摘要:開展了核桃殼濾料粒徑與濾層各參數(shù)的關(guān)系,以及粒徑對(duì)過濾過程影響的研究,得出如下結(jié)論:
1 采用較小核桃殼濾料粒徑對(duì)保證濾后水質(zhì)有利,但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快,產(chǎn)生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產(chǎn)水量小等問題,一般對(duì)過濾不利;
2 在保證過濾水質(zhì)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(shù)可以越大,平均粒徑越大,不均勻系數(shù)要越小。
引言
目前我國(guó)各大油田的采油廢水處理中,以核桃殼過濾工藝應(yīng)用為廣泛,成為油田污水過濾處理技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。與石英砂濾料過濾比較,核桃殼濾料過濾有更為突出的優(yōu)點(diǎn):吸附截污能力強(qiáng),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(duì)過濾罐進(jìn)行反沖洗時(shí),不僅能沖洗掉濾層表面上的油污及雜質(zhì),而且核桃殼過濾罐的攪拌機(jī)構(gòu)還能讓濾料通過反洗時(shí)的攪拌、翻動(dòng)使濾料內(nèi)層的油污及雜質(zhì)翻移到濾層表面而隨水沖出,濾料清洗更完全。
近幾年來(lái),人們對(duì)油田含油污水核桃殼過濾反洗再生方面進(jìn)行了大量的研究,但對(duì)過濾機(jī)理研究很少,特別是核桃殼濾料粒徑對(duì)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(qū)。事實(shí)上,濾料粒徑對(duì)過濾的影響,對(duì)過濾工藝的發(fā)展以及對(duì)在實(shí)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(duì)保證濾后水質(zhì)有利,但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快,濾層的納污量低,過濾周期短,濾速低,產(chǎn)水量小等問題。而粒徑過大,則難以保證過濾水質(zhì)。
一般石英砂過濾采用均質(zhì)濾料,均質(zhì)濾料不同于均粒濾料。當(dāng)石英砂新裝入時(shí),這種濾層稱為均質(zhì)濾層,濾料則稱為均質(zhì)濾料,這就是說(shuō),均質(zhì)濾料并不要求所有的濾料粒徑相同,而是要求整個(gè)濾料層自上而下的組成條件都相同,滿足均質(zhì)濾料反沖洗時(shí)不出現(xiàn)水力分級(jí)現(xiàn)象。由于核桃殼在反洗再生時(shí),須通過水力反沖和機(jī)械攪拌使濾床充分流態(tài)化,這種再生反洗方式容易出現(xiàn)水力分級(jí)現(xiàn)象。為避免這種情況,核桃殼濾料應(yīng)盡可能選擇單一粒徑,而不是同石英砂一樣滿足均質(zhì)濾料就可以。換言之,在核桃殼過濾中,對(duì)粒徑的選擇不能停留在原有認(rèn)識(shí)上,應(yīng)該引起人們的重視。
一、核桃殼濾料粒徑與濾層各參數(shù)的關(guān)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(shí)清潔濾層的孔隙率只與濾料顆粒的排列方式有關(guān),而與濾料的粒徑無(wú)關(guān),也就是說(shuō),對(duì)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(shí)際濾層的濾料是由大小不同的顆粒組成的,并且也不是嚴(yán)格球形的,盡管如此,實(shí)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(duì)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(gòu)成的,如果把所有的孔按照長(zhǎng)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(dāng)量直徑,記為de,清潔濾層的孔隙當(dāng)量尺寸記為de0,則de與濾料粒徑de0成正比關(guān)系,即:
de0=kd
式中k—比例系數(shù),無(wú)量綱;
de0—-清潔濾層孔隙當(dāng)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(shè)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;
Vp—孔隙的體積,m3;
Vs—單個(gè)濾料顆粒的體積,m3;
as—單個(gè)濾料顆粒比表面積,m2;
n—濾料顆?倲(shù);
mo—清潔濾層的孔隙率。
由式(2)可知,對(duì)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(shí)主要取決于濾料粒徑d,且與d呈反比關(guān)系。
4 核桃殼濾料粒徑對(duì)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(shù)稱作為懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù),懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù)越多,被濾層截留的可能性越大。設(shè)懸浮顆粒穿過單位濾層與濾層可能的接觸次數(shù)為f,f與很多因素有關(guān),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(guān)。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(shù)隨著濾料粒徑的減小而加大。
二、核桃殼濾料粒徑對(duì)過濾過程的影響
1 對(duì)水流剪力的影響
過濾過程中的水流剪力可簡(jiǎn)化表示如下式(3):
τ=k1(μυ/mde)
式中:τ—水流剪力,N;
k1—系數(shù),無(wú)量綱;
μ—水的運(yùn)動(dòng)粘度,Pa·s;
υ—空床流速,m/s;
m—濾層孔隙率,百分?jǐn)?shù),無(wú)量綱。
從式(3)可以看出,其它條件不變時(shí),水流剪力的大小和濾層孔隙率與孔隙當(dāng)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(dāng)量直徑de關(guān)系如圖1所示。
水流剪力的大小與濾層孔隙當(dāng)量直徑成反比關(guān)系。以τ0和de0分別表示清潔濾層的水流剪力和孔隙尺寸,以τ1和de1分別表示被吸附的懸浮顆粒從核桃殼濾料表面脫附時(shí)的水流剪力和孔隙尺寸。當(dāng)核桃殼濾料顆粒的尺寸較小時(shí),清潔濾層的孔隙尺寸比較小,清潔濾層的水流剪力大。根據(jù)反比關(guān)系的特點(diǎn),在de比較小時(shí),de的減小,將引起τ的快速增加,會(huì)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(huì)超過τ1,過濾不能進(jìn)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(jìn)行,水流剪力增加很快。
2 對(duì)濾層水頭損失的影響
核桃殼濾料顆粒尺寸對(duì)水頭損失的影響比對(duì)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(jìn)行,濾層的水頭損失增加很快,會(huì)導(dǎo)致過濾很快終止。
3 對(duì)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?赡艽┻^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(duì)過濾周期、濾速、產(chǎn)水量的影響
在濾速、水質(zhì)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(zhǎng)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(jìn)水水質(zhì)一定的條件下,可過濾的水量越小,也就是產(chǎn)水量越小。
5 對(duì)濾后水質(zhì)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(shù)是相關(guān)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(zhì)。
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(zhì)的角度出發(fā),較小的濾料粒徑是有利的。但濾料粒徑較小,對(duì)提高濾速、延長(zhǎng)過濾周期、提高濾層的產(chǎn)水量、減緩水頭損失的增長(zhǎng)都是不利的。因此波濤小編認(rèn)為,盡管目前均質(zhì)大粒徑濾料過濾受到關(guān)注,但小粒徑濾料有它的優(yōu)點(diǎn),不能無(wú)條件地強(qiáng)調(diào)使用大粒徑濾料。選擇濾料粒徑的原則是在保證水質(zhì)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(xiàn)濾后水質(zhì)問題,可以采取適當(dāng)增加濾層厚度的辦法來(lái)彌補(bǔ)。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(rèn)的看法,盡管由于實(shí)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(yōu)勢(shì)的。這樣做有利于懸浮顆粒進(jìn)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(zhǎng)。
此外,較小粒徑的濾料分布在下層,也有利于保證濾后水質(zhì)。就濾料的均勻性而言,當(dāng)所采用的濾料粒徑比較小時(shí),過分強(qiáng)調(diào)粒徑的均勻意義不是很大。因?yàn)檫@種核桃殼濾料在反沖時(shí),表層的濾料粒徑小,過濾時(shí),只需表層不太厚的濾層發(fā)揮作用。波濤小編認(rèn)為,所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越小,不均勻系數(shù)可以越大,所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越大,不均勻系數(shù)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(guān)系很大。一般濾料粒徑越大,由于單位厚度的濾料與懸浮顆?赡艿慕佑|次數(shù)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(lái)保證濾后水質(zhì),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(shí)際意義。目前,較大粒徑的均勻?yàn)V料粒徑大多在0.8~1.2mm之間,不均勻系數(shù)k80在1.1-1.3之間,濾層厚1m左右。
四、結(jié)束語(yǔ)
通過以上的討論,可得出以下幾點(diǎn)看法:
1 較小核桃殼濾料粒徑對(duì)保證濾后水質(zhì)有利,但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快,產(chǎn)生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產(chǎn)水量小等問題,一般不利于過濾的進(jìn)行;
2 在保證濾后水質(zhì)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(shù)可以越大,核桃殼濾料的平均粒徑越大,不均勻系數(shù)要越;
5 提高濾層的孔隙率對(duì)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(guān)系不大。