤床结构变化及其耦合作用对过滤效能的影响［19］， 结果如图5 所示。

图5 滤床结构及耦合作用对滤床过滤效能影响Fig.5 Effect of filter bed structure and coupling on filtration efficiency

从图5 可以看出， 增加核桃壳滤层厚度， 有利于提高油过滤效率， 同时增加石英砂滤层厚度， 有利于提高悬浮物过滤效率。 在满足最小滤层厚度条件下， 提高石英砂滤层厚度与悬浮物去除率的增长呈非线性规律。

3 高浓度聚合物条件下双滤床过滤效能

采用核桃壳和石英砂构建双滤床， 其核桃壳滤料粒径为0.80 ～1.20 mm 和滤层厚度为950 mm，石英砂滤料粒径为0.30 ～0.50 mm 和滤层厚度为750 mm， 在聚合物质量浓度为350 ～400 mg／L 和过滤速度为12 m／h 时， 考察油和悬浮物的去除率变化规律， 验证双滤床结构对聚合物浓度变化的适应性， 其结果如图6 和图7 所示。

从图6 和图7 可以看出， 高含聚合物条件下，核桃壳／石英砂双滤床具有较好的油和悬浮物去除效能， 聚合物浓度对过滤效能影响较小。 进水的油平均质量浓度为43.3 mg／L， 出水的油平均质量浓度为1.8 mg／L， 平均去除率为95.8%。 进水的悬浮物平均质量浓度为48.2 mg／L， 出水的悬浮物平均质量浓度分别为10.3 mg／L， 平均去除率为78.3%。

图6 核桃壳／石英砂双滤床对油的过滤效能Fig.6 Filtration efficiency of oil by walnut shell/quartz sand dual-media filter bed

图7 核桃壳／石英砂双滤床对悬浮物的过滤效能Fig.7 Filtration efficiency of SS by walnut shell/quartz sand dual-media filter bed

双滤床进出水颗粒粒径分布， 如图8 所示。

图8 过滤进出水粒径分布Fig.8 Particle size distribution of influent and effluent water during filtration

从图8 可以看出， 进水油和悬浮物粒径分布范围较广， 主要集中分布区间为0.1 ～50.0 μm， 其中20.0 μm 以下颗粒占42.7%， 50.0 μm 以下颗粒占84.9%。 核桃壳／石英砂双滤床出水油和悬浮物2.0 μm 以上颗粒去除率为100.0%， 1.0 μm 以上颗粒去除率为98.1%。

4 结论

（1） 单滤床研究结果表明： L／D 值对滤床过滤效能影响最大， 过滤速度和滤料粒径影响次之， 呈L／D 值＞过滤速度＞滤料粒径递减规律。 小粒径结构滤床要满足最小临界厚度为650 mm； 大粒径结构滤床要满足L／D ＝1 000 临界条件； 过滤速度对过滤效能影响呈线性递减规律。

（2） 采用核桃壳和石英砂构建双滤床， 其核桃壳滤料粒径为0.80 ～1.20 mm 和滤层厚度为950 mm， 石英砂滤料粒径为0.30 ～0.50 mm 和滤层厚度为750 mm， 对聚合物浓度具有较好适应性。 聚合物质量浓度为350 ～400 mg／L 和过滤速度为12 m／h 时， 油和悬浮物去除率分别为94.3% 和78.3%以上， 且2.0 μm 以上颗粒去除率为100.0%， 1.0 μm 以上颗粒去除率为98.1%。

（3） 双滤床耦合有利于提高油和悬浮物去除效能， 增加核桃壳和石英砂滤层厚度， 分别有利于提高油和悬浮物去除效率。 提高石英砂滤层厚度， 悬浮物去除率呈现非线性增大的规律。