低压稳流过滤器的研制及在油田污水处理中的应用-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要　为了解决大庆油田现有核桃壳、石英砂过滤器反冲洗憋压、跑料和滤料再生困难等问题,在对原有过滤装置分析的基础上,根据反冲洗特性,对过滤器进行了改造,开发出低压稳流核桃壳过滤器和低压稳流石英砂过滤器。经现场测试,核桃壳过滤器反冲洗压力由原来的0. 15~0. 5MPa降低到0. 03~0. 08MPa,石英砂过滤器反冲洗压力由原来的0. 27~0. 46MPa降低到0. 17~0. 20MPa,且均能实现罐群水反冲洗。改造后核桃壳过滤器出水油平均含量13. 4 mg/L,平均去除率为78. 1%;出水悬浮物平均含量20. 5 mg/L,平均去除率为55%。改造后石英砂过滤器出水油平均含量5 mg/L以下,平均去除率达到75%以上;出水悬浮物平均含量为9. 8 mg/L,去除率达到80%以上。为了进一步提高过滤效果,在二级滤前投加絮凝剂形成微絮凝过滤工艺,出水悬浮物可达到3 mg/L,通过两级过滤达到特低渗透地层回注水标准。
关键词　低压稳流过滤器　油田污水　核桃壳过滤器　石英砂过滤器
中图分类号　X505　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2009)01-0127-04
我国油田大部分已进入三次开采期,采出原油的含水率已达70% ~80%,有的油田甚至高达90%,同时聚驱采油技术的发展导致采油出水水质发生了明显变化[1],加大了油田污水处理的难度[2~5]。
过滤工艺作为油田污水处理的主要工艺从20世纪40年代开始在油田得到了广泛应用[6, 7]。过滤主要用以去除污水中粒径较小的油滴和悬浮物,所用的过滤器主要有石英砂和核桃壳过滤器[8]。石英砂滤料粒径小,主要用于悬浮物的去除;核桃壳滤料具有亲油疏水的性能主要用于油的去除。对处理水驱污水具有良好的效果,但随着聚驱采油的发展,污水水质发生了明显的变化,严重影响了过滤器过滤性能,过滤出水难以达标。
1　过滤器运转中的主要问题
随着油田聚驱采油技术的发展,水驱和聚驱采油污水中聚合物的含量增加。例如某水驱油井抽样化验结果,聚合物平均浓度由2001年42 mg/L升高到2004年150 mg/L。而聚驱采油污水中聚合物浓度更高,采油污水水质的变化,严重影响了过滤器的性能,导致过滤器在过滤过程中出现了一系列问题[9, 10]。
1.1　过滤性能不稳定
自2000年以后,大庆油田污水处理站过滤器就出现了水质不达标的情况,核桃壳过滤器出水油不达标,石英砂过滤器出水悬浮物去除率下降,且有着逐年加剧的趋势。
1.2　反冲洗憋压
在反冲洗过程中,随着反冲洗的进行,反冲洗压力迅速升高,核桃壳过滤器反冲洗压力可达到0.3MPa,石英砂过滤器可达到0.45 MPa。过高的压力极易损坏过滤器内部原件。
1.3　跑料问题
过滤器反冲洗过程中跑料严重,据大庆油田现场统计,大部分滤罐每年需要补充原滤料的1/3,增加了运行成本。
造成这些问题的根本原因是由于采油污水中聚合物浓度的增加,导致水体粘度增大。杂质与滤料的结合力增大,现有反冲洗系统无法有效去除粘附在滤料表层的滤料。长此以往,大量粘附在滤料表层的油导致滤料密度减小,反冲洗过程中,滤料膨化严重,堵塞布水筛管,致使过滤器憋压,跑料,反冲洗效果差,最终导致过滤器出水难以达标。
为了解决过滤器反冲洗过程中存在的问题,在充分研究现有过滤器基础上,开发了适合处理含聚废水的过滤器。
2　低压稳流过滤器的研制
为了解决过滤器存在的问题,通过对核桃壳和石英砂过滤器内部结构的改造,开发了低压反冲洗过滤器[8],低压稳流核桃壳过滤器结构见图1,低压稳流石英砂过滤器见图2。
低压稳流过滤器有效解决了反冲洗憋压、跑料、滤料清洗不彻底的问题,其反冲洗效能可参考文献[8],因此显著提高了过滤效果。
3　低压稳流过滤器处理效果
为了进一步探讨低压稳流过滤器的过滤效果,选取大庆油田某污水处理站进行了现场试验,对低压稳流过滤器出水的悬浮物和油的浓度进行了监测,研究了低压稳流过滤器的过滤效能。

3. 1　一级低压稳流核桃壳过滤器的过滤效果
由图3可知,原核桃壳过滤器出水油平均含量达到32. 3 mg/L,平均去除率在45. 3%。低压稳流核桃壳过滤器出水油平均含量13. 4 mg/L,平均去除率78. 1%。出水含油量达到中高渗透油层回注水标准,且去除率与原过滤器相比提高了33%。经过3个月时间的运转,出水效果并未出现恶化。


由图4可知,新型的低压稳流核桃壳过滤器悬浮物的去除率提高不明显。出水悬浮物浓度在20.5 mg/L,去除率平均为55%。与原过滤器相比悬浮物的去除率提高不到20%。这主要是由于核桃壳滤料表面粗糙,具有巨大的比表面积,油污由于其疏水性,在滤料表面的物理吸附或粘附作用下易于附着于滤料颗粒的表面。而对于悬浮颗粒,只有相对密度较大的颗粒,通过沉降作用才能附着在滤料表面。对于微小的颗粒,由于核桃壳过滤器滤料间孔隙率较大,很难通过其截流下来,所以核桃壳过滤器对悬浮物去除效果不佳。目前核桃壳过滤器主要用于含油污水中油的去处。
从以上试验结果可见,经过一级低压稳流核桃壳过滤器处理后污水中的悬浮物和油均有一定的去除,尤其是油,去除效率达到80%左右。出水可达到中高渗透层油田回注水标准。但无法达到油田低渗透油层回注水的标准,尤其是悬浮物明显超标。而目前油田大部分采油区属于中低渗透油层,为了使回注处理污水达到低渗透油层回注标准,需采用二级过滤工艺。
3. 2　二级低压稳流石英砂过滤器的过滤效果核桃壳过滤器的作用主要是去除污水中的油,对水中悬浮物的去除效果并不明显,而石英砂过滤在去除悬浮物方面有着独特的优点。这是因为重质滤料石英砂过滤器,具有较强的强力截留、重力沉降和接触絮凝作用,大量的悬浮物被石英砂过滤器去除。因此污水经一级低压稳流核桃壳过滤器过滤后,进入二级低压稳流石英砂过滤器以进一步去除污水中含有的悬浮物。在一级全部应用低压稳流核桃壳过滤器基础上,对已应用低压稳流石英砂过滤器的系统过滤效果进行了研究。
由图5可知,由于原水经一级低压稳流核桃壳过滤器处理,进入二级过滤器的污水中油浓度已经很低。但是低压稳流石英砂过滤器油去除率平均仍达到了75%,出水油浓度在5mg/L以下;而原石英砂过滤器油去除率平均仅为25%,主要是因为石英砂过滤器属浅床过滤器,依靠滤料和在滤料床层上部形成的滤饼层来截留污水中的悬浮物和胶体。随着聚合物驱油技术的推广,石英砂在处理聚驱污水或其他含聚污水时,水中残留的聚合物在滤床上层形成粘附于滤料上的胶冻状滤饼,在正常反冲洗条件下,不能有效地将胶冻状滤饼破碎并冲洗出去。滤料清洗不干净的问题,导致过滤效果差,出水难以达标。

由图6可知,低压稳流石英砂过滤器悬浮物具有良好的去除效果,出水悬浮物浓度平均为9. 8 mg/L,与普通石英砂过滤器相比去除率平均提高了20%,达到了80%以上。且长时间运转一直比较稳定。主要在于低压稳流过滤器有效地改善了过滤器反冲洗效果,滤料再生彻底,因此效果良好。

4　微絮凝过滤研究
采用低压反冲洗过滤器改善滤后水水质,但由于多次回注以及聚驱采油技术发展,导致悬浮物粒径越来越小,出水悬浮物浓度亦有超标。为了解决这一问题,采用了微絮凝-过滤工艺。
所谓微絮凝过滤是通过在过滤罐前加入一定浓度的微絮凝剂[9~11],絮凝剂在管道水流的作用下,迅速与含油污水中的聚合物、悬浮颗粒和油混合,通过吸附、桥连和网铺等作用发生凝聚,生成微絮体。
微絮体在经过弯头、布水圆筒和筛管时,在涡流、旋转和碰撞的作用下,微絮体能聚结成相对较大的絮体,而这些絮体经过筛管进入罐体中时,过水面积加大,相对流动速度减小,形成一个类沉降过程,在碰到滤料时,被截留在滤层中。随着过滤的进行,截留在滤层的泥逐渐增多,一定时间后形成了覆盖整个滤料的污泥层。由于污泥具有更小的孔隙,截流能力显著提高,其界面靠物理吸附和电化学特性及范德华力的作用,将悬浮胶体颗粒、油等杂质全部或部分拦截在此层,使出水水质达到深度处理的水平[12]。同时也相对增厚了滤料层,使其过滤效率要远远高于常规的石英砂过滤。在反冲洗时,泥层通过反冲洗能够排出到罐外,并不影响反冲洗效果[13]。
在现场通过在滤前管道增加微絮凝加药系统。在保持原有滤速前提下,对滤后总出水含油和悬浮物的量进行了监测,效果如图7和图8所示。

从图中可见,出水中油平均含量达到1 mg/L,最低至0。去除率平均为99%。而原有滤罐出水平均油含量为6 mg/L,去除率89%。出水悬浮物平均在3 mg/L以下,去除率在95%以上。出水效果较以前工艺均有明显提高。滤后出水油和悬浮物的浓度达到了油田低渗透油层回注水标准,甚至达到特低油层回注水标准,通过二级过滤即可达到原有三级过滤深度污水处理的标准,从而节省投资,具有显著的经济效益。

5　结　论
研究了低压反冲洗过滤器过滤效果,在此基础上研究了微絮凝二级过滤工艺处理效果。
(1)低压反冲洗过滤器有效解决过滤器存在的问题,提高了过滤精度,改造后核桃壳过滤器出水油平均含量13. 4 mg/L,平均去除率为78. 1%;出水悬浮物平均含量20. 5mg/L,平均去除率为55%。改造后石英砂过滤器出水油平均含量5mg/L以下,平均去除率达到75%以上;出水悬浮物平均含量为9.8 mg/L,去除率达到80%以上。
(2)微絮凝-悬浮污泥过滤提高了过滤效果,其出水油浓度平均达到1 mg/L,悬浮物平均浓度达到3 mg/L。主要原因在于高效的絮凝剂能够快速生成絮体,达到微絮凝效果,在滤料表层形成活性污泥层,提高了过滤精度。
(3)应用微絮凝-悬浮污泥二级过滤工艺即可达到原有三级过滤深度处理的标准,因而具有显著的经济效益。

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