摘(zhai)要：針對(dui)石英砂過濾工藝不適應目前(qian)采出水(shui)(shui)水(shui)(shui)質特性，出現濾料(liao)流(liu)失(shi)(shi)、污染和結(jie)構損壞等問題(ti)，開展濾料(liao)流(liu)失(shi)(shi)機(ji)理及改(gai)進(jin)技(ji)(ji)術研(yan)究(jiu)(jiu)。通過現場(chang)試驗，建立(li)并(bing)優化濾料(liao)反沖(chong)洗膨脹高度和濾料(liao)密度與反沖(chong)洗強度關系的數學模(mo)型(xing)，并(bing)進(jin)一(yi)步(bu)優化反沖(chong)洗模(mo)型(xing)，研(yan)究(jiu)(jiu)濾料(liao)板(ban)(ban)結(jie)形(xing)成(cheng)的機(ji)理、成(cheng)因(yin)及與污染物（聚合物、瀝青質、膠質、油雜(za)）的定(ding)量關系；分析(xi)濾料(liao)板(ban)(ban)結(jie)程度對(dui)反沖(chong)洗膨脹高度的影響(xiang)，確(que)定(ding)濾料(liao)流(liu)失(shi)(shi)機(ji)理并(bing)進(jin)行改(gai)進(jin)措施技(ji)(ji)術研(yan)究(jiu)(jiu)及現場(chang)考核。

1、問題(ti)的提出

目前，石英砂過濾工藝不適應油田采出污水水質特性的變化，出現濾料流失、污染、結構損壞等問題。濾料流失相對降低了濾料層的高度，降低了過濾效果。據統計，2006-2009年薩北石英砂過濾罐累計開罐468臺次，其中濾料流失的濾罐92座，占總數的19.7%，補充石英砂濾料1076噸。

污水處(chu)理過(guo)濾(lv)工(gong)藝研究主要集(ji)中在(zai)新型濾(lv)料的(de)(de)(de)選(xuan)擇、新型過(guo)濾(lv)設備開發以(yi)及工(gong)程應(ying)用(yong)，對(dui)于濾(lv)料流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)機理方面(mian)在(zai)國內外還沒(mei)有成(cheng)熟的(de)(de)(de)技術可以(yi)借(jie)鑒。關注較多的(de)(de)(de)問題在(zai)于濾(lv)料流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)現象和流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)問題的(de)(de)(de)解決(jue)(jue)，如(ru)采用(yong)篩筐包網(wang)技術等，雖然在(zai)一定時間內降低了濾(lv)料的(de)(de)(de)流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)，但(dan)是(shi)隨(sui)著運(yun)行時間的(de)(de)(de)延長(chang)，濾(lv)料流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)問題仍會重現。因此尋求濾(lv)料流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)機理，從而提(ti)出適合的(de)(de)(de)技術來(lai)解決(jue)(jue)濾(lv)料流(liu)(liu)失(shi)(shi)(shi)問題對(dui)于過(guo)濾(lv)工(gong)藝運(yun)行有著重要的(de)(de)(de)意(yi)義。

為(wei)了能夠有(you)效、直(zhi)觀地觀察(cha)石(shi)英砂濾(lv)料(liao)流失(shi)的(de)(de)方式(shi)，同時通過(guo)測(ce)定參數研(yan)究(jiu)濾(lv)料(liao)流失(shi)的(de)(de)機理，在大慶油田聚北十六污水站開展了現場(chang)(chang)試(shi)驗研(yan)究(jiu)。制(zhi)(zhi)作直(zhi)徑為(wei)0.3m、高(gao)度2.5m有(you)機玻璃柱(zhu)，內置礫石(shi)和填料(liao)，高(gao)度1.2m。過(guo)濾(lv)時觀察(cha)濾(lv)料(liao)截(jie)留污染物和濾(lv)料(liao)污染的(de)(de)變化過(guo)程，研(yan)究(jiu)反(fan)沖洗(xi)強度和反(fan)沖洗(xi)膨脹(zhang)高(gao)度與(yu)濾(lv)料(liao)密(mi)度之間(jian)的(de)(de)關系。試(shi)驗過(guo)程中控制(zhi)(zhi)流體(ti)的(de)(de)雷諾數，使過(guo)濾(lv)器具有(you)與(yu)現場(chang)(chang)相同的(de)(de)流態(tai)條件。

2、濾料流(liu)失機(ji)理研(yan)究(jiu)

2.1 反沖洗數學模型的優化(hua)

根據(ju)一系列數學推導及計算，對現場反沖(chong)洗(xi)數學模型進行優化，得

式中Usexp為反沖洗強度(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(wei)(wei)原濾層(ceng)高度(m)；μ為(wei)(wei)動(dong)力黏度(Pa·s)；Du為(wei)(wei)濾料直徑(jing)(mm)。

從上式可見，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度為16L/(m²·s)計算，較大含油量僅為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，因此不會出現跑料現象。隨著過濾過程進行，濾料表層黏附了一定的污染物質，濾料密度發生了一定的變化，因此其反沖洗膨脹高度發生了變化；但是其密度變化范圍較小，在反沖洗強度一定的條件下，主體濾料密度變化較小，其膨脹高度依然在理論計算值范圍之內，只有當濾料的含油量達到700mg/g以上，密度降低到1.1X10³kg/m才(cai)能出現濾料(liao)跑料(liao)現象。

2.2 石英(ying)砂濾罐現場運行情況分析

為了(le)進(jin)一步驗(yan)證反(fan)沖洗模型和(he)流失機理(li)與(yu)現場(chang)運(yun)行的(de)(de)吻合(he)程(cheng)度，了(le)解現場(chang)濾罐(guan)的(de)(de)運(yun)行情況，對(dui)(dui)北十六污水站(zhan)、北十五污水站(zhan)石(shi)英(ying)砂濾料反(fan)沖洗后(hou)進(jin)行分層(ceng)(ceng)取樣分析(xi)。取樣層(ceng)(ceng)位分別為表層(ceng)(ceng)，30、50、 100、150、200、300和(he)400mm，對(dui)(dui)其密度、含油量(liang)(liang)、膠質和(he)瀝青質含量(liang)(liang)以及聚合(he)物含量(liang)(liang)進(jin)行了(le)分析(xi)，其結果見(jian)圖1、圖2。

從(cong)圖(tu)1、圖(tu)2可(ke)見，隨著取(qu)樣層位的(de)加深，各個(ge)站(zhan)濾(lv)料(liao)(liao)的(de)含(han)(han)(han)油(you)(you)量，以(yi)(yi)及聚合物、膠(jiao)質和瀝青質含(han)(han)(han)量都在(zai)降低，以(yi)(yi)表(biao)層100mm范(fan)圍(wei)內污(wu)染嚴重，符合石英(ying)砂依(yi)靠表(biao)層過濾(lv)的(de)性質。其濾(lv)料(liao)(liao)密度與(yu)含(han)(han)(han)油(you)(you)量也存在(zai)一定的(de)關系，油(you)(you)含(han)(han)(han)量越(yue)高，則密度越(yue)小(xiao)，計算密度與(yu)實(shi)測密度相比，相對誤差≤5%。根(gen)據優化后反(fan)沖洗(xi)模型，推導濾(lv)料(liao)(liao)膨脹(zhang)率在(zai)50%-60%之間(jian)，不可(ke)能出現流(liu)失(shi)，但實(shi)際(ji)上目前該(gai)站(zhan)存在(zai)濾(lv)料(liao)(liao)流(liu)失(shi)的(de)現象(xiang)。這說明造(zao)成濾(lv)料(liao)(liao)流(liu)失(shi)的(de)根(gen)本原因在(zai)于(yu)濾(lv)料(liao)(liao)形成板結塊，在(zai)反(fan)沖洗(xi)過程中以(yi)(yi)塊狀(zhuang)濾(lv)料(liao)(liao)的(de)形式流(liu)失(shi)。

3、改進(jin)措施(shi)及效果

北(bei)三(san)西污(wu)水(shui)試驗站投產運行以來，采用沉降+兩級壓(ya)(ya)力過(guo)(guo)濾流程(cheng)，其中(zhong)二級過(guo)(guo)濾采用石英砂過(guo)(guo)濾器。在運行過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，發現石英砂過(guo)(guo)濾器反(fan)沖洗憋壓(ya)(ya)，而且濾料流失嚴重，每年都要補1/3濾料。改造方(fang)案是通(tong)過(guo)(guo)增設攪拌槳裝(zhuang)置，增加濾料之間的摩擦，破壞濾料的板(ban)結層，使濾料上(shang)的油(you)污(wu)及懸浮物與濾料剝離(li)。這樣可(ke)降低(di)濾料的膨脹率，保證反(fan)沖洗效果，從而提(ti)高(gao)過(guo)(guo)濾出水(shui)水(shui)質。

3.1 反沖洗參數的選(xuan)擇

（1）攪(jiao)拌(ban)槳轉速(su)的確(que)定

在石英砂過濾器反洗強度為7L/m²·s，濾(lv)(lv)料攪(jiao)拌時間為(wei)5min的條件(jian)下，對(dui)葉片(pian)攪(jiao)拌轉(zhuan)速與(yu)石英砂(sha)過濾(lv)(lv)器(qi)(qi)的濾(lv)(lv)料反洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)進行了試驗研究。根據試驗結果(guo)(guo)(guo)可(ke)以看出，在開(kai)始增(zeng)(zeng)加(jia)葉片(pian)轉(zhuan)速時，隨轉(zhuan)速的增(zeng)(zeng)加(jia)反洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)有較大(da)的改(gai)善(shan)；隨后，轉(zhuan)速再繼續(xu)增(zeng)(zeng)加(jia)時，濾(lv)(lv)料反洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)改(gai)善(shan)的程度逐漸放慢。在較佳反沖洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)下，石英砂(sha)過濾(lv)(lv)器(qi)(qi)的轉(zhuan)速在50-70r/min，增(zeng)(zeng)加(jia)100r/min以后，與(yu)前面相(xiang)比濾(lv)(lv)料的反洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)反而變差。分析原因認為(wei)，起(qi)初轉(zhuan)速的增(zeng)(zeng)加(jia)可(ke)以加(jia)強顆(ke)(ke)粒(li)(li)與(yu)槳葉間的碰撞以及(ji)固(gu)體(ti)顆(ke)(ke)粒(li)(li)的擾動強度，從而增(zeng)(zeng)加(jia)了濾(lv)(lv)料顆(ke)(ke)粒(li)(li)的碰撞摩擦作用，因此(ci)濾(lv)(lv)料的反洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)隨轉(zhuan)速的增(zeng)(zeng)加(jia)有所改(gai)善(shan)；但是轉(zhuan)速過大(da)，加(jia)大(da)濾(lv)(lv)料的碰撞作用力，易導致濾(lv)(lv)料破碎，影響(xiang)反沖洗效(xiao)果(guo)(guo)(guo)。

（2）反沖洗時間的確定

根據反沖洗出水(shui)的懸(xuan)浮固(gu)體變化，石英(ying)砂過濾器(qi)(qi)在反沖洗18min以(yi)后(hou)的出水(shui)含懸(xuan)浮物和(he)油濃度都很小，因此(ci)石英(ying)砂過濾器(qi)(qi)反沖洗時間應(ying)小于18min。

3.2 改造(zao)效(xiao)果

改造罐投入生產后，按照上述反沖洗運行方式運行。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%；同時反沖洗流量穩定在450-500m³/h，反沖洗(xi)壓(ya)力在0.18-0.22MPa之間。

4、結語

（1）石英砂濾料反(fan)沖(chong)洗數學模型優化(hua)后(hou)符合目前水質特性條(tiao)件下(xia)的現場生產運行(xing)實際。

（2）造成濾料流失的根本原因在于濾料板結成塊之后以堆積形式存在，在反沖洗過程中流失。隨著過濾過程進行，濾料表層黏附污染物質導致濾料密度降低，其密度降低至1.1×10³kg/m³以下出現(xian)流失(shi)現(xian)象。

（3）濾(lv)(lv)(lv)(lv)料板結形成與濾(lv)(lv)(lv)(lv)料黏(nian)附的油污雜(za)質(zhi)(zhi)（聚合物、膠質(zhi)(zhi)和(he)瀝(li)青質(zhi)(zhi)）存(cun)在一(yi)定關(guan)系，反(fan)沖洗無法將這(zhe)些污染(ran)物從濾(lv)(lv)(lv)(lv)料上脫(tuo)附下(xia)來，并(bing)且濾(lv)(lv)(lv)(lv)料表層(ceng)聚合物量(liang)(liang)隨著(zhu)反(fan)沖洗有增高的趨勢。板結層(ceng)出現的高度范(fan)圍在濾(lv)(lv)(lv)(lv)料表層(ceng)80-100mm范(fan)圍內，當(dang)濾(lv)(lv)(lv)(lv)料含油量(liang)(liang)超過(guo)25mg/L以上時濾(lv)(lv)(lv)(lv)料發生板結。

（4）可(ke)采用(yong)變強度(du)反(fan)(fan)沖洗(xi)和(he)機(ji)械攪拌相(xiang)結(jie)合(he)的方式破(po)壞板結(jie)層。通過北三(san)西污(wu)水站運行效果考核，采用(yong)該方式改造后的過濾罐保(bao)證了(le)反(fan)(fan)沖洗(xi)效果，改善了(le)濾后水質。