摘要：開展了核桃殼濾料粒徑與濾層各參數的關系，以及粒徑對過濾過程影響的研究，得出如下結論：

 1 采用較小核桃殼濾料粒徑對保證濾后水質有利，但可能導致水流剪力、水頭損失增長過快，產生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產水量小等問題，一般對過濾不利；

2 在保證過濾水質的條件下，宜選擇較大粒徑的核桃殼濾料；

3 濾層的厚度隨核桃殼濾料粒徑的增加而加大；

4 核桃殼濾料的平均粒徑越小，不均勻系數可以越大，平均粒徑越大，不均勻系數要越小。

引言

 目前我國各大油田的采油廢水處理中，以核桃殼過濾工藝應用為廣泛，成為油田污水過濾處理技術發展的一種趨勢。與石英砂濾料過濾比較，核桃殼濾料過濾有更為突出的優點：吸附截污能力強，親水性好，抗油浸；密度略大于水，反沖洗容易。核桃殼濾料密度較石英砂濾料輕，對過濾罐進行反沖洗時，不僅能沖洗掉濾層表面上的油污及雜質，而且核桃殼過濾罐的攪拌機構還能讓濾料通過反洗時的攪拌、翻動使濾料內層的油污及雜質翻移到濾層表面而隨水沖出，濾料清洗更完全。

 近幾年來，人們對油田含油污水核桃殼過濾反洗再生方面進行了大量的研究，但對過濾機理研究很少，特別是核桃殼濾料粒徑對過濾的影響方面研究幾乎為空白，在粒徑的選擇上存在一些明顯的誤區。事實上，濾料粒徑對過濾的影響，對過濾工藝的發展以及對在實際工程中合理選擇過濾的方式，有著非常重要的意義。較小核桃殼濾料粒徑對保證濾后水質有利，但可能導致水流剪力、水頭損失增長過快，濾層的納污量低，過濾周期短，濾速低，產水量小等問題。而粒徑過大，則難以保證過濾水質。

 一般石英砂過濾采用均質濾料，均質濾料不同于均粒濾料。當石英砂新裝入時，這種濾層稱為均質濾層，濾料則稱為均質濾料，這就是說，均質濾料并不要求所有的濾料粒徑相同，而是要求整個濾料層自上而下的組成條件都相同，滿足均質濾料反沖洗時不出現水力分級現象。由于核桃殼在反洗再生時，須通過水力反沖和機械攪拌使濾床充分流態化，這種再生反洗方式容易出現水力分級現象。為避免這種情況，核桃殼濾料應盡可能選擇單一粒徑，而不是同石英砂一樣滿足均質濾料就可以。換言之，在核桃殼過濾中，對粒徑的選擇不能停留在原有認識上，應該引起人們的重視。

一、核桃殼濾料粒徑與濾層各參數的關系

1 核桃殼濾料粒徑與清潔濾層的孔隙率

 假定核桃殼濾料顆粒是球形的，大小都一樣，可以證明，此時清潔濾層的孔隙率只與濾料顆粒的排列方式有關，而與濾料的粒徑無關，也就是說，對于不同粒徑濾料的濾層，清潔濾層的孔隙率都相差不大，例如，石英砂濾料濾層的孔隙率一般在42%左右。實際濾層的濾料是由大小不同的顆粒組成的，并且也不是嚴格球形的，盡管如此，實際工程中使用的濾床，其濾層的孔隙率也基本在42%左右。粒狀濾料濾層濾料顆粒的大小對濾層孔隙率的影響是不大的。

2 核桃殼濾料粒徑與濾層孔隙尺寸

濾層的孔隙可以看作是由很多相互連通的孔構成的，如果把所有的孔按照長度和體積不變的原則換算成等截面的圓形孔，其直徑稱作孔隙的當量直徑，記為d_e，清潔濾層的孔隙當量尺寸記為d_e0，則d_e與濾料粒徑d_e0成正比關系，即：

d_e0=kd

式中k—比例系數，無量綱；

d_e0—-清潔濾層孔隙當量尺寸，×10^-6m；

d—濾料粒徑，×10^-6m。

3 核桃殼濾料粒徑與濾層濾料的總比表面積設濾層的體積為V，則有如下圖式（2）所示：

式中：A—濾料總比表面積，m²；

V—濾層的體積，m³；

V_p—孔隙的體積，m³；

V_s—單個濾料顆粒的體積，m³；

a_s—單個濾料顆粒比表面積，m²；

n—濾料顆粒總數；

m_o—清潔濾層的孔隙率。

由式(2)可知，對于給定處理量的過濾器，其濾層的體積一定，而且濾層孔隙率一般也變化不大，所以，濾層顆粒總比表面積這時主要取決于濾料粒徑d_，且與d呈反比關系。

4 核桃殼濾料粒徑對濾料顆粒與水中懸浮顆粒接觸的影響

 懸浮顆粒要被濾層截留，須與濾料表面接觸。假定某一懸浮顆粒穿過濾層而不被濾層截留，其與濾料顆粒所具有的接觸次數稱作為懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數，懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數越多，被濾層截留的可能性越大。設懸浮顆粒穿過單位濾層與濾層可能的接觸次數為f，f與很多因素有關，濾層的比表面積越大，f越大；濾層的孔隙尺寸越小，f越大。此外，f與濾速、溫度、懸浮顆粒本身的特性等因素也有關。由于在容積不變的條件下，濾料的比表面積隨著濾料粒徑的減小而加大，濾層的孔隙尺寸隨著濾料粒徑的減小而減小，所以，在其它條件不變的情況下，懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數隨著濾料粒徑的減小而加大。

二、核桃殼濾料粒徑對過濾過程的影響

1 對水流剪力的影響

過濾過程中的水流剪力可簡化表示如下式（3）：

τ=k₁(μυ/mde)

式中：τ—水流剪力，N；

k₁—系數，無量綱；

μ—水的運動粘度，Pa·s；

υ—空床流速，m/s；

m—濾層孔隙率，百分數，無量綱。

 從式（3）可以看出，其它條件不變時，水流剪力的大小和濾層孔隙率與孔隙當量直徑的乘積成反比，假定濾層的孔隙率不變，則水流剪力τ與孔隙當量直徑de關系如圖1所示。

水流剪力的大小與濾層孔隙當量直徑成反比關系。以τ₀和d_e0分別表示清潔濾層的水流剪力和孔隙尺寸，以τ₁和d_e1分別表示被吸附的懸浮顆粒從核桃殼濾料表面脫附時的水流剪力和孔隙尺寸。當核桃殼濾料顆粒的尺寸較小時，清潔濾層的孔隙尺寸比較小，清潔濾層的水流剪力大。根據反比關系的特點，在d_e比較小時，d_e的減小，將引起τ的快速增加，會很快使得τ超過τ₁，過濾失效。如果核桃殼濾料尺寸過小，在保持一定的濾速的條件下，可能一開始水流剪力就會超過τ₁，過濾不能進行。因此，如果核桃殼濾料的顆粒尺寸較小，清潔濾層的水流剪力大，并且，隨著過濾的進行，水流剪力增加很快。

2 對濾層水頭損失的影響

 核桃殼濾料顆粒尺寸對水頭損失的影響比對水流剪力的影響還要大。即：濾料顆粒尺寸小，將使得清潔濾層的水頭損失大，而且，隨著過濾的進行，濾層的水頭損失增加很快，會導致過濾很快終止。

3 對含污層厚度與濾層含污量的影響

 核桃殼濾料顆粒尺寸越小，懸浮顆粒可能穿過的濾層深度就越小，從而，濾層含污層厚度就越小，濾層的納污量也越小。

4 對過濾周期、濾速、產水量的影響

 在濾速、水質等條件不變的情況下，核桃殼濾料粒徑越小，水流剪力、水頭損失增長越快，濾層的含污量越低，過濾周期就越短。如果要求的水頭損失一定，核桃殼濾料粒徑越小，就要降低濾速。由于濾料粒徑越小，濾層的納污量越低，在進水水質一定的條件下，可過濾的水量越小，也就是產水量越小。

5 對濾后水質的影響

 在其它條件一定的情況下，懸浮顆粒被濾層截留的可能性與懸浮顆粒與濾層可能的接觸總次數是相關的，因此，在濾層厚度一定的條件下，減小核桃殼濾料粒徑，有助于保證濾后水質。

三、核桃殼濾料粒徑的選擇與濾層厚度的確定

1 核桃殼濾料粒徑的選擇

 由上述討論可知，從保證濾后水質的角度出發，較小的濾料粒徑是有利的。但濾料粒徑較小，對提高濾速、延長過濾周期、提高濾層的產水量、減緩水頭損失的增長都是不利的。因此波濤小編認為，盡管目前均質大粒徑濾料過濾受到關注，但小粒徑濾料有它的優點，不能無條件地強調使用大粒徑濾料。選擇濾料粒徑的原則是在保證水質的條件下，盡量選擇較大粒徑的濾料。采用較大粒徑的濾料可能出現濾后水質問題，可以采取適當增加濾層厚度的辦法來彌補。就濾層從上至下濾料粒徑大小的分布而言，濾料粒徑沿水流方向由大趨小比較好，這也是目前一致公認的看法，盡管由于實際工程中這樣做還存在一些問題，濾料粒徑的這種分布是有它的優勢的。這樣做有利于懸浮顆粒進入濾層的較深處，并且，由于大部分懸浮顆粒被截留在上部孔隙尺寸比較大的濾層，有利于減緩水頭損失的增長。

 此外，較小粒徑的濾料分布在下層，也有利于保證濾后水質。就濾料的均勻性而言，當所采用的濾料粒徑比較小時，過分強調粒徑的均勻意義不是很大。因為這種核桃殼濾料在反沖時，表層的濾料粒徑小，過濾時，只需表層不太厚的濾層發揮作用。波濤小編認為，所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越小，不均勻系數可以越大，所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越大，不均勻系數要越小。

2 濾層厚度

 從前面的討論可看出，濾層厚度與濾料粒徑的關系很大。一般濾料粒徑越大，由于單位厚度的濾料與懸浮顆粒可能的接觸次數越小，要求濾層的厚度就越大。濾料粒徑越小，濾層的厚度可以越小。盡管從理論上講，采用較大粒徑的濾料，可以采取增加濾層厚度的方法來保證濾后水質，但濾料粒徑過大，含污層過深，反沖洗困難，并且造成濾罐高度過高，沒有多大的實際意義。目前，較大粒徑的均勻濾料粒徑大多在0.8~1.2mm之間，不均勻系數k80在1.1-1.3之間，濾層厚1m左右。

四、結束語

通過以上的討論，可得出以下幾點看法：

 1 較小核桃殼濾料粒徑對保證濾后水質有利，但可能導致水流剪力、水頭損失增長過快，產生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產水量小等問題，一般不利于過濾的進行；

2 在保證濾后水質的條件下，宜選擇較大粒徑的核桃殼濾料；

3 濾層的厚度隨核桃殼濾料粒徑的加大而增加；

 4 核桃殼濾料的平均粒徑越小，不均勻系數可以越大，核桃殼濾料的平均粒徑越大，不均勻系數要越小；

 5 提高濾層的孔隙率對過濾過程是有利的，但核桃殼粒狀濾料的孔隙率在粒徑均勻的前提下，主要取決于濾料顆料粒的排列方式，與粒徑的關系不大。