摘要：針對(duì)石英砂過(guò)濾工藝不適應(yīng)目前采出水水質(zhì)特性，出現(xiàn)濾料流失、污染和結(jié)構(gòu)損壞等問(wèn)題，開展濾料流失機(jī)理及改進(jìn)技術(shù)研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立并優(yōu)化濾料反沖洗膨脹高度和濾料密度與反沖洗強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步優(yōu)化反沖洗模型，研究濾料板結(jié)形成的機(jī)理、成因及與污染物（聚合物、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、油雜）的定量關(guān)系；分析濾料板結(jié)程度對(duì)反沖洗膨脹高度的影響，確定濾料流失機(jī)理并進(jìn)行改進(jìn)措施技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)考核。

1、問(wèn)題的提出

目前，石英砂過(guò)濾工藝不適應(yīng)油田采出污水水質(zhì)特性的變化，出現(xiàn)濾料流失、污染、結(jié)構(gòu)損壞等問(wèn)題。濾料流失相對(duì)降低了濾料層的高度，降低了過(guò)濾效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006-2009年薩北石英砂過(guò)濾罐累計(jì)開罐468臺(tái)次，其中濾料流失的濾罐92座，占總數(shù)的19.7%，補(bǔ)充石英砂濾料1076噸。

污水處理過(guò)濾工藝研究主要集中在新型濾料的選擇、新型過(guò)濾設(shè)備開發(fā)以及工程應(yīng)用，對(duì)于濾料流失機(jī)理方面在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的技術(shù)可以借鑒。關(guān)注較多的問(wèn)題在于濾料流失現(xiàn)象和流失問(wèn)題的解決，如采用篩筐包網(wǎng)技術(shù)等，雖然在一定時(shí)間內(nèi)降低了濾料的流失，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料流失的問(wèn)題仍會(huì)重現(xiàn)。因此尋求濾料流失的機(jī)理，從而提出適合的技術(shù)來(lái)解決濾料流失問(wèn)題對(duì)于過(guò)濾工藝運(yùn)行有著重要的意義。

為了能夠有效、直觀地觀察石英砂濾料流失的方式，同時(shí)通過(guò)測(cè)定參數(shù)研究濾料流失的機(jī)理，在大慶油田聚北十六污水站開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。制作直徑為0.3m、高度2.5m有機(jī)玻璃柱，內(nèi)置礫石和填料，高度1.2m。過(guò)濾時(shí)觀察濾料截留污染物和濾料污染的變化過(guò)程，研究反沖洗強(qiáng)度和反沖洗膨脹高度與濾料密度之間的關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中控制流體的雷諾數(shù)，使過(guò)濾器具有與現(xiàn)場(chǎng)相同的流態(tài)條件。

2、濾料流失機(jī)理研究

2.1 反沖洗數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化

根據(jù)一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)及計(jì)算，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)反沖洗數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，得

式中Usexp為反沖洗強(qiáng)度(L/(m²·s)) ；s為濾層膨脹前孔隙率；L為膨脹后濾層高度(m)；ρw為水的密度(kg/m³)；L0為原濾層高度(m)；μ為動(dòng)力黏度(Pa·s)；Du為濾料直徑(mm)。

從上式可見(jiàn)，隨著含油量的增加，濾料的密度降低，其膨脹高度增加。以目前油田反沖洗強(qiáng)度為16L/(m²·s)計(jì)算，較大含油量?jī)H為150mg/g，其反沖洗膨脹高度僅為1220mm，膨脹率52.5%、模擬石英砂濾罐中濾料的膨脹空間為2m，因此不會(huì)出現(xiàn)跑料現(xiàn)象。隨著過(guò)濾過(guò)程進(jìn)行，濾料表層黏附了一定的污染物質(zhì)，濾料密度發(fā)生了一定的變化，因此其反沖洗膨脹高度發(fā)生了變化；但是其密度變化范圍較小，在反沖洗強(qiáng)度一定的條件下，主體濾料密度變化較小，其膨脹高度依然在理論計(jì)算值范圍之內(nèi)，只有當(dāng)濾料的含油量達(dá)到700mg/g以上，密度降低到1.1X10³kg/m才能出現(xiàn)濾料跑料現(xiàn)象。

2.2 石英砂濾罐現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證反沖洗模型和流失機(jī)理與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的吻合程度，了解現(xiàn)場(chǎng)濾罐的運(yùn)行情況，對(duì)北十六污水站、北十五污水站石英砂濾料反沖洗后進(jìn)行分層取樣分析。取樣層位分別為表層，30、50、 100、150、200、300和400mm，對(duì)其密度、含油量、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量以及聚合物含量進(jìn)行了分析，其結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

從圖1、圖2可見(jiàn)，隨著取樣層位的加深，各個(gè)站濾料的含油量，以及聚合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量都在降低，以表層100mm范圍內(nèi)污染嚴(yán)重，符合石英砂依靠表層過(guò)濾的性質(zhì)。其濾料密度與含油量也存在一定的關(guān)系，油含量越高，則密度越小，計(jì)算密度與實(shí)測(cè)密度相比，相對(duì)誤差≤5%。根據(jù)優(yōu)化后反沖洗模型，推導(dǎo)濾料膨脹率在50%-60%之間，不可能出現(xiàn)流失，但實(shí)際上目前該站存在濾料流失的現(xiàn)象。這說(shuō)明造成濾料流失的根本原因在于濾料形成板結(jié)塊，在反沖洗過(guò)程中以塊狀濾料的形式流失。

3、改進(jìn)措施及效果

北三西污水試驗(yàn)站投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，采用沉降+兩級(jí)壓力過(guò)濾流程，其中二級(jí)過(guò)濾采用石英砂過(guò)濾器。在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)石英砂過(guò)濾器反沖洗憋壓，而且濾料流失嚴(yán)重，每年都要補(bǔ)1/3濾料。改造方案是通過(guò)增設(shè)攪拌槳裝置，增加濾料之間的摩擦，破壞濾料的板結(jié)層，使濾料上的油污及懸浮物與濾料剝離。這樣可降低濾料的膨脹率，保證反沖洗效果，從而提高過(guò)濾出水水質(zhì)。

3.1 反沖洗參數(shù)的選擇

（1）攪拌槳轉(zhuǎn)速的確定

在石英砂過(guò)濾器反洗強(qiáng)度為7L/m²·s，濾料攪拌時(shí)間為5min的條件下，對(duì)葉片攪拌轉(zhuǎn)速與石英砂過(guò)濾器的濾料反洗效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在開始增加葉片轉(zhuǎn)速時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的增加反洗效果有較大的改善；隨后，轉(zhuǎn)速再繼續(xù)增加時(shí)，濾料反洗效果改善的程度逐漸放慢。在較佳反沖洗效果下，石英砂過(guò)濾器的轉(zhuǎn)速在50-70r/min，增加100r/min以后，與前面相比濾料的反洗效果反而變差。分析原因認(rèn)為，起初轉(zhuǎn)速的增加可以加強(qiáng)顆粒與槳葉間的碰撞以及固體顆粒的擾動(dòng)強(qiáng)度，從而增加了濾料顆粒的碰撞摩擦作用，因此濾料的反洗效果隨轉(zhuǎn)速的增加有所改善；但是轉(zhuǎn)速過(guò)大，加大濾料的碰撞作用力，易導(dǎo)致濾料破碎，影響反沖洗效果。

（2）反沖洗時(shí)間的確定

根據(jù)反沖洗出水的懸浮固體變化，石英砂過(guò)濾器在反沖洗18min以后的出水含懸浮物和油濃度都很小，因此石英砂過(guò)濾器反沖洗時(shí)間應(yīng)小于18min。

3.2 改造效果

改造罐投入生產(chǎn)后，按照上述反沖洗運(yùn)行方式運(yùn)行。改造后石英砂濾后水含油量由24.3mg/L下降為8.9mg/L，懸浮物含量由32.5mg/L下降為15.7mg/L，去除率與改造前相比分別提高10%和50%；同時(shí)反沖洗流量穩(wěn)定在450-500m³/h，反沖洗壓力在0.18-0.22MPa之間。

4、結(jié)語(yǔ)

（1）石英砂濾料反沖洗數(shù)學(xué)模型優(yōu)化后符合目前水質(zhì)特性條件下的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際。

（2）造成濾料流失的根本原因在于濾料板結(jié)成塊之后以堆積形式存在，在反沖洗過(guò)程中流失。隨著過(guò)濾過(guò)程進(jìn)行，濾料表層黏附污染物質(zhì)導(dǎo)致濾料密度降低，其密度降低至1.1×10³kg/m³以下出現(xiàn)流失現(xiàn)象。

（3）濾料板結(jié)形成與濾料黏附的油污雜質(zhì)（聚合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)）存在一定關(guān)系，反沖洗無(wú)法將這些污染物從濾料上脫附下來(lái)，并且濾料表層聚合物量隨著反沖洗有增高的趨勢(shì)。板結(jié)層出現(xiàn)的高度范圍在濾料表層80-100mm范圍內(nèi)，當(dāng)濾料含油量超過(guò)25mg/L以上時(shí)濾料發(fā)生板結(jié)。

（4）可采用變強(qiáng)度反沖洗和機(jī)械攪拌相結(jié)合的方式破壞板結(jié)層。通過(guò)北三西污水站運(yùn)行效果考核，采用該方式改造后的過(guò)濾罐保證了反沖洗效果，改善了濾后水質(zhì)。