劉書孟 董喜貴 于忠臣 孫冰 苗寶林

1大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠

2東北石油大學(xué)

隨著油田開發(fā)向精細化方向發(fā)展，對深度處理污水需求量逐步增加，有效提高污水過濾效率是水處理達標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。油田過濾工藝濾料主要有核桃殼、石英砂和磁鐵礦單層濾料，以及石英砂和磁鐵礦雙層濾料。目前，油田主要采用核桃殼和石英砂濾料分步過濾工藝，基本形成利用核桃殼濾料除油、石英砂或磁鐵礦濾料去除懸浮物的工藝格局。目前，大慶油田采出水中已普遍見到聚合物，水質(zhì)特性發(fā)生改變，污水黏度增大，聚合物在濾罐內(nèi)長期累積?，F(xiàn)有過濾工藝濾料反洗再生效果差，濾料局部板結(jié)、濾料流失問題嚴重，導(dǎo)致處理水質(zhì)變差。近年來，通過對過濾系統(tǒng)進行工藝改造，雖然改善了處理水質(zhì)，但也存在工藝復(fù)雜、建設(shè)投資和運行成本高等問題，因此，試驗應(yīng)用聚驅(qū)采出水過濾新技術(shù)，提高處理效率，控投資、降成本，已成為油田聚驅(qū)采出水處理面臨的重要課題。

由于核桃殼和石英砂濾料密度相差較大，以及核桃殼濾料的親油特性，現(xiàn)有濾料再生方式難以實現(xiàn)核桃殼和石英砂濾料的復(fù)合。為有效發(fā)揮核桃殼和石英砂濾料復(fù)合作用，實現(xiàn)雙濾料的批次耦合過濾效能，提出核桃殼和石英砂復(fù)合濾層思想，并通過前期試驗研究，設(shè)計出復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾工藝，在大慶油田某聚驅(qū)采出水處理站進行了試驗應(yīng)用，取得較好技術(shù)效果，為油田聚驅(qū)采出水處理工藝優(yōu)化簡化和水質(zhì)改善提供了借鑒[1-9]。

1 復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)原理

所謂復(fù)合場反沖洗技術(shù)是指反沖洗過程中受到兩個或多個物理場的相互作用，通過復(fù)合場作用強化濾料的水力反沖洗過程的行為。復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)構(gòu)建基于旋流場和重力場耦合的旋流復(fù)合場反沖洗體系，提出了一種軸向動態(tài)反沖洗濾料再生新方法[10-13]，豐富和發(fā)展了濾料的水力反沖洗方法，并為解決油田高含聚濾料反洗再生提供了一種新途徑。

復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)將旋流場加載于濾床重力場的水力反沖洗過程，利用旋流場和重力場耦合的復(fù)合場，在復(fù)合場中通過旋流場強化重力場中顆粒間剪切碰撞和摩擦作用，并通過旋流場離心作用實現(xiàn)濾料顆粒和反沖洗廢水的有效分離。反沖洗過程中混合液作螺旋型旋轉(zhuǎn)運動，其運動模式及工作原理如圖1 所示。

由圖1 可見，在旋切方向上，濾料顆粒作跟隨運動并不斷碰撞，產(chǎn)生旋切向碰撞力FD；在徑向上，由于場分離作用顆粒不斷碰撞，產(chǎn)生徑向碰撞力FP。在螺旋型旋轉(zhuǎn)流作用下，濾料顆粒間的碰撞強化了濾料搓洗作用，同時水流與顆粒濾料間存在的速度梯度強化了水力剪切力作用。在搓洗和水流剪切力的共同作用下，濾料表面的包裹物得以剝離，濾料得到有效清洗。與此同時，剝離的包裹物與濾料間存在密度差，其場分離作用使密度輕的油類污染物隨水流排除，濾料形成內(nèi)循環(huán)流動，使反沖洗廢物與濾料顆粒有效分離。

圖1 復(fù)合場反沖洗過程顆粒運動和碰撞原理圖Fig.1 Diagram of particle motion and collision principle in compound field backwashing process

復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)與目前油田常用過濾反沖洗技術(shù)相比，具有以下特點：①通過優(yōu)化濾料物化參數(shù)和濾層結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成核桃殼與石英砂雙濾床結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮核桃殼濾料濾速高和石英砂濾料過濾精度高的優(yōu)勢，顯著提高過濾效能；②利用旋流場和重力場協(xié)同作用，形成復(fù)合場軸向動態(tài)反沖洗模式，實現(xiàn)了高密度差雙濾料濾床的有效反洗；③通過旋流場強化重力場中顆粒間剪切碰撞和摩擦作用，改善濾料再生效果，有效解決了濾料板結(jié)問題。

2 工業(yè)化試驗概況

現(xiàn)場試驗在大慶油田某聚驅(qū)污水站進行（圖2）。該站原采用“兩級沉降+三級過濾”污水處理工藝，其中一級過濾采用核桃殼過濾罐，二級過濾采用石英砂過濾罐，三級過濾采用雙濾料過濾罐。利舊站內(nèi)二級石英砂過濾罐體，利用復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)對其進行升級改造，其中，在一級核桃殼過濾罐處設(shè)置了超越管線，開展不同過濾工藝組合工業(yè)化規(guī)模試驗，工藝路線如圖3 所示。試驗期間污水含聚質(zhì)量濃度為270～310 mg/L，自2016 年12月投產(chǎn)運行至今，處理水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)，濾料反沖洗效果顯著改善，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到預(yù)期目標(biāo)。

圖2 復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾罐現(xiàn)場Fig.2 Site of the filtering tanks in the double filteration bed for compound field dynamic backwashing

圖3 改造后某聚驅(qū)污水站工藝流程Fig.3 The flow chart of wastewater treatment after technical upgrades

3 試驗結(jié)果分析

3.1 復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)的過濾效能

3.1.1 作為第二級時的過濾效能

試驗運行工藝流程如圖4 所示，對復(fù)合場動態(tài)反沖洗過濾罐出水取樣，評價其作為第二級濾罐的過濾效能。

復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾罐對油和懸浮物去除效能結(jié)果如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出，進水平均含油質(zhì)量濃度為81.9 mg/L，復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾出水平均含油質(zhì)量濃度為8.6 mg/L，其平均油去除率為89.3%。進水平均懸浮物質(zhì)量濃度為為70.2 mg/L，出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為為9.2 mg/L，平均懸浮物去除率為86.9%。油和懸浮物質(zhì)量濃度小于10 mg/L，油和懸浮物去除率為85%以上。試驗結(jié)果表明：當(dāng)進水平均含油質(zhì)量濃度在100 mg/L 以下時，復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾出水油和懸浮物含量可以達到“雙10”指標(biāo)。

圖4 第二級濾罐過濾效能評價試驗工藝流程Fig.4 Process flow of filteration performance evaluation test for secondary filtering tanks

圖5 雙濾床油過濾效能Fig.5 Filtration performance of double filtration bed for oil

圖6 雙濾床懸浮物過濾效能Fig.6 Filtration performance of double filtration bed for suspended solids

3.1.2 作為第一級時的過濾效能

試驗啟用核桃殼過濾罐超越流程，工藝流程如圖7 所示，對復(fù)合場動態(tài)反沖洗過濾罐出水取樣化驗，評價其作為第一級濾罐過濾效能。

圖7 第一級濾罐過濾效能評價試驗工藝流程Fig.7 Process flow of filtration performance evaluation test for primary filtering tanks

復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾罐對油和懸浮物去除效能結(jié)果如圖8 和圖9 所示。從圖中可以看出，進水平均含油質(zhì)量濃度為150.3 mg/L，復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾出水平均含油質(zhì)量濃度為15.8 mg/L，其平均油去除率為89.5%。進水平均懸浮物質(zhì)量濃度為125.1 mg/L，出水平均懸浮物質(zhì)量濃度為16.8 mg/L，平均懸浮物去除率為86.6%。油和懸浮物質(zhì)量濃度小于20 mg/L，油和懸浮物去除率85%以上。試驗結(jié)果表明：在進水平均含油質(zhì)量濃度不超過150 mg/L 的條件下，復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾出水油和懸浮物含量可以達到“雙20”指標(biāo)；一級復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾工藝可以替代“一級核桃殼、二級石英砂”兩級過濾工藝。

圖8 作為首級時雙濾床油過濾效能Fig.8 Filtration performance of double filtration bed for oil as the first stage

圖9 作為首級時雙濾床懸浮物過濾效能Fig.9 Filtration performance of double filtration bed for suspended solids as the first stage

3.2 濾料反沖洗再生效果

開展了復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾罐濾料反沖洗效果評價試驗。反沖洗強度為9.0～10.5 L/(s·m2)，反沖洗時間為15 min，試驗結(jié)果見表1 和圖10。

表1 濾料反沖洗前后含油量對比Tab.1 Oil content comparison of filter material before and after backwashing

圖10 反沖洗前后核桃殼濾料對比Fig.10 Comparison of walnet shell filter material before and after backwashing

可以看出，反沖洗前后濾料表面截留油量變化明顯，運行2 個月和13 個月后經(jīng)復(fù)合場動態(tài)反沖洗后濾料表面截留油去除率分別為99.10% 和96.65%，其總平均截留油去除率為96.89%。同時，納污濾床濾料顆粒表面清潔，獲得良好再生。

試驗期間，開罐檢查了罐內(nèi)濾床狀況，如圖11 所示。可以發(fā)現(xiàn)，上層的核桃殼濾料與下層的石英砂濾料分層界面清晰，沒有出現(xiàn)濾料返混現(xiàn)象，說明高密度差的核桃殼濾料與石英砂濾料組成的雙濾料床工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖11 反沖洗后濾料分層和表層濾料狀態(tài)Fig.11 Filter material layering and surface filter material status after backwashing

3.3 抗沖擊性評價

試驗期間，該污水站曾進行沉降罐改造和回收水池清淤，因此停運1 組沉降罐。試驗濾罐的過濾進水油和懸浮物量大幅度增加，極大地增加了過濾負荷?？疾闃O端條件下，復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)污染濾料的反沖洗效能，評價濾床極限納污容量。

3.3.1 過濾效能抗沖擊性

多批次連續(xù)監(jiān)測高含油和懸浮物沖擊對復(fù)合場動態(tài)反沖洗過濾罐過濾效能的影響（圖12）。每次在濾罐反沖洗后過濾運行60 min 時取樣化驗。

由圖12 可以看出，過濾進水含油質(zhì)量濃度最大值為2 330.3 mg/L，最小值為596.2 mg/L，平均值為1 236.7 mg/L。反沖洗后過濾運行60 min 時，2#罐過濾出水含油質(zhì)量濃度最大值為160.3 mg/L，最小值為10.3 mg/L，平均值為36.8 mg/L；3#罐過濾出水含油質(zhì)量濃度最大值為120.4 mg/L，最小值為19.3 mg/L，平均值為47.2 mg/L。2#和3#罐油平均去除率分別為96.8%和95.7%。

圖12 水質(zhì)沖擊時復(fù)合場動態(tài)反沖洗濾床過濾效能Fig.12 Filtration performance of compound field dynamic backwashing filtration bed with water quality shock

3.3.2 反沖洗再生效能抗沖擊性

取2#和4#罐濾料，分析測定其反沖洗前后濾料含油量，考查水質(zhì)沖擊極端條件下的濾料再生效能，并分析復(fù)合場動態(tài)反沖洗濾料磨損情況。結(jié)果見表2。

表2 水質(zhì)沖擊時濾料反沖洗再生效能Tab.2 Backwashing and regeneration performance of filter material with water quality shock

在水質(zhì)沖擊條件下，復(fù)合場動態(tài)反沖洗后濾床不同位置濾料再生程度相似，濾料表面油去除率平均為97.35%，獲得較好的反沖洗效果。說明復(fù)合場動態(tài)反沖洗濾床反沖洗效能具有較強的抗沖擊性。

通過測定2#和4#濾床高度可知，復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)濾料磨損流失率較低，年磨損流失率為8%～10%。

4 技術(shù)經(jīng)濟性評價

4.1 工程投資

復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)實現(xiàn)了單一過濾單元不低于兩級過濾效果的目的，即復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾料濾罐功能相當(dāng)于“一級核桃殼濾罐+一級石英砂濾罐”串聯(lián)過濾模式。以新建設(shè)計規(guī)模為3×104m3/d 的常規(guī)污水站為例，設(shè)計采用兩級沉降兩級過濾工藝流程，需要建設(shè)常規(guī)一級二級過濾罐共計26 座，減少占地面積1 000 m2，實現(xiàn)設(shè)備購置投資降低30.9%，直接減少建設(shè)投資1 891 萬元，一次性建設(shè)投資降低19%（表3）。

表3 復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)和傳統(tǒng)兩級過濾技術(shù)投資對比Tab.3 Investment comparison of compound field dynamic backwashing technology and traditional two-stage filtration technology

4.2 運行和維護成本

復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)減少運行成本主要體現(xiàn)在可以減少站內(nèi)反沖洗水量消耗。以該聚驅(qū)采出水處理站為例，站內(nèi)共有核桃殼濾罐13 座，石英砂濾罐13 座，每天反沖洗消耗水量為2 834.0 m3；復(fù)合場動態(tài)反沖洗濾罐11 座，每天反沖洗消耗水量為1 243.0 m3。因此，較常規(guī)兩級過濾工藝相比，應(yīng)用復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)每天可減少反沖洗水量消耗1 591.0 m3，減少反沖洗水消耗量為56.1%，生產(chǎn)運行中每天可實際節(jié)電330 kWh，年節(jié)電12.05×104kWh，節(jié)約電費7.83 萬元/年，節(jié)約運行成本共計215.8 萬元/年（表4）。

表4 復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)與傳統(tǒng)兩級過濾技術(shù)對比Tab.3 Technical comparison of compound field dynamic backwashing technology and traditional two-stage filtration technology

5 結(jié)束語

（1）復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾工藝對聚驅(qū)采出水表現(xiàn)出較好處理效果，其處理能力和處理水質(zhì)均優(yōu)于油田常規(guī)過濾工藝。在來水含聚質(zhì)量濃度為300 mg/L 的情況下：當(dāng)來水含油質(zhì)量濃度為100 mg/L 時，單級過濾出水油和懸浮物含量可達到“雙10”標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)來水含油質(zhì)量濃度為150 mg/L時，單級過濾出水油和懸浮物含量可達到“雙20”標(biāo)準(zhǔn)。

（2）復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)對濾料再生效果好，反洗后濾料截留油平均去除率96.89%，可有效解決聚驅(qū)采出水過濾罐的濾料污染問題。

（3）復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾床過濾技術(shù)抗沖擊性較強，進水含油質(zhì)量濃度在596.2～2330.3 mg/L 范圍內(nèi)波動大、沖擊強度高的情況下，過濾效能和濾料反沖洗再生效果穩(wěn)定，過濾出水含油量平均值為36.8 mg/L，平均去除率為95.7%，能獲得較平穩(wěn)的過濾出水水質(zhì)。

（4）復(fù)合場動態(tài)反沖洗技術(shù)能夠替代現(xiàn)有的核桃殼+石英砂兩級過濾工藝，采用復(fù)合場動態(tài)反沖洗雙濾料過濾建設(shè)污水站，同等處理規(guī)模條件實現(xiàn)一次性建設(shè)投資降低19%，反沖洗成本降低57.0%。