孫超， 趙宇， 馬駿， 何亞其， 李可， 于忠臣， 尹鵬

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司， 天津 300452； 2.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452）

隨著油田開發(fā)在精細(xì)化縱深方向的發(fā)展， 特別是聚合物注入技術(shù)在油田的推廣應(yīng)用， 導(dǎo)致油田采出液中聚合物濃度不斷增大、 油水乳化液穩(wěn)定性增強(qiáng)［1-2］， 使得油田現(xiàn)有級(jí)配濾床對(duì)油和懸浮物的去除能力降低［3］， 難以達(dá)到油田回注水標(biāo)準(zhǔn)［4］， 探索一種新型濾床結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為油田生產(chǎn)中需著力解決的問題之一。 研究借鑒城市水處理中無煙煤／石英砂雙濾床過濾技術(shù)的理念， 基于核桃殼濾料優(yōu)良的除油性能［5-6］， 利用核桃殼濾床替代無煙煤濾床，建立了核桃殼／石英砂新型濾床結(jié)構(gòu)［7］， 探討不同濾床結(jié)構(gòu)及其耦合作用對(duì)過濾效能的影響， 為油田聚合物驅(qū)污水的高效處理提供理論支持和技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置、 水箱、潛水泵、 轉(zhuǎn)子流量計(jì)和反沖洗控制系統(tǒng)等構(gòu)成。 軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置尺寸為D 0.4 m×2.6 m， 裝填核桃殼濾料A 和石英砂濾料B 組成雙濾床結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙濾床結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of dual-media filter bed

含油污水經(jīng)軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過濾裝置過濾后進(jìn)入水箱。 當(dāng)過濾運(yùn)行24 h 后， 利用軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)［8-9］反沖洗再生濾床， 反沖洗廢水排入回收水池。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)在大慶油田某聚合物驅(qū)污水站內(nèi)開展， 其水質(zhì)情況如表1 所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水質(zhì)情況Tab. 1 Water quality in field test

1.3 試驗(yàn)方法

通過單濾床結(jié)構(gòu)單因素試驗(yàn)， 考察濾料粒徑D、 濾層厚度L 和過濾速度v 對(duì)濾床過濾效能的影響。 通過多因素正交試驗(yàn)， 建立濾床結(jié)構(gòu)對(duì)過濾效能的影響規(guī)律。 在此基礎(chǔ)上考察雙濾床結(jié)構(gòu)耦合對(duì)過濾效能的影響， 最后通過雙濾床對(duì)高濃度聚合物過濾效能試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。 試驗(yàn)通過考察油和懸浮物去除率來評(píng)價(jià)濾床過濾效能。

1.4 分析方法

水樣懸浮物含量采用重量法測(cè)定（Q／SY DQ 1281—2009）； 水樣含油量采用石油醚萃取分光光度法測(cè)定（SY／T 0530—2011）。 粒徑分布采用英國馬爾文Mastersizer3000 型激光粒度分析儀分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾床結(jié)構(gòu)及濾速對(duì)過濾效能影響

相同工況條件下， 影響顆粒濾床過濾效能主要因素有濾床結(jié)構(gòu)（濾層厚度L、 濾料粒徑D 和L／D值）、 過濾速度、 濾料組成等。 濾床結(jié)構(gòu)影響單位濾層所提供的表面積及其響應(yīng)行為， 過濾速度影響濾床水流剪切力及污染物穿透深度。

2.1.1 濾料粒徑對(duì)過濾效能影響

在石英砂單濾層厚度為650 mm 和過濾速度為8 m／h 的條 件 下， 考 察 不同濾 料 粒徑D（0.30 ～0.50、 0.50 ～0.80 和0.80 ～1.20 mm）對(duì)油和懸浮物去除效能變化規(guī)律， 結(jié)果如圖2、 圖3 所示。

從圖2 和圖3 可以看出， 相同試驗(yàn)條件下， 濾料粒徑越小， 對(duì)油和懸浮物的去除效能越高。 這主要是因?yàn)楫?dāng)濾料粒徑較大時(shí)， 濾床孔隙較大， 濾床過濾篩分作用較弱， 顆粒去除主要依靠濾料表面的遷移和黏附作用； 而小粒徑濾床， 濾床孔隙小， 濾床依靠機(jī)械篩分作用更有效。 另外， 小粒徑濾床的濾料比表面積呈指數(shù)增大， 同體積濾床小粒徑濾料提供較大比表面積， 濾料表面遷移和黏附作用發(fā)揮更充分， 因此小粒徑濾床的油和懸浮物去除效能較好［10－12］。

圖2 濾料粒徑對(duì)油去除效能影響Fig.2 Effect of particle media size on oil removal

圖3 濾料粒徑對(duì)懸浮物去除效能影響Fig.3 Effect of particle media size on suspend solid removal

2.1.2 濾層厚度和濾料粒徑對(duì)過濾效能影響

深床過濾是水中顆粒物與濾料顆粒黏附和脫落的動(dòng)態(tài)過程， 顆粒物逐漸地從上層濾床脫落， 穿過濾料孔隙向下層濾床遷移， 被下層濾料顆粒捕獲或黏附。 因此增加濾層厚度， 可以增加濾料表面與水中顆粒物的接觸機(jī)會(huì)， 減少顆粒物穿透濾床的機(jī)會(huì)， 提高水中顆粒物的去除效率， 并可以均衡濾料粒徑增大帶來的影響。 保持過濾速度為8 m／h， 考察不同濾料粒徑D（0.30 ～0.50、 0.50 ～0.80 和0.80 ～1.20 mm）及不同濾層厚度L（400、 650 和1 000 mm）條件， 探討濾層厚度L、 濾料粒徑D 和L／D 值對(duì)油和懸浮物去除效能的影響， 結(jié)果如表2 所示。

從表2 可以看出， 濾層厚度和濾料粒徑對(duì)油和懸浮物去除效能影響較大。 相同粒徑濾床， 增加濾層厚度過濾效能提高。 粒徑為0.50 ～0.80 mm 和0.80 ～1.20 mm 結(jié)構(gòu)濾床， 當(dāng)L／D 值為1 000 時(shí)，油和懸浮物去除率基本相同， 因此對(duì)大粒徑濾床，須滿足L／D 值 為1 000 的條件［13］； 而 對(duì) 于 粒 徑 為0.30 ～0.50 mm 濾床， 濾層厚度為650 mm 時(shí)才具有較高去除率， 因此小粒徑結(jié)構(gòu)濾床， 須滿足最小厚度為650 mm 的條件。

表2 濾床L 及L/D 值對(duì)過濾效能影響Tab. 2 Effect of L and L/D value on filtration efficiency of filter bed

濾床L／D 值衡量濾床所提供比表面積的大小，增加L／D 值時(shí)， 濾床沉淀和篩分等作用機(jī)制增強(qiáng)，濾床過濾效能提高。 濾床截留作用是分層級(jí)的， 每層濾料對(duì)懸浮物均有截留作用。 濾床上層截留懸浮物受水流剪切作用向下移動(dòng)， 濾床下層依次發(fā)揮其過濾能力［14－16］。 當(dāng)濾層厚度較小時(shí)， 截留懸浮物穿透濾床， 導(dǎo)致油和懸浮物去除效能下降。 根據(jù)Stanley 濾料粒徑與穿透深度關(guān)系［17］， 相同濾床結(jié)構(gòu)、 過濾速度和水質(zhì)條件， 懸浮物穿透濾床深度是一定的， 其穿透深度即為濾層理論厚度的極小值。當(dāng)濾層厚度小于其臨界厚度時(shí)， 懸浮顆粒易穿透濾床， 導(dǎo)致濾床去除率降低。

2.1.3 過濾速度對(duì)過濾效能影響

試驗(yàn)考察濾料粒徑為0.30 ～0.50 mm， 濾層厚度為650 mm， 過濾速度分別為8、 10、 12 和14 m／h 時(shí)濾床對(duì)油和懸浮物的去除效能， 結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同過濾速度對(duì)濾床過濾效能影響Fig.4 Effect of filtration speed on filtration efficiency

從圖4 可以看出， 相同濾床結(jié)構(gòu)， 隨著過濾速度的增大， 油和懸浮物去除效能呈線性遞減規(guī)律。這主要是因?yàn)檫^濾速度大， 水流剪切力大， 減輕了油和懸浮物向?yàn)V床的截留或沉積作用［18］。

2.2 單濾床正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)考察的因素為濾料粒徑、 L／D 值和過濾速度3 個(gè)因素， 每個(gè)因素有3 個(gè)水平取值。 正交試驗(yàn)條件及結(jié)果如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)條件及結(jié)果分析Tab. 3 Orthogonal test condition and results analysis

由表3 可以看出， 根據(jù)極差值分析， 濾料粒徑、 L／D 值和過濾速度對(duì)濾床過濾效能均有不同程度影響， L／D 值和過濾速度對(duì)濾床油和懸浮物去除效能影響較大， 其規(guī)律是L／D 值＞過濾速度＞濾料粒徑。 濾料粒徑為0.30 ～0.50 mm， 須滿足濾床厚度為650 mm 的條件； 粒徑為0.50 ～0.80 mm 結(jié)構(gòu)濾床， 須滿足L／D 值為1 000 的條件。

2.3 雙濾床過濾效能及分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果， 在聚合物質(zhì)量濃度為200 ～300 mg／L 和過濾速度為12 m／h 時(shí)， 考察粒徑 為0.80 ～1.20 mm 核 桃 殼 和 粒 徑 為0.30 ～0.50 mm 石英砂組成的雙濾床在不同高度組合（分別為900／400、 700／550、 600／750 和950／750 mm）時(shí)油和懸浮物的去除率， 以分析濾床結(jié)構(gòu)變化及其耦合作用對(duì)過濾效能的影響［19］， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 濾床結(jié)構(gòu)及耦合作用對(duì)濾床過濾效能影響Fig.5 Effect of filter bed structure and coupling on filtration efficiency

從圖5 可以看出， 增加核桃殼濾層厚度， 有利于提高油過濾效率， 同時(shí)增加石英砂濾層厚度， 有利于提高懸浮物過濾效率。 在滿足最小濾層厚度條件下， 提高石英砂濾層厚度與懸浮物去除率的增長(zhǎng)呈非線性規(guī)律。

3 高濃度聚合物條件下雙濾床過濾效能

采用核桃殼和石英砂構(gòu)建雙濾床， 其核桃殼濾料粒徑為0.80 ～1.20 mm 和濾層厚度為950 mm，石英砂濾料粒徑為0.30 ～0.50 mm 和濾層厚度為750 mm， 在聚合物質(zhì)量濃度為350 ～400 mg／L 和過濾速度為12 m／h 時(shí)， 考察油和懸浮物的去除率變化規(guī)律， 驗(yàn)證雙濾床結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物濃度變化的適應(yīng)性， 其結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

從圖6 和圖7 可以看出， 高含聚合物條件下，核桃殼／石英砂雙濾床具有較好的油和懸浮物去除效能， 聚合物濃度對(duì)過濾效能影響較小。 進(jìn)水的油平均質(zhì)量濃度為43.3 mg／L， 出水的油平均質(zhì)量濃度為1.8 mg／L， 平均去除率為95.8%。 進(jìn)水的懸浮物平均質(zhì)量濃度為48.2 mg／L， 出水的懸浮物平均質(zhì)量濃度分別為10.3 mg／L， 平均去除率為78.3%。

圖6 核桃殼／石英砂雙濾床對(duì)油的過濾效能Fig.6 Filtration efficiency of oil by walnut shell/quartz sand dual-media filter bed

圖7 核桃殼／石英砂雙濾床對(duì)懸浮物的過濾效能Fig.7 Filtration efficiency of SS by walnut shell/quartz sand dual-media filter bed

雙濾床進(jìn)出水顆粒粒徑分布， 如圖8 所示。

圖8 過濾進(jìn)出水粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of influent and effluent water during filtration

從圖8 可以看出， 進(jìn)水油和懸浮物粒徑分布范圍較廣， 主要集中分布區(qū)間為0.1 ～50.0 μm， 其中20.0 μm 以下顆粒占42.7%， 50.0 μm 以下顆粒占84.9%。 核桃殼／石英砂雙濾床出水油和懸浮物2.0 μm 以上顆粒去除率為100.0%， 1.0 μm 以上顆粒去除率為98.1%。

4 結(jié)論

（1） 單濾床研究結(jié)果表明： L／D 值對(duì)濾床過濾效能影響最大， 過濾速度和濾料粒徑影響次之， 呈L／D 值＞過濾速度＞濾料粒徑遞減規(guī)律。 小粒徑結(jié)構(gòu)濾床要滿足最小臨界厚度為650 mm； 大粒徑結(jié)構(gòu)濾床要滿足L／D ＝1 000 臨界條件； 過濾速度對(duì)過濾效能影響呈線性遞減規(guī)律。

（2） 采用核桃殼和石英砂構(gòu)建雙濾床， 其核桃殼濾料粒徑為0.80 ～1.20 mm 和濾層厚度為950 mm， 石英砂濾料粒徑為0.30 ～0.50 mm 和濾層厚度為750 mm， 對(duì)聚合物濃度具有較好適應(yīng)性。 聚合物質(zhì)量濃度為350 ～400 mg／L 和過濾速度為12 m／h 時(shí)， 油和懸浮物去除率分別為94.3% 和78.3%以上， 且2.0 μm 以上顆粒去除率為100.0%， 1.0 μm 以上顆粒去除率為98.1%。

（3） 雙濾床耦合有利于提高油和懸浮物去除效能， 增加核桃殼和石英砂濾層厚度， 分別有利于提高油和懸浮物去除效率。 提高石英砂濾層厚度， 懸浮物去除率呈現(xiàn)非線性增大的規(guī)律。