青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 研究背景

目前，我國(guó)多數(shù)油田已進(jìn)入石油開采中后期，原油含水率逐年上升，原有含油污水處理工藝己經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的含油污水處理要求［1-3］。過濾技術(shù)憑借自身成熟的工藝與簡(jiǎn)單的操作性，仍是目前油田含油污水處理應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。但是，隨著含油污水成分趨于復(fù)雜，由于常規(guī)過濾材料比表面積小、非極性弱、吸油率低、易板結(jié)與流失等問題，傳統(tǒng)過濾器對(duì)于油田含油污水的處理效率急待提高［7-8］。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，高分子材料開始應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域［9］，筆者選用聚氨酯改性材料作為濾料，基于機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了油田含油污水高效過濾器，運(yùn)用數(shù)字化電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)分析材料孔隙結(jié)構(gòu)，搭建現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置并在勝利油田河口采油廠開展過濾器過濾性能檢測(cè)試驗(yàn)，為油田含油污水過濾器研究提供參考依據(jù)。

2 油田含油污水高效過濾器設(shè)計(jì)

2.1 新型多孔濾料

過濾器的濾料選用聚氨酯材料，通過聚多巴胺粘合劑將被還原的石墨烯氧化物涂覆在材料表層，然后再由聚十二烷基胺官能化獲得木質(zhì)素基聚氨酯改性材料。通過改性處理，調(diào)整了材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并改變了材料表面潤(rùn)濕效果，以提高材料對(duì)水中油分的吸附和選擇性，最終增強(qiáng)了材料的截污能力，有利于水中油分及懸浮物的去除。

2.2 過濾器結(jié)構(gòu)

油田含油污水高效過濾器結(jié)構(gòu)如圖1所示。木質(zhì)素基聚氨酯改性材料填充在筒體內(nèi)部，筒體內(nèi)部上下分別安裝透水性濾料攔截板，以避免濾料流失。當(dāng)過濾器工作時(shí)，根據(jù)不同過濾精度或系統(tǒng)內(nèi)部壓降要求，可設(shè)置不同的壓緊量以改變孔隙度。含油污水從污水進(jìn)口進(jìn)入，通過濾料攔截板進(jìn)入罐內(nèi)。濾料通過直接攔截和表面吸附等機(jī)理以除去水中含油及懸浮物顆粒，而后從凈水出口流出。過濾器頂部開設(shè)集油器接口，裙式支座除了起到固定安裝的作用外，還可以實(shí)現(xiàn)過濾器的撬裝設(shè)計(jì)。在運(yùn)行過程中，可以對(duì)過濾器罐體內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)壓力值過大時(shí)，可通過排氣口緩解工作壓力，以減小內(nèi)部流動(dòng)阻力。運(yùn)行一段時(shí)間后，需對(duì)過濾器進(jìn)行反沖洗，以除去濾料內(nèi)部?jī)?chǔ)存的雜質(zhì)，保證處理效率。反沖洗水從下方排污口排出。

▲圖1 油田含油污水高效過濾器結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)流程

3.1 材料結(jié)構(gòu)特性

運(yùn)用NanoVoxel-2702系列X射線三維顯微鏡，X射線掃描錐面光束設(shè)置為150 keV，光束電流為33 μA。X射線從不同角度穿透樣件的過程中，被不同程度吸收，探測(cè)器接收后經(jīng)過信號(hào)處理生成灰度圖像。經(jīng)過降噪、閾值設(shè)置，以及顏色轉(zhuǎn)換和圖像切割，得到濾料內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分辨率三維數(shù)字圖像，可以對(duì)材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行亞微米尺度上的數(shù)字化三維表征。通過孔隙半徑和孔喉比，可以對(duì)材料內(nèi)部復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度上的了解。

3.2 過濾器性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證油田含油污水高效過濾器的使用性能，在勝利油田河口采油廠進(jìn)行性能試驗(yàn)。利用已建站水管網(wǎng)來水對(duì)過濾器進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

油田現(xiàn)有污水處理工藝流程為二級(jí)式過濾，即污水經(jīng)過核桃殼過濾器和石英砂過濾器兩次過濾。為實(shí)現(xiàn)效果對(duì)比，試驗(yàn)工藝流程中第二級(jí)過濾采用高效過濾器進(jìn)行處理，如圖3中虛線所示。試驗(yàn)環(huán)境溫度為14℃，水溫為46℃，反沖洗周期大于120 h，反沖洗時(shí)間為30 min，測(cè)試進(jìn)行10 d，每天取樣4次，分別對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并取平均值計(jì)入數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 濾料結(jié)構(gòu)特性

運(yùn)用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)木質(zhì)素基聚氨酯改性材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，得到三維表征數(shù)據(jù)，如圖4所示。

▲圖2 試驗(yàn)裝置

▲圖3 工藝流程

如圖4（a）所示，根據(jù)材料孔隙半徑的概率分布可知，孔隙半徑較多分布在100～130 μm之間，其中110 μm的概率分布最大，為5.44%。同理，由圖4（b）可知，材料孔喉比較多集中分布在1.7～2.4之間，其中2.143的分布概率為1.42%，是孔喉比分布的最大概率?？讖阶鳛槎嗫撞牧系闹匾再|(zhì)，對(duì)材料的透過性、滲透速率及過濾性能具有顯著影響［10］，復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)在保證出水標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)提高了滲透率。材料的孔喉比與其驅(qū)油效率成反比，孔喉比較小，對(duì)應(yīng)的驅(qū)油效率較高，可見材料具有一定的驅(qū)油效果?？紫栋霃脚c喉道半徑均處于較小級(jí)別，油質(zhì)在材料內(nèi)部的滲流能力較弱，利于污水處理過程中油分的去除。

4.2 裝置過濾性能

運(yùn)用油田含油污水高效過濾器進(jìn)行性能測(cè)試，得到一次來水水質(zhì)及處理后水質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5、圖6所示。

由圖5可知，過濾前油田污水懸浮物平均含量為17.96 mg/L，油田含油污水高效過濾器出水懸浮物平均含量為2.28 mg/L，平均懸浮物去除率為87.31%；常規(guī)石英砂過濾器出水懸浮物平均含量為5.87 mg/L，平均懸浮物去除率為67.32%；油田含油污水高效過濾器懸浮物的去除率高出常規(guī)石英砂過濾器近20個(gè)百分點(diǎn)。由圖6可知，一次來水平均含油量約為4.81 mg/L，經(jīng)過處理，油田含油污水高效過濾器出水平均含油率為0.68 mg/L，平均含油去除率高達(dá)85.85%；而常規(guī)石英砂過濾器出水平均含油量為1.71 mg/L，平均含油去除率為64.50%。

▲圖4 濾料結(jié)構(gòu)特性

▲圖5 懸浮物處理效果

▲圖6 含油處理效果

由圖5和圖6可以看出，無論是懸浮物還是水中含油，運(yùn)用油田含油污水高效過濾器得到的曲線均比常規(guī)過濾器平緩，處理效率高于常規(guī)石英砂過濾器近20個(gè)百分點(diǎn)，并且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，常規(guī)石英砂過濾器處理的水質(zhì)逐漸下降，過濾后水質(zhì)懸浮物含量和含油量逐漸增大，而油田含油污水高效過濾器處理的水質(zhì)無明顯變化，說明油田含油污水高效過濾器的反沖洗周期更長(zhǎng)，穩(wěn)定性更高，處理后的水質(zhì)懸浮物含量<3 mg/L，含油量<1 mg/L，滿足 GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［11］。

5 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)字化計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)木質(zhì)素基聚氨酯改性材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙半徑為110 μm、孔喉比為2.143的分布概率最大。

通過現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，筆者設(shè)計(jì)的油田含油污水高效過濾器處理水質(zhì)懸浮物含量低于3 mg/L，含油量低于1 mg/L，水質(zhì)滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，可應(yīng)用于油田污水處理。油田含油污水高效過濾器對(duì)污水懸浮物及水中含油的處理效率較常規(guī)石英砂過濾器高出近20個(gè)百分點(diǎn)。

此外，聚氨酯改性材料具有質(zhì)量輕、重復(fù)利用率高的優(yōu)點(diǎn)，油田含油污水高效過濾器表現(xiàn)出性能穩(wěn)定、反沖洗周期長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)油田污水的深度處理具有廣泛的應(yīng)用前景。