閆旭濤，馬慶偉，劉亮，許硯城，朱瑞龍

(1.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司 定邊采油廠，陜西 定邊 718600)

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的大量污水經(jīng)過(guò)處理后要回注地層[1]，常規(guī)的處理工藝為自然沉降+氣浮混凝+多介質(zhì)過(guò)濾，能量消耗大，水的回用率低，且存在水的二次污染等問(wèn)題。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了利用膜分離技術(shù)處理含油污水的研究[2]。膜分離技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、操作方便、分離效率高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視，也成為含油污水處理的一個(gè)發(fā)展方向[3-8]，但膜的抗污染程度制約著膜技術(shù)在含油污水中的應(yīng)用。

無(wú)機(jī)炭膜是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型分離膜，采用了新型復(fù)合碳材料，具有極強(qiáng)的親水性、過(guò)濾通量大、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)和耐磨損性好等特點(diǎn)，在處理含油污水方面表現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是其他膜無(wú)法比擬的，具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

油田采出污水，取自延長(zhǎng)油田某聯(lián)合站，經(jīng)過(guò)自然除油，混凝沉降，進(jìn)入無(wú)機(jī)炭膜處理裝置，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)機(jī)炭膜進(jìn)水的水質(zhì)

無(wú)機(jī)炭膜(外形尺寸865 mm×146 mm，單支膜面積0.8 m2，過(guò)濾孔徑0.04 μm，通道尺寸φ3 mm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

無(wú)機(jī)炭膜精細(xì)過(guò)濾裝置為撬裝式設(shè)備，裝置自制，配備有雙支無(wú)機(jī)炭膜，膜面積1.6 m2，裝置可以在自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式下運(yùn)行，通過(guò)錯(cuò)流過(guò)濾截留水中的所有非溶性油污、乳化油污及懸浮顆粒，截留的雜質(zhì)通過(guò)濃水口直接排污。

無(wú)機(jī)炭膜精細(xì)過(guò)濾裝置位于油田采出水混凝沉降預(yù)處理后的出口、采出水凈化水罐的入口之間，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)機(jī)炭膜精細(xì)過(guò)濾系統(tǒng)工藝流程圖

在進(jìn)水流量4.5 m3/h的條件下，經(jīng)過(guò)炭膜的錯(cuò)流過(guò)濾，得到產(chǎn)水和濃水，調(diào)節(jié)濃水端的調(diào)節(jié)閥控制產(chǎn)水流量，測(cè)得不同產(chǎn)水流量下跨膜壓差，通過(guò)跨膜壓差的變化情況，反映膜通量的變化，并確定該水質(zhì)條件下最佳水的回收率(產(chǎn)水流量/進(jìn)水流量)。

跨膜壓差=(進(jìn)水端壓差+產(chǎn)水端壓差)/2

2 結(jié)果與討論

2.1 水的回收率對(duì)跨膜壓差的影響

在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水質(zhì)變化不大，水溫度22 ℃的條件下，通過(guò)濃水端調(diào)節(jié)閥對(duì)濃水流量進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)整水的回收率，考察回收率對(duì)跨膜壓差的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知,在水的回收率分別為65%，70%，75%條件下，跨膜壓差比較平穩(wěn)，無(wú)明顯上升趨勢(shì)，表明水的回收率保持在75%以下，系統(tǒng)都能穩(wěn)定運(yùn)行；水的回收率為80%時(shí)，系統(tǒng)的跨膜壓差有一定的起伏，但起伏的幅度能夠保持穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)也能夠正常運(yùn)行；而當(dāng)回收率上升到85%后，跨膜壓差隨著時(shí)間的推移，上升趨勢(shì)明顯，表明在此回收率下，污垢在膜表面沉積比較嚴(yán)重，已經(jīng)導(dǎo)致膜過(guò)濾通道堵塞，通量無(wú)法完全恢復(fù)。綜合考慮系統(tǒng)反洗要求和水的回收率等因素，確定系統(tǒng)回收率為75%。

圖2 水回收率對(duì)跨膜壓差的影響

2.2 溫度對(duì)跨膜壓差的影響

在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%時(shí)，考察處理水的溫度對(duì)跨膜壓差的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)跨膜壓差的影響

由圖3可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水溫10～40 ℃下的跨膜壓差波動(dòng)不大，基本保持穩(wěn)定。水溫為40 ℃時(shí)的跨膜壓差較水溫為10 ℃時(shí)的跨膜壓差有所下降，這可能與水溫升高，經(jīng)過(guò)膜表面的富含有機(jī)物、無(wú)機(jī)物及油的油田水的粘度有所下降，通過(guò)膜過(guò)濾時(shí)的阻力降低有關(guān)，適當(dāng)?shù)靥岣叽幚硭臏囟扔欣谀さ姆蛛x效果。由于原油采出液油水分離后的水溫也較高，綜合考慮能源成本，無(wú)機(jī)炭膜處理裝置的操作溫度為20～25 ℃最佳。

2.3 反洗對(duì)跨膜壓差的影響

無(wú)機(jī)炭膜精細(xì)過(guò)濾系統(tǒng)采用錯(cuò)流方式運(yùn)行，由于水中含有較高的油及懸浮物，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些物質(zhì)在膜表面的沉積不可避免，造成膜通量下降和跨膜壓差的升高，影響了膜的處理效果，也成為制約膜技術(shù)推廣的瓶頸。因此，研究無(wú)機(jī)炭膜的反洗方式及反洗頻率，降低膜的污染程度，保持膜的高通量尤為重要。

2.3.1 脈沖反洗對(duì)跨膜壓差的影響 連續(xù)脈沖式膜再生技術(shù)是通過(guò)壓縮空氣在膜表面產(chǎn)生高頻脈沖式?jīng)_擊水波，沖擊剝離膜進(jìn)水側(cè)表面截留污染物，使膜表面堅(jiān)實(shí)的濾餅無(wú)法形成，保持了膜通道的暢通，避免了膜污染程度的不斷加深，從而實(shí)現(xiàn)了膜的在線連續(xù)再生，保證了膜長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%，水溫為20 ℃，系統(tǒng)開(kāi)啟脈沖反洗與關(guān)閉脈沖反洗功能，考察脈沖反洗對(duì)膜通量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 脈沖反洗對(duì)跨膜壓差的影響

由圖4可知，在脈沖反洗功能關(guān)閉條件下，系統(tǒng)的跨膜壓差呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，從測(cè)試初始的18.7 kPa 逐漸升至24.0 kPa左右。表明在系統(tǒng)脈沖反洗功能關(guān)閉的情況下，膜表面存在污染物沉積，且不能得到及時(shí)的清理，導(dǎo)致膜的過(guò)濾功能不能得到恢復(fù)。在脈沖反洗開(kāi)啟條件下，系統(tǒng)跨膜壓差保持穩(wěn)定，基本保持在19.5～21.0 kPa，無(wú)明顯的上升趨勢(shì)，表明經(jīng)過(guò)脈沖反洗使膜系統(tǒng)得到完全再生。

2.3.2 反洗周期對(duì)跨膜壓差的影響 無(wú)機(jī)炭膜材料具有良好的親水性，耐油污染能力強(qiáng)，在最佳的運(yùn)行參數(shù)下，可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定運(yùn)行。由于油田采出水的復(fù)雜性，膜表面污染物的沉積不可避免，本實(shí)驗(yàn)采取通用的反沖洗對(duì)膜功能進(jìn)行恢復(fù)，在進(jìn)水流量為4.5 m3/h，水的回收率為75%，水溫為20 ℃，20，30，40，50 min的時(shí)間間隔對(duì)膜進(jìn)行反沖洗，考察反洗周期對(duì)跨膜壓差的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 反洗時(shí)間間隔對(duì)跨膜壓差的影響

由圖5可知，系統(tǒng)在反洗時(shí)間間隔分別為20，30，40 min條件下運(yùn)行，跨膜壓差的差值波動(dòng)范圍基本維持在1.5～2.7 kPa，系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn)，說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，反洗能夠及時(shí)地將炭膜表面污堵物沖洗出來(lái)，跨膜壓差維持穩(wěn)定；將反洗時(shí)間間隔上升至50 min后，系統(tǒng)跨膜壓差穩(wěn)定一段時(shí)間后明顯上升，差值為11 kPa，表明反洗時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)反洗無(wú)法使膜的過(guò)濾性能得到完全恢復(fù)。綜合系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，系統(tǒng)反洗周期為30 min比較合適。

2.4 膜處理水質(zhì)效果

膜過(guò)濾端產(chǎn)水的外觀為無(wú)色，清澈透明，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 膜濾后產(chǎn)水水質(zhì)[10]

由表2可知，膜過(guò)濾后，產(chǎn)水含油量不大于3.0 mg/L，懸浮物不大于1.0 mg/L，粒徑中值也不大于1.0 μm，水質(zhì)符合低滲透油田回注水的要求。

3 結(jié)論

(1)含油量25～30 mg/L，懸浮物含量15～35 mg/L 的油田采出水，采用孔徑0.04 μm的無(wú)機(jī)炭膜處理，在水溫20～25 ℃、水的回收率75%及反洗周期30 min的運(yùn)行條件下，處理后水質(zhì)穩(wěn)定，含油量和懸浮物含量均滿足《SY/T 5329—2012 碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》中低滲透油田回注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)無(wú)機(jī)炭膜表面污染物可通過(guò)水的反沖洗并結(jié)合脈沖反洗予以清除，使膜的過(guò)濾功能得到恢復(fù)，反洗周期30 min。