摘要:針對(duì)石英砂過濾工藝不適應(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)損壞等問題,開展濾料流失機(jī)理及改進(jìn)技術(shù)研究。通過現(xiàn)場試驗(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)場考核。
1、問題的提出
目前,石英砂過濾工藝不適應(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)損壞等問題。濾料流失相對(duì)降低了濾料層的高度,降低了過濾效果。據(jù)統(tǒng)計(jì),2006-2009年薩北石英砂過濾罐累計(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。
污水處理過濾工藝研究主要集中在新型濾料的選擇、新型過濾設(shè)備開發(fā)以及工程應(yīng)用,對(duì)于濾料流失機(jī)理方面在國內(nèi)外還沒有成熟的技術(shù)可以借鑒。關(guān)注較多的問題在于濾料流失現(xiàn)象和流失問題的解決,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,濾料流失的問題仍會(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)來解決濾料流失問題對(duì)于過濾工藝運(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。過濾時(shí)觀察濾料截留污染物和濾料污染的變化過程,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)過程中控制流體的雷諾數(shù),使過濾器具有與現(xiàn)場相同的流態(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,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(huì)出現(xiàn)跑料現(xiàn)象。隨著過濾過程進(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)場運(yùn)行的吻合程度,了解現(xiàn)場濾罐的運(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)果見圖1、圖2。
從圖1、圖2可見,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,采用沉降+兩級(jí)壓力過濾流程,其中二級(jí)過濾采用石英砂過濾器。在運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)石英砂過濾器反沖洗憋壓,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
(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,在反沖洗過程中流失。隨著過濾過程進(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,反沖洗無法將這些污染物從濾料上脫附下來,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。通過北三西污水站運(yùn)行效果考核,采用該方式改造后的過濾罐保證了反沖洗效果,改善了濾后水質(zhì)。