隨著注聚合物開發(fā)技術在大慶油田的推廣應用，致使油田采出液中聚合物的濃度迅速增加，對現(xiàn)有核桃殼深床過濾工藝帶來較大影響，突出表現(xiàn)在聚合物包裹濾料表面、濾料局部板結、濾料再生效果差、濾料流失〔1〕。據(jù)統(tǒng)計大慶油田每天含油污水 量已經(jīng)達到了1.425×106 m3以上，每年大約有十幾億噸油田污水需要處理，如果含聚污水處理后水質超標嚴重，將影響油田污水回注，給生產帶來巨大影響〔2〕。尤其在“十二五”期間，油田將開展高濃度、高相對分子質量聚合物開發(fā)礦場試驗，屆時含油污水中的聚合物濃度將進一步提高，核桃殼過濾工藝將面臨新的、更大的挑戰(zhàn)。筆者針對核桃殼濾料反沖洗再生方法存在的問題〔3〕，研究開發(fā)出了一種新型的軸向動態(tài)反沖洗技術〔4〕，為解決過濾高含聚污水濾料反沖洗再生提供一種新的途徑和方法。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗裝置
軸向動態(tài)反沖洗過濾器試驗裝置由軸向動態(tài)反沖洗過濾器、水箱、潛水泵、流量計、流量控制閥和反沖洗控制系統(tǒng)等組成。軸向動態(tài)反沖洗過濾器尺寸為D 0.4 m×2.6 m，裝填0.8~1.2 mm脫脂核桃殼濾料，濾床高度為1.2 m。含聚質量濃度為380 mg/L。試驗工藝流程如圖 1所示。
圖 1 試驗工藝流程
1.2 軸向動態(tài)反沖洗技術工作原理及過程
軸向動態(tài)反沖洗技術的過濾過程與常規(guī)工藝類似。技術關鍵在于反沖洗過程，其核心是將旋流分離技術應用于濾料的反沖洗過程，通過軸向渦輪使反沖洗-濾料混合液作速度v螺旋型旋轉運動，其運動模式及工作原理如圖 2所示。
圖 2 顆粒運動和碰撞原理
由圖 2可見，在旋切方向上，前后濾料顆粒作跟隨運動，顆粒間不斷碰撞產生旋切向碰撞力FD。在徑向上，由于離心分離作用顆粒間不斷碰撞產生徑向碰撞力Fp。螺旋型旋轉作用使濾料顆粒之間不斷碰撞，強化了濾料顆粒間的搓洗作用。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，核桃殼表面的包裹物得以剝離，核桃殼濾料得到有效清洗。與此同時，剝離的包裹物與濾料之間具有一定的密度差，旋轉運動產生的離心分離作用使密度比水輕的油類污染物可隨水流沿中心管排出，密度大的濾料則沿器壁運動，并在過濾器內循環(huán)流動，最終實現(xiàn)有效分離。
1.3 分析方法
1.3.1 懸浮物量和含油量的測定
水樣懸浮物量采用重量法測定（Q/SY DQ1281—2009）；水樣含油量采用石油醚萃取分光光度法測定（SY/T 0530—2011）。
1.3.2 核桃殼濾料油量測定
（1）濾料石油醚萃取。將核桃殼濾料裝入250 mL磨口錐形瓶內，加入體積V mL石油醚、100 mL蒸餾水和體積比1∶1鹽酸5~10 mL，輕輕搖動錐形瓶使氣體反應完全，然后將錐形瓶蓋緊放置于振蕩器振蕩30~60 min至萃取完全。
（2）萃取液含油量測定。利用石油醚萃取分光光度法（SY/T 0530—2011）測定萃取液吸光度A，并記錄。
（3）核桃殼烘干稱重。將油萃取完全核桃殼濾料放置于（105±1） ℃鼓風干燥箱中干燥2 h至恒重，利用天平稱量其重量m，并記錄。
（4）核桃殼濾料油量ξ。
式中：A——被測萃取液吸光度；
V——石油醚體積，mL；
n——稀釋倍數(shù)；
k——吸光系數(shù)；
m——核桃殼濾料干重，g。
2 試驗結果和討論
2.1 軸向動態(tài)反沖洗過濾器過濾試驗
試驗過濾速度為15.0~20.0 m/h，定時取過濾進水和出水水樣，測定進出水含油量和懸浮物量，以考察軸向動態(tài)反沖洗過濾器過濾含聚污水油和懸浮物去除效果，結果如圖 3所示。
圖 3 含聚污水油及懸浮物過濾性能曲線
由圖 3可見，進水平均含油質量濃度為47.98 mg/L。過濾后出水平均含油質量濃度為1.85 mg/L，去除率為96.0%。還可以看出，進水懸浮物平均質量濃度為47.7 mg/L，出水懸浮物平均質量濃度為10.3 mg/L，懸浮物平均去除率為78.1%。軸向動態(tài)反沖洗過濾器表現(xiàn)出較好的油和懸浮物去除效能。這主要是采用軸向動態(tài)反沖洗技術對核桃殼濾料進行再生，濾料反洗再生徹底，核桃殼濾料既能發(fā)揮其表面作用，又能發(fā)揮其深床過濾作用〔5〕，使出水含油量和懸浮物量穩(wěn)定在一個較低的范圍內，表現(xiàn)出優(yōu)良的過濾效能。
2.2 軸向動態(tài)反沖洗過濾器反沖洗強度確定
考察了不同反沖洗強度下，15 min反沖洗歷時反沖洗廢水含油量的變化規(guī)律，結果如圖 4所示。
圖 4 不同反沖洗強度下反沖廢水含油量與反沖洗歷時的關系
由圖 4可見，隨著反沖洗歷時的增加，反沖洗廢水含油量的變化具有相同的趨勢。在0~1 min內，反沖洗廢水中含油量急劇增加并達到最大值。在1~7 min內，反沖洗廢水中含油量明顯減小。在7~15 min內，反沖洗廢水中含油量逐漸降低最終達到平穩(wěn)狀態(tài)。反沖洗強度大于8.8 L/（s·m2）時，反沖洗歷時15 min反沖洗廢水含油質量濃度小于46.5 mg/L，說明過濾器內截留油已排除徹底，濾料已獲得良好反洗再生。同時增大反沖洗強度反沖洗廢水含油量達到平衡的狀態(tài)所用的時間逐漸縮短。
同時，通過在反沖洗歷時15 min時〔6〕，過濾器截留油排除效率（排除油量與過濾器截留總油量之比的百分數(shù)）來評價不同反沖洗強度截留油的排除效能。其中過濾器截留總油量為不同反沖洗歷時反沖洗廢水含油量曲線對橫坐標積分值與相應的反沖洗水流量的乘積而得，試驗通過分析不同反沖洗歷時和反沖洗廢水含油量的變化關系及過濾器內截留油排除效率〔7〕，進而確定優(yōu)化的反沖洗強度。
對于不同反沖洗強度，反沖洗廢水含油量在反沖洗歷時1 min或2 min達到最高值。在反沖洗歷時15 min時，較高的反沖洗強度的反沖洗廢水含油量較低，說明核桃殼清洗干凈，反沖洗效果好。當反沖洗強度小于8.8 L/（s·m2）時，增加反沖洗強度，截留油去除率呈上升趨勢。當反沖洗強度大于8.8L/（s·m2）時截留油去除率基本穩(wěn)定，且明顯高于小于反沖洗強度8.8 L/（s·m2）時的截留油去除率。反沖洗強度8.8 L/（s·m2）時，截留油去除率為96.23%，核桃殼已能夠獲得充分清洗，反沖洗效果良好。
2.3 濾料反洗再生效果
2.3.1 反沖洗強度對濾料反洗再生效果影響
試驗考察了軸向動態(tài)反沖洗過濾器在7.0、8.8 L/（s·m2）不同強度和相同反洗歷時15 min反沖洗后，通過對比濾層深度為0、250、500 mm處核桃殼濾料油量，進而驗證反沖洗強度對濾料再生效果的影響，其結果如圖 5所示。
圖 5 反沖洗后核桃殼濾料油量對比
由圖 5可見，反沖洗強度8.8 L/（s·m2）濾層中不同位置濾料反洗再生程度基本相同，反沖洗后核桃殼濾料油量較低。經(jīng)反沖洗強度7.0 L/（s·m2）反沖洗后，平均核桃殼油量6.1 mg/g，而反沖洗強度8.8 L/（s·m2）反沖洗后，平均核桃殼油量0.51 mg/g。這主要是因為增大反沖洗強度，核桃殼濾料流化程度提高，內循環(huán)顆粒流的濃度增大，顆粒間的碰撞作用強烈〔8〕，污染物的剝離作用發(fā)揮充分。
2.3.2 不同反沖洗方式濾料反洗再生效果對比
試驗在反沖洗強度8.8 L/（s·m2）和反沖洗時間15 min條件下，經(jīng)過6個月長時間連續(xù)運行，累積進行了180次“過濾-反沖洗”循環(huán)，通過對比反沖洗前后核桃殼濾料油量，考察了軸向動態(tài)反沖洗和常規(guī)水力輔助機械攪拌反沖洗的核桃殼濾料反洗再生效果，結果如表 1所示。
由表 1可見，相同反沖洗強度和反洗歷時，軸向動態(tài)反沖洗方式核桃殼濾料油量去除率98.93%，遠遠超過常規(guī)水力輔助機械攪拌反沖洗方式。軸向動態(tài)反沖洗方式反沖洗前濾料油量較低，這主要是因為每次反沖洗過程濾料反洗較徹底，濾料能恢復到較清潔的水平，使反沖洗效率較高。同時，與常規(guī)水力輔助機械攪拌反沖洗方式相比，軸向動態(tài)反沖洗方式反洗前后濾料表面油量變化明顯。反沖洗前核桃殼濾料表面黏附較多油類、濾料相互黏結、呈流淌性光澤。反沖洗后核桃殼濾料表面呈現(xiàn)棕色、濾料顆粒分散、濾料表面呈不規(guī)則光澤。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
3 結論
（1）軸向動態(tài)反沖洗過濾器對含聚污水具有較好的油和懸浮物去除效能。出水平均含油質量濃度為3.63 mg/L，平均懸浮物質量濃度為10.3 mg/L，油去除率為96.0%，懸浮物去除率為78.1%。
（2）軸向動態(tài)反沖洗方式反沖洗強度8.8 L/（s·m2）的反沖洗過程，濾料截留油去除率為96.23%，核桃殼濾料油量為0.51 mg/g。
（3）軸向動態(tài)反沖洗方式較常規(guī)水力輔助機械攪拌反沖洗方式具有較好的濾料反洗再生效果，反洗前后濾料表面油量變化明顯。
