于忠臣，劉長(zhǎng)春，董喜貴，劉書(shū)孟，孫冰，李可

（1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2大慶油田公司第二采油廠，黑龍江大慶163414）

隨著全球石油開(kāi)采產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，特別是聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)開(kāi)發(fā)技術(shù)在油田的推廣應(yīng)用，極大提高了原油采收率，實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)[1-2]。當(dāng)油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入到中后期時(shí)，儲(chǔ)層的壓力逐漸降低，通常采用向儲(chǔ)層注水的開(kāi)發(fā)方式來(lái)維持地層壓力和原油采收率，采出液處理后的回注是油田生產(chǎn)最佳的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)選擇之一。如果回注水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，將會(huì)導(dǎo)致油層堵塞和回注水壓力升高，最終導(dǎo)致原油采收率降低[3]。隨著油田含水率和含鹽率的不斷升高，油田開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量含油污水，它的高效處理和回用是油田生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。油田污水處理主要以物理法為主，一般采用混凝沉降、離心分離、氣浮和砂濾等工藝的組合[4-8]。

Zhang等[9]研究混凝沉降工藝處理油田含聚廢水，當(dāng)聚合氯化鋁（PAC）劑量為80mg/L和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）用量為0.8mg/L時(shí)，沉降時(shí)間為60min，含油污水濁度由153.8NTU降至11.2NTU，濁度去除率達(dá)92.69%，含油量和SS含量均小于10mg/L，達(dá)到油田回注標(biāo)準(zhǔn)要求。Motta等[10]采用聚結(jié)+微濾結(jié)合的方法對(duì)油田采出水進(jìn)行了除油試驗(yàn)研究，處理后的水中油脂含量在0.1～14.8mg/L。Zhang等[11]報(bào)道了膜蒸餾與預(yù)處理（沉淀軟化、核桃殼過(guò)濾）工藝結(jié)合處理頁(yè)巖油氣采出水。含油廢水中乳化油的粒徑通常小于10μm，很難通過(guò)機(jī)械或化學(xué)手段分離，Zhang等[12]報(bào)道了一種低壓電破乳技術(shù)，油滴在低電壓、低頻電場(chǎng)的作用下聚結(jié)破乳，結(jié)合深床過(guò)濾工藝低能耗回收油。Wei等[13]采用浸涂法制備一種超親水和水下超疏油石英砂濾料，新型濾料對(duì)油和水混合物的分離效率達(dá)到99.99%，水中分離出的油濃度僅為原石英砂濾池的1/8，其中乳化油濃度比原石英砂濾池低24.4%，在深床過(guò)濾中具有良好的油水分離效果。含油廢水經(jīng)過(guò)混凝沉降、聚結(jié)+微濾、膜蒸餾與預(yù)處理等工序處理后，廢水中的分散油、乳化油成分已經(jīng)明顯降低，為了確保出水符合污水回用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)顆粒濾床過(guò)濾其細(xì)菌以及固體懸浮物。顯然，深床過(guò)濾承擔(dān)著油田污水精細(xì)化處理的任務(wù)，發(fā)揮著重要的作用，其效果的好壞直接影響油田回注水的品質(zhì)，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

當(dāng)濾床運(yùn)行一段時(shí)間后，濾床孔隙被懸浮物所飽和時(shí)，需要對(duì)濾床進(jìn)行反沖洗以恢復(fù)其過(guò)濾效能。當(dāng)前的油田污水過(guò)濾技術(shù)仍沿用城市水處理領(lǐng)域的理論和技術(shù)，然而油田污水和城市水處理所涉及的目標(biāo)污染物和用途不同，在油田污水處理領(lǐng)域完全照搬和照抄城市水處理相關(guān)理論是不可行的[14-15]。特別是由于油田污水中聚合物的存在，聚合物吸附、滯留于濾床內(nèi)，油類、聚合物與濾料顆粒相互黏結(jié)形成較大的顆粒團(tuán)。反沖洗時(shí)，現(xiàn)有反沖洗技術(shù)不能使聚合物與濾料顆粒充分地離散和流化，導(dǎo)致濾床反沖洗再生不徹底，出現(xiàn)聚合物在濾床內(nèi)累積、濾床板結(jié)、過(guò)濾效率降低甚至作用失效的現(xiàn)象。Zhao等[16]發(fā)現(xiàn)采出水中殘留的聚丙烯酰胺（HPAM）使采出水處理變得更加困難。當(dāng)廢水中的HPAM殘留量從100mg/L增加到600mg/L時(shí)，在37℃下用600mg/L的PAC絮凝效果最好。De Deus等[17]研究粒徑和濾床高度對(duì)反沖洗過(guò)程中不同的水力行為，結(jié)果表明，隨著濾床高度變化，最小流化速度沒(méi)有差別，但是隨著砂粒尺寸的增加，最小流化速度會(huì)有所增加。Akgiray和Soyer[18]研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的形狀對(duì)濾層膨脹度影響最大，與反沖洗速度的雷諾數(shù)有關(guān)。為解決油田顆粒濾床反沖洗的問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者多年來(lái)對(duì)濾池反沖洗過(guò)程中水力行為的研究，依靠現(xiàn)有重力作用下水力反沖洗過(guò)程難以解決油田顆粒濾床反沖洗的問(wèn)題[19-20]。因此，如何實(shí)現(xiàn)油田顆粒濾床高效反沖洗，已經(jīng)備受業(yè)內(nèi)高度關(guān)注，成為亟待解決的問(wèn)題。

本文對(duì)顆粒濾床反沖洗技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和回顧，并結(jié)合反沖洗過(guò)程中流態(tài)化濾床水動(dòng)力學(xué)特性，提出油田顆粒濾床復(fù)合場(chǎng)反沖洗新方法，突破了重力場(chǎng)作用的濾料反沖洗再生效率低的技術(shù)瓶頸，豐富和發(fā)展了濾床水力反沖洗理論，為油田聚合物驅(qū)顆粒濾床的濾料反沖洗再生開(kāi)辟新途徑，為國(guó)家的能源戰(zhàn)略的需求及可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐和理論保障。

1 重力作用下濾料反沖洗再生原理

濾料再生機(jī)理對(duì)深床過(guò)濾器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義，許多學(xué)者對(duì)污染物從過(guò)濾介質(zhì)表面脫附的原因進(jìn)行討論，并對(duì)濾料清洗提出了不同的觀點(diǎn)。一般上，反沖洗是指利用反向水（氣）流沖洗濾床使顆粒流態(tài)化，顆粒空間置換作用的碰撞和摩擦效應(yīng)對(duì)其表面做功，使濾床得到清洗。在圖1中，描述了濾床反沖洗過(guò)程和濾料顆粒的運(yùn)動(dòng)，其中脫附過(guò)程是幾個(gè)變量的函數(shù)，包括流體剪切力和湍流混合。歸納起污染物的脫附作用，主要包括流體剪切、稀薄的水膜剪切、顆粒碰撞以及氣泡通過(guò)后的脈沖塌陷等[23]。

圖1 重力場(chǎng)下濾料顆粒運(yùn)動(dòng)和受力情況[21-22]

1.1 剪切作用脫附原理

在重力作用下過(guò)濾過(guò)程中，懸浮顆粒和過(guò)濾介質(zhì)發(fā)生碰撞并黏附，分離附著在顆粒沉積物需要施加一種脫附力，這種力要超過(guò)它們附著在顆粒上的黏附力[24]。許多研究人員認(rèn)為水流剪切力是使顆粒表面沉積物脫附的主要作用力。Ives等[25]認(rèn)為反沖洗水的能量幾乎全部用于使濾料懸浮，這就意味著全床流化態(tài)中顆粒碰撞或磨損所需要的能量很少，甚至可以忽略不計(jì)。此外，Amirtharajah等[26-27]在清洗砂濾池沉積物的試驗(yàn)中，未觀察到流體顆粒的碰撞。即使兩個(gè)顆粒相互靠近，它們之間的液體層也可能會(huì)出現(xiàn)壓力增加，從而產(chǎn)生較高的局部剪切力。Siwiec[28]的研究顯示了膨脹的顆粒除了提供顆粒之間的剪切力以幫助去除黏附在濾床上的雜質(zhì)外，還使雜質(zhì)更容易通過(guò)濾料間隙排出。Camp和Stein[29]研究發(fā)現(xiàn)，流體中的能量耗散（壓力損失或摩擦損失）僅與剪切應(yīng)力有關(guān)。對(duì)于牛頓流體中的層流，某一點(diǎn)處的剪切應(yīng)力與局部速度梯度有關(guān)，可表示為式(1)。

式中，τ為剪切應(yīng)力矢量，N/m2；G為流體速度梯度矢量，s-1；μ為動(dòng)態(tài)黏度，kg/(m·s)。Camp等[29]后來(lái)將速度梯度G的概念擴(kuò)展，以分析在過(guò)濾和反沖洗過(guò)程中過(guò)濾孔隙中的能量損失和剪切應(yīng)力。Amirtharajah等[26]在1972年建立了關(guān)于反沖洗過(guò)程中流體剪切的理論模型，非層流條件的平均速度梯度由式(2)給出。

式中，P/V為單位體積流體的耗散功率，其中P=Q·Δp，Q為反沖洗體積流量，m3/s；Δp為整個(gè)濾床的壓降，Pa；Δp與膨脹率有關(guān)。E為孔隙率，反沖洗速度vB與孔隙率ε之間的關(guān)系由Richardson-Zaki方程［式(3)］給出。

式中，vs為單個(gè)濾料顆粒的沉降速度；n為濾床膨脹系數(shù)。根據(jù)剪力理論，可得如下結(jié)論：沖洗效果取決于反沖洗速度梯度，速度梯度大則反沖洗效果好，與濾層膨脹度無(wú)關(guān)，后者只是影響速度梯度的因素之一。精確計(jì)算濾床所需要的最佳膨脹度，可以減少反沖洗過(guò)程中能量損耗。

1.2 顆粒碰撞脫附原理

Kawamura[30]認(rèn)為，根據(jù)最大流體剪切力預(yù)測(cè)的最佳反沖洗速率要遠(yuǎn)高于實(shí)際使用的速率，這意味著流體剪切可能不是反沖洗的最重要的機(jī)制，顆粒碰撞必須占主導(dǎo)地位。剪力理論的形成，是以濾料在反沖洗階段完全處于理想化懸浮狀態(tài)為依據(jù)的，實(shí)際上，在反沖洗過(guò)程中，局部區(qū)域存在水流速度差是很難避免的，濾料顆粒彼此碰撞、摩擦必然存在。Fitzpatrick[31]通過(guò)高速攝像（HSV）觀察反沖洗過(guò)程中顆粒和沉積物的分離，圖像顯示，無(wú)論是流化態(tài)還是脈沖式清洗濾床，明顯地觀察到顆粒碰撞現(xiàn)象。Jackson和Carver[32]在研究低溫表面清洗中的顆粒去除過(guò)程中，提出一種理論假設(shè)。他們認(rèn)為固體顆粒通過(guò)碰撞把自身的動(dòng)量傳遞給附著在顆粒表面的污染物顆粒，從而克服黏附力。根據(jù)顆粒碰摩擦理論，濾床中顆粒群碰撞次數(shù)可以由式(4)表示。

式中，N為單位體積顆粒群在單位時(shí)間內(nèi)碰撞次數(shù)，m-3·s-1；n為單位體積內(nèi)顆粒數(shù)，m-3；D為顆粒直徑，m。圖2簡(jiǎn)要介紹了顆粒碰撞脫附機(jī)理和黏附顆粒脫附的3種方式（拉升、滑動(dòng)和滾動(dòng)），描述了流體動(dòng)力的升力、阻力和力矩，以及濾料顆粒對(duì)黏附顆粒的碰撞力和摩擦力，其中c是兩顆粒相互碰撞的接觸點(diǎn)。圖中Mt是流體作用于黏附顆粒的水動(dòng)力力矩；FA是黏附力；Fcn是濾料顆粒作用于黏附顆粒的碰撞力；FD是水對(duì)黏附顆粒的阻力；FL是升力；f是摩擦力；圖中1、2分別指濾料顆粒和污染物顆粒。

1.2.1 拉升分離

對(duì)于一個(gè)黏附于表面的微顆粒，當(dāng)施加在顆粒上的力沿黏附表面的法向方向且該力的數(shù)值大于顆粒的黏附力時(shí)，即滿足式(5)。

黏附于表面的顆?？梢酝ㄟ^(guò)拉升作用被移除，其中升力[34]的表達(dá)為式(6)。

1.2.2 滑動(dòng)分離

當(dāng)施加在顆粒上的水平力大于顆粒的最大靜摩擦力時(shí)，顆粒就具備了被水平力移除的條件，即式(7)。

其中兩個(gè)顆粒的碰撞力[35]為式(8)。

式中，E*為有效楊氏模量；r*為有效半徑，m；vc為濾料顆粒相對(duì)于表面顆粒的碰撞速度，m3/s；m*為有效質(zhì)量，kg。

1.2 .3滾動(dòng)分離

當(dāng)作用在顆粒上的外力矩大于黏附力所引起的阻力力矩，黏附顆粒將從其平衡位置滾動(dòng)，并脫離濾料顆粒表面[36]，即滿足式(9)。

式中，Mc、MD、MA分別為碰撞力、阻力、黏附力產(chǎn)生的力矩。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒而言，當(dāng)顆粒受到水平方向的作用力時(shí)，滾動(dòng)條件較滑動(dòng)條件容易實(shí)現(xiàn)，然而當(dāng)顆粒為非完整球形或者在接觸面存在的塑性形變時(shí)，此時(shí)的滾動(dòng)移除機(jī)制就并非像以上所描述得如此簡(jiǎn)單，此時(shí)的移除機(jī)理更為復(fù)雜。

不同于上述兩點(diǎn)，一些學(xué)者認(rèn)為污染物從濾料表面脫附是顆粒碰撞和水流剪切兩者共同作用的結(jié)果。李圭白[37]根據(jù)濾床反沖洗的顆粒碰撞理論和水流剪切理論，提出反沖洗高效區(qū)的觀點(diǎn)，其中濾料上黏附牢固的污染物主要靠顆粒間的碰撞摩擦作用去除，而黏附不牢固的是靠水流剪切作用去除的。范瑾初[38]總結(jié)濾池反沖洗機(jī)理：①在濾料流化態(tài)之前，反沖洗效果完全依靠水力剪切作用；②從濾料流化態(tài)開(kāi)始至膨脹度達(dá)到某一最佳值，水流剪力和摩擦碰撞作用同時(shí)存在。隨著沖洗強(qiáng)度或膨脹度的增大，沖洗效果急劇提高，超過(guò)該值時(shí)，剪力雖有所增大，但碰撞摩擦作用逐漸減弱?；谶@兩種理論，于忠臣等[39]將反沖洗過(guò)程與離心分離結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種新型軸向動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)。其特點(diǎn)是可采用較大的反沖洗強(qiáng)度和較長(zhǎng)反沖洗歷時(shí)，通過(guò)強(qiáng)化核桃殼濾料流化程度和增大內(nèi)循環(huán)顆粒流的濃度，增強(qiáng)顆粒間的碰撞和摩擦作用。

2 重力作用下濾料反沖洗技術(shù)

濾料的再生是在反沖洗過(guò)程中濾料顆粒的位置變換和相互作用引起的流體剪切、顆粒碰撞及摩擦作用做功的結(jié)果。濾池反沖洗效果的好壞可以基于以下評(píng)價(jià)指標(biāo)：去污率、反沖洗出水濁度、水量消耗、反沖洗持續(xù)時(shí)間等[40-43]。根據(jù)這些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，許多研究者對(duì)濾池最佳反沖洗方法進(jìn)行了廣泛的研究。目前國(guó)內(nèi)外最常見(jiàn)的濾池反沖洗方法有3種，即水力反沖洗、氣水聯(lián)合反沖洗、加載場(chǎng)強(qiáng)化水力反沖洗。本文提到的加載場(chǎng)強(qiáng)化水力反沖洗主要指利用超聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)提高反沖洗效果。

2.1 水力反沖洗技術(shù)

2.1.1 高速水流反沖洗

在快濾池反沖洗過(guò)程中，濾料必須通過(guò)膨脹以清潔濾池，這種膨脹導(dǎo)致濾料顆粒劇烈地相互摩擦，將污染物從濾料表面脫附。因此，快濾池的反沖洗速度必須足夠大，使濾床膨脹達(dá)到一定程度并受到攪動(dòng)，從而讓污染物更容易從濾料表面脫附被上升的水流帶出濾池。一般來(lái)說(shuō)，最佳的反沖洗是指在水和能量消耗最小的情況，從濾料中分離出最大數(shù)量的污染物。早期水廠中顆粒濾床形式主要以慢速濾池[44]為主，絕大多數(shù)污染物被截留在濾床的表面，當(dāng)出水水質(zhì)下降時(shí)，通常做法是把上層濾料鏟除替換，以恢復(fù)濾池的過(guò)濾能力。等到了快濾池，美國(guó)的做法是在過(guò)濾池中增設(shè)環(huán)形攪動(dòng)耙，在清洗過(guò)程中攪動(dòng)上層濾料，加速污染物與濾料的分離，但是這類濾池反沖洗的強(qiáng)度僅有1.7～3.4L/(m2·s)，在正常情況下，濾床在這種低速反沖洗條件下得不到徹底清潔[45]。在20世紀(jì)初，美國(guó)辛辛那提凈水廠開(kāi)始采用高速水流反沖洗法[46]，即反沖洗速率為10～16L/(m2·s)。這種反沖洗方法的特點(diǎn)是相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需要人為干預(yù)或電子控制，且沖洗效果明顯，在美國(guó)以及日本等國(guó)家得到長(zhǎng)期且廣泛地運(yùn)用。長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)高的沖洗強(qiáng)度不僅破壞承托層，而且濾料因膨脹度過(guò)大而流失嚴(yán)重，濾床達(dá)到一定膨脹度時(shí)，不同級(jí)配的濾料在水力作用下產(chǎn)生分級(jí)現(xiàn)象[15]。當(dāng)再次過(guò)濾時(shí)，由于上層濾料粒徑小且孔隙小，整個(gè)濾床的表層會(huì)很快堵塞，而此時(shí)下層濾料的截污能力還沒(méi)有得到充分發(fā)揮。因此，開(kāi)發(fā)表面沖刷輔助上流式水洗，攪動(dòng)并打破快濾池的表層，以幫助反沖洗水清除其中的污染物[47]。

2.1.2 表面沖洗輔助上流式水洗

在濾層表面上方約5cm處使用水射流的表面清洗系統(tǒng)，提高表層濾料顆粒的攪拌。表面清洗系統(tǒng)由安裝在濾池中的一系列管道組成，將高速水噴射作用引入過(guò)濾器的上層。這種噴射作用通常由反沖洗時(shí)激活的旋轉(zhuǎn)臂提供。但更容易因機(jī)械故障而失效。這種方法在美國(guó)被廣泛用于提高流化床反沖洗的效率，但在世界其他地方很少使用。最新的表面沖洗技術(shù)同空氣沖洗相結(jié)合，在水洗之前先進(jìn)行空氣沖刷破壞濾料表層，再通過(guò)水洗帶走污染物。

這類技術(shù)所需要的設(shè)施比較簡(jiǎn)單，反沖洗的強(qiáng)度比較穩(wěn)定，過(guò)度或者過(guò)小都不能達(dá)到最佳反沖洗效果。針對(duì)成分單一、沒(méi)有較大變化的水體，具有最佳的反沖洗效果。

2.2 氣水聯(lián)合反沖洗技術(shù)

19世紀(jì)末，英國(guó)人先采用空氣對(duì)浸濕的濾料進(jìn)行吹洗，再進(jìn)行水反沖洗，這一做法被認(rèn)為是氣水反沖洗的雛形。盡管空氣沖洗輔助水洗的清洗效果明顯，但是濾池配水配氣不均勻一直困擾著氣水反沖洗的發(fā)展，直到長(zhǎng)柄濾頭出現(xiàn)，這一問(wèn)題得以解決。從這以后，關(guān)于濾池空氣/水的機(jī)理研究的一系列問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。Amirtharajah等[48-49]從微觀的角度對(duì)空氣沖刷動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了理論分析，以解釋當(dāng)空氣和水同時(shí)流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)的復(fù)雜流動(dòng)模式。Yang等[50]為了提高上流式生物曝氣濾池（BAF）中的反沖洗效率，提出了虹吸反沖洗（AWSB）并闡明其中的原理。結(jié)果表明，AWSB在清除結(jié)垢方面比空氣水反沖洗（AWB）更有效。與AWB相比，AWSB所需的水更少，反沖洗時(shí)間更短。Fu等[51]在中試規(guī)模的曝氣生物濾池（BAF）中，對(duì)4種空氣和水強(qiáng)度組合的反沖洗方式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，比較反沖洗出水的固體懸浮物（SS）和濁度，確定最佳反沖洗強(qiáng)度。氣水聯(lián)合反沖洗時(shí)，眾多小氣泡從濾料底層開(kāi)始出現(xiàn)，氣泡在上升過(guò)程中不斷克服濾料間的摩擦阻力變大，并將濾床上層的濾料擠到周圍形成通道。由于受到通道的限制，氣泡在通道內(nèi)上升過(guò)程中呈圓柱形。一般來(lái)說(shuō)，氣泡越大，擾動(dòng)周圍濾料的能力就越強(qiáng)。當(dāng)氣泡抵達(dá)濾料表層破裂時(shí)，濾料受到較強(qiáng)翻卷，加劇濾料顆粒間相互碰撞和摩擦，這種現(xiàn)象被Amirtharajah稱為“崩潰-脈沖”[27]。Park等[52]發(fā)現(xiàn)小氣泡比大氣泡更有效地去除生物濾池中的生物質(zhì)，但是，微氣泡（D=10～100μm）體積太小且上升太慢而無(wú)法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的崩潰-脈沖效應(yīng)。

氣水反沖洗技術(shù)可以被看作是一種濾料不膨脹清洗技術(shù)，典型代表濾池是V形濾池，進(jìn)水槽形狀像V形而得名，如圖3所示。空氣-水聯(lián)合反沖洗的3種操作模式分別為：①在水反沖洗之前進(jìn)行空氣沖洗?？諝鉀_洗會(huì)促進(jìn)懸浮顆粒從濾料的表面脫附且不會(huì)使濾床膨脹，低強(qiáng)度的水洗會(huì)使過(guò)濾床稍微膨脹，脫附的懸浮顆粒會(huì)被水流帶出濾池。這種方法可以防止濾料大量流失，比較適用于精細(xì)過(guò)濾介質(zhì)和低密度過(guò)濾介質(zhì)的清洗。②先用空氣-水同時(shí)沖洗，然后用水單獨(dú)反沖洗。③先用空氣沖洗，然后再進(jìn)行空氣-水同時(shí)沖洗，最后用水沖洗。

圖3 V形濾池氣水聯(lián)合反沖洗[53]

V形濾池是氣水反沖洗加表面沖洗的綜合體現(xiàn)，它采用均質(zhì)粗濾料，其配水系統(tǒng)采用長(zhǎng)柄濾頭配水系統(tǒng)，是一種比較成熟的濾池氣水反沖洗技術(shù)[54-55]。與單水反沖洗相比，氣水反沖洗用水量較小，反沖洗效果更好。因此，我國(guó)一部分的舊濾池逐漸由單水、單氣反沖洗逐漸向氣水聯(lián)合反沖洗改造。然而，在實(shí)際工程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和施工等原因，V形濾池在反沖洗過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。例如，氣、水反沖洗強(qiáng)度過(guò)大、反沖洗不均勻、反沖洗排水不均勻以及橫向掃洗效果不佳。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)氣水反沖洗過(guò)程流體流動(dòng)進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬。Han等[56]利用CFD模擬了過(guò)濾和氣水反沖洗的循環(huán)過(guò)程，探索反沖洗系統(tǒng)中最佳空氣/水反沖洗強(qiáng)度比。Kim等[57]研究海水過(guò)濾的最佳濾床反沖洗方法，通過(guò)試驗(yàn)得出3種反沖洗方法的效率，其中氣洗和亞流化水洗同時(shí)進(jìn)行＞氣洗加流化水洗＞流化速度下單獨(dú)水洗。另外，數(shù)值計(jì)算的后續(xù)分析得出氣洗和亞流化水洗同時(shí)進(jìn)行的顆粒剪切速率最大，氣洗加流化水洗次之，流化速度下單獨(dú)水洗最小，驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。李景海等[58]采用Eulerian-Eulerian模型，對(duì)石英砂濾層反沖洗過(guò)程中水的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬。

2.3 加載場(chǎng)強(qiáng)化水力反沖洗技術(shù)

廣義上，“場(chǎng)”是指物理參數(shù)沿著空間和時(shí)間連續(xù)分布的物理量[59]，而濾料反沖洗過(guò)程中場(chǎng)的作用相對(duì)較窄，是指濾料占據(jù)空間內(nèi)影響濾料反沖洗再生作用的物理場(chǎng)，如重力場(chǎng)。加載場(chǎng)是指在重力場(chǎng)水力反沖洗過(guò)程中加載外力的區(qū)域。眾所周知，上流式水洗是一種弱反沖洗，往往導(dǎo)致濾料的清潔不夠，但是加載外力強(qiáng)化水力反沖洗過(guò)程的方法已經(jīng)變得十分有效。本文討論了幾個(gè)常見(jiàn)的加載場(chǎng)，如超聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

2.3.1 超聲場(chǎng)強(qiáng)化水力反沖洗技術(shù)

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，是機(jī)械波的一種[60]。含有超聲波的區(qū)域被稱為超聲場(chǎng)，超聲場(chǎng)在清洗過(guò)程中產(chǎn)生的物理效應(yīng)為機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)等[61]。

超聲波清洗技術(shù)最初用在電子、機(jī)電和醫(yī)藥行業(yè)，由于電子器件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不一以及尺寸相對(duì)較小，很難用傳統(tǒng)的方法清洗，而超聲波產(chǎn)生的巨大能量可以清除清洗器件上黏結(jié)力較大的污垢[62]。超聲波之所以能對(duì)水中的濾料進(jìn)行清洗，得益于振子將電能轉(zhuǎn)化機(jī)械振動(dòng)（圖4）。高強(qiáng)度超聲輻射使液體中空化泡快速完成由形成、生長(zhǎng)和破裂等這一系列變化，當(dāng)濾料顆粒附近的空化泡被擊潰時(shí)，周圍液體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部高溫和高壓，使濾料表面上的微小污染物更容易暴露在液體流動(dòng)中。因?yàn)槌晥?chǎng)與重力場(chǎng)相互耦合，濾床中顆粒碰撞、摩擦效應(yīng)得以強(qiáng)化，從而提高反沖洗效果。Wang等[64]探討了超聲輔助酸洗納濾膜中無(wú)機(jī)垢在最佳條件下的效率。與傳統(tǒng)酸洗（pH=2.0）相比，在pH=3.0、溫度為30℃、超聲強(qiáng)度為1W/cm2下清洗時(shí)間可以縮短（1/3）～（2/3），膜水通量恢復(fù)75%左右。Nguyen等[65]研究了超聲波對(duì)船舶油過(guò)濾器的清洗效果，在相同條件下與其他兩種清洗方式（手洗和預(yù)洗）相比，超聲波清洗技術(shù)更加高效、操作簡(jiǎn)單。超聲波反沖洗技術(shù)作為一項(xiàng)新型的反沖洗技術(shù)，與其他如機(jī)械攪拌反沖洗和化學(xué)反沖洗技術(shù)相比，具有清洗速度快、效率高、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)。

2.3.2 溫度場(chǎng)強(qiáng)化水力反沖洗技術(shù)

隨著廢水成分愈加復(fù)雜，尤其是在工業(yè)中，過(guò)濾器清洗變得越來(lái)越困難，反沖洗方法的選擇一部分取決于所選過(guò)濾介質(zhì)和廢水的類型。列舉一個(gè)典型的例子，如油田水處理。大多數(shù)的油田采用核桃殼過(guò)濾器來(lái)過(guò)濾油和懸浮物。根據(jù)第2節(jié)可知，溫度的改變可以直接影響流體的黏度，進(jìn)而影響床層膨脹和流化條件等。一般而言，較高的溫度有助于降低液體的表面張力和黏度，可以破壞某些雜質(zhì)和濾料顆粒之間的黏附鍵。如果溫度過(guò)低，在油田反沖洗過(guò)程中附著在濾料表面的污油無(wú)法完全融化，作用在受污染濾料上的脫附力減小，影響濾料的再生效果。溫度越高，污油的黏度越低，其通過(guò)管道和閥門的阻力就越小，系統(tǒng)的能耗也會(huì)越低。有關(guān)溫度場(chǎng)強(qiáng)化反沖洗的研究還很少，但是生物濾池對(duì)溫度的變化比較的敏感，在低溫條件下，生物濾池的反沖洗效果變得很差。Piche等[66]在兩種溫度（15～25℃和0～5℃）條件下，對(duì)生物濾池進(jìn)行了不同的反沖洗方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，改變反沖洗方法和控制水頭損失在溫水環(huán)境中更加敏感。隨著過(guò)濾器的使用年限不斷增加，其過(guò)濾效率也在不斷下降，同時(shí)原定的反沖洗頻率以及強(qiáng)度無(wú)法取得較好的反沖洗成效。因此，油田會(huì)定期更換濾料并停運(yùn)徹底清洗過(guò)濾器。清洗過(guò)程中投加除油劑并升溫，從而改變?yōu)V層孔隙結(jié)構(gòu)使其松散，必要時(shí)通過(guò)升溫改善反沖洗效果可以看作一種有效手段。

油田采出水中含有油類、聚合物、細(xì)菌和大量固體懸浮物，在過(guò)濾過(guò)程中堵塞過(guò)濾器并致使濾料板結(jié)。超聲場(chǎng)自身的物理效應(yīng)可以提高濾床反沖洗強(qiáng)度，加快濾料的流化速度，除垢效果好。采出水中殘留的HPAM、油類與濾料顆粒形成黏附力較大的顆粒團(tuán)，引入溫度場(chǎng)可以破壞某些雜質(zhì)和濾料顆粒之間的黏附鍵，在原有的水力作用下較快清潔濾床，延長(zhǎng)反沖洗周期。

3 重力場(chǎng)反沖洗新發(fā)展——復(fù)合場(chǎng)反沖洗技術(shù)

所謂復(fù)合場(chǎng)反沖洗是指反沖洗過(guò)程中利用兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用，來(lái)強(qiáng)化濾床水力反沖洗過(guò)程的行為。將旋流場(chǎng)加載于濾床重力場(chǎng)的水力反沖洗過(guò)程，構(gòu)建了基于旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)耦合的復(fù)合場(chǎng)反沖洗體系[67-68]。

復(fù)合場(chǎng)反沖洗方法理論基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)在于，在反沖洗過(guò)程中通過(guò)復(fù)合場(chǎng)強(qiáng)化重力場(chǎng)中顆粒間剪切、碰撞和摩擦作用力（主要包括離心作用力、流體曳力和向心浮力等），形成界面脫附效應(yīng)；同時(shí)，內(nèi)循環(huán)顆粒流交替受到重力場(chǎng)和復(fù)合場(chǎng)作用，產(chǎn)生界面脫附和選擇分離效應(yīng)的空間協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了濾料多次原位動(dòng)態(tài)反沖洗。董喜貴等[69]基于復(fù)合場(chǎng)反沖洗方法理論，采用一種新型的軸向動(dòng)態(tài)反沖洗過(guò)濾器開(kāi)展油田含聚污水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在反沖洗時(shí)間15min，反沖洗強(qiáng)度在8.8L/(m2·s)的條件下，過(guò)濾器內(nèi)截留油排除率96.23%，核桃殼濾料油去除率為98.93%。復(fù)合場(chǎng)反沖洗過(guò)程同步實(shí)現(xiàn)了濾料顆粒和反沖洗廢水的空間分離作用，有效解決了現(xiàn)有反沖洗技術(shù)存在濾料再生不徹底、濾料流失和出水篩孔堵塞等問(wèn)題?？傊脠?chǎng)的視角和理論來(lái)分析濾床的反沖洗過(guò)程，充分發(fā)揮場(chǎng)的優(yōu)良特性，研究場(chǎng)的特性在復(fù)合場(chǎng)反沖洗體系中的作用，使濾床水力反沖洗過(guò)程更加高效、可控，力求突破重力場(chǎng)作用的技術(shù)瓶頸，將濾床反沖洗過(guò)程提升到場(chǎng)的高度。為油田顆粒濾床反沖洗提供新方法，將豐富和發(fā)展濾床的重力場(chǎng)水力反沖洗理論。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析流態(tài)化濾床的水動(dòng)力學(xué)特性，闡明重力作用下顆粒濾床的水力剪切和顆粒碰撞作用原理。同時(shí)，回顧了單獨(dú)水反沖洗技術(shù)和氣水聯(lián)合反沖洗技術(shù)，詳細(xì)分析了溫度場(chǎng)和超聲場(chǎng)對(duì)顆粒濾床水力反沖洗過(guò)程的強(qiáng)化作用。隨著油田采出水成分愈加復(fù)雜，單獨(dú)水反沖洗的反沖洗強(qiáng)度不夠，難以達(dá)到搓洗效果。氣水反沖洗在單獨(dú)水反沖洗的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可以采取更大的反沖洗強(qiáng)度和反沖洗時(shí)間，反沖洗效果較好。由于油田采出水殘留的大量聚合物，造成濾料板結(jié)嚴(yán)重，氣水反沖洗不均勻，過(guò)濾器憋壓。在此基礎(chǔ)上，基于場(chǎng)的角度提出了油田顆粒濾床復(fù)合場(chǎng)反沖洗新方法，多場(chǎng)耦合突破重力作用下濾料反沖洗再生效率低的技術(shù)瓶頸，豐富和發(fā)展了濾床水力反沖洗理論，為油田顆粒濾床反沖洗再生開(kāi)辟新途徑。