濾料反沖洗技術(shù)及發(fā)展

深床過濾技術(shù)是油田污水處理領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，在實現(xiàn)油田污水達標回注中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其濾料的反沖洗工藝主要是沿用城市給水處理領(lǐng)域的理論和技術(shù)，油田污水和城市污水處理所涉及的目標污染物不同，因而不能完全照搬或照抄城市污水處理工藝。
隨著油田開發(fā)向精細化的縱深方向發(fā)展，特別是注聚合物和三元復(fù)合驅(qū)開發(fā)技術(shù)在油田的推廣應(yīng)用，使油田采出液中聚合物的濃度不斷增大，導(dǎo)致油田現(xiàn)有深床過濾技術(shù)的濾料反沖洗不徹底，帶來聚合物在濾床內(nèi)累積、濾料局部板結(jié)、濾料流失以及過濾效率降低等問題，導(dǎo)致油田外輸水或回注水嚴重超標。為解決含聚污水過濾效率低和濾料反沖洗再生效果差等難題，開展了基于復(fù)合場理論油田深層濾床軸向動態(tài)反沖洗理論和試驗研究工作，探索出一種油田污水深床過濾技術(shù)的濾料反沖洗新模式和方法。通過對反沖洗理論和技術(shù)現(xiàn)狀分析，本研究以反沖洗中場的作用形式為基礎(chǔ)來探討濾料反沖洗技術(shù)及發(fā)展，強化反沖洗過程中場的作用，并為基于復(fù)合場軸向動態(tài)反沖法的應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
1、反沖洗中場的作用形式
廣義上，場是指一種空間或時間上彌散的物理量，主要包括重力場、流場和電磁場等。而濾料反沖洗過程中場的作用相對較窄，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。根據(jù)反沖洗過程中場的作用形式分為單獨場、加載場及復(fù)合場3類，其中加載場是單獨場和復(fù)合場的過渡形式。
2、單獨場反沖洗技術(shù)
單獨場反沖洗技術(shù)是指單獨重力場作用下的反沖洗技術(shù)，濾池的水力反沖洗過程是單獨場反沖洗技術(shù)的典型代表。1929年Hulbert和Herring提出的高速水力單獨場反沖洗技術(shù)被廣泛應(yīng)用。
2．1技術(shù)原理
單獨場反沖洗機理的認識有3種觀點：為水力剪切作用是雜質(zhì)從濾料脫附的主要因素，顆粒間的碰撞摩擦是次要因素；顆粒間的碰撞摩擦是雜質(zhì)脫附主要因素，而水流的剪切是次要因素；是水流剪切作用和濾料碰撞摩擦力共同作用的結(jié)果，濾料上粘附牢固的雜質(zhì)主要靠顆粒間的碰撞摩擦作用去除，而粘附不牢固的雜質(zhì)是靠水流剪切作用去除的。
G值與水流剪應(yīng)力和濾料顆粒間碰撞次數(shù)正相關(guān)，是反沖洗效果的理論依據(jù)。水力反沖洗過程產(chǎn)生的G值是水流剪切力和濾料顆粒間的碰撞摩擦作用的微觀表現(xiàn)。濾床流化后，濾料顆粒間碰撞摩擦作用有所減弱，因此需控制反沖洗時濾床的膨脹度。顆粒形狀對濾層膨脹度的影響大且此影響基于反沖洗強度的大小，并建立了孔隙度與反沖洗流速關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為濾層膨脹度的控制提供了參考。

式中τ———剪應(yīng)力，Pa；
G———速度梯度，s－1；
μ———水動力粘滯系數(shù)，Pa·s。

式中：N———單位體積的濾料單位時間內(nèi)相互碰
撞的次數(shù)，m－3·s－1；
n———單位體積濾料顆粒數(shù)，m－3；
D———濾料直徑，m。
2．2技術(shù)現(xiàn)狀
水力單獨場反沖洗技術(shù)在國內(nèi)外有廣泛的應(yīng)用，我國應(yīng)用較廣的是普通快濾池。近年來隨著水污染日益嚴重和水處理標準的提高，單獨場反沖洗技術(shù)G值不高，存在反沖洗不徹底，濾床易出現(xiàn)泥球、初始濾液水質(zhì)差等諸多問題，難以滿足水處理實際要求，應(yīng)用受到限制，逐漸被加載場反沖洗技術(shù)替代。
3、加載場反沖洗技術(shù)
所謂加載場反沖洗技術(shù)是指在單獨重力場水力反沖洗過程中加載外力，強化單獨重力場中水流剪切力和顆粒間碰撞摩擦力提高濾料反沖洗再生效能的技術(shù)。根據(jù)外力加載方式不同，分為空氣加載場反沖洗技術(shù)和機械加載場反沖洗技術(shù)。
3．1空氣加載場反沖洗技術(shù)
空氣加載場反沖洗技術(shù)是在單獨場反沖洗技術(shù)中加載空氣強化水力反沖洗過程的行為。19世紀末英國學(xué)者在反沖洗水中通入空氣，這是空氣加載場反沖洗技術(shù)的雛形。該技術(shù)以氣水反沖洗工藝為典型代表，特別是長柄濾頭技術(shù)提出后，氣水反沖洗工藝逐漸成熟。
3．1．1技術(shù)原理
空氣加載場反沖洗技術(shù)可產(chǎn)生更高的G值，使得剪切作用和碰撞摩擦作用更為有力。宏觀上，通氣區(qū)氣泡上升引起擾動作用，使濾料翻滾循環(huán)運動，碰撞摩擦劇烈。氣泡在擠開上層濾料的同時，其留下的空位由周圍的水來補位，并帶來新的濾料，引起周圍濾料振動，加劇濾料顆粒間相互碰撞摩擦作用。微觀上，氣泡與周圍濾料顆粒表面接觸形成一個邊界層。氣泡上升，邊界層從濾料表面分離，形成尾跡流。尾跡內(nèi)部壓力低于周圍壓力，形成小的渦流不斷帶動兩側(cè)的顆粒與尾跡內(nèi)部的顆粒進行交換，引起濾料振動碰撞摩擦加劇。
把濾料分為若干小立方單元，認為氣泡上升過程中總體膨脹，對周圍濾料作用力不斷增大，當作用力突破單元濾料主動朗肯應(yīng)力平衡極限時，發(fā)生塌陷，致使濾料發(fā)生錯位運動，碰撞摩擦劇烈，由此建立氣水反沖洗數(shù)學(xué)模型。這種現(xiàn)象為“脈沖塌陷”，通過裝有內(nèi)窺鏡的試驗裝置觀測“脈沖塌陷”。
3．1．2技術(shù)現(xiàn)狀
空氣加載場反沖洗技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要以V型濾池為代表。相比單獨場反沖洗，空氣加載場反沖洗省水、濾料再生更徹底。但也存在配氣系統(tǒng)復(fù)雜、施工要求高、輕質(zhì)濾料跑砂等問題。此外，連續(xù)砂濾器的快速發(fā)展使空氣加載場反沖洗技術(shù)有了新應(yīng)用。氣提作用使污砂劇烈碰撞摩擦進入洗砂器，反向水流將脫落污物帶走。
3．2機械加載場反沖洗技術(shù)
機械加載場反沖洗技術(shù)是在單獨場反沖洗技術(shù)中通過機械手段強化水力反沖洗過程的行為。美國學(xué)者最早利用靶子攪動輔助清潔濾料，這是機械加載場反沖洗技術(shù)的雛形。20世紀80年代，核桃殼過濾器在油田污水處理上的廣泛應(yīng)用，有力地助推了機械加載場反沖洗技術(shù)的成熟，其反沖洗過程是通過機械攪拌輔助重力場水力反沖洗。
3．2．1技術(shù)原理
加載機械攪拌的作用是通過攪拌對濾料做功賦予濾料動能，運動的濾料與水流兩相界面處的摩擦力導(dǎo)致較大的速度梯度。攪拌器對流場的影響很大，在攪拌附近由于固體和液體的耦合作用，使得流動復(fù)雜，形成一種不穩(wěn)定的紊流狀態(tài)，濾料作復(fù)雜紊流運動，強化濾料顆粒間相互碰撞。
3．2．2技術(shù)現(xiàn)狀
機械加載場反沖洗技術(shù)多見于油田核桃殼濾料過濾技術(shù)。核桃殼濾料具有濾速高、截油能力強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于油田含油污水處理。20世紀90年代至今使用攪拌器輔助反沖洗的過濾設(shè)備，以美國PETRECOHydromation型深床過濾器為代表。
反沖洗時，機械攪拌作用使濾料顆粒不斷碰撞摩擦，使得濾料附著雜質(zhì)脫落而得以再生。同時，劇烈的碰撞摩擦使得濾料磨損嚴重，影響了濾床的孔隙率，進而影響濾床過濾效能。此外該技術(shù)存在反沖洗憋壓、浮油排除困難、濾料反洗再生不徹底等問題。對核桃殼顆粒碰撞程度過大的問題，開發(fā)出利用攪拌和穩(wěn)定的水流共同作用，實現(xiàn)濾料反洗再生的低壓反沖洗過濾器。采用橫向攪拌系統(tǒng)輔助水力反沖洗，開發(fā)出低壓穩(wěn)流核桃殼過濾器，可以改善含聚污水濾料反沖洗出現(xiàn)的問題。
4、場作用下濾料反沖洗技術(shù)的新發(fā)展
反沖洗技術(shù)的發(fā)展從單一重力場水力反沖洗到融合外力的加載場反沖洗過程，逐漸發(fā)展到耦合不同功能場的復(fù)合場反沖洗技術(shù)。相比較而言，復(fù)合場反沖洗體系的場作用更加多元化和復(fù)雜化。不同場獨特的優(yōu)越性將在濾料水力反沖洗領(lǐng)域被發(fā)掘，復(fù)合場作用下的水力反沖洗過程將更加高效，這必將成為濾料反沖洗技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點。
4．1基于復(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2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。目前復(fù)合場反沖洗技術(shù)的研究主要有：超聲波復(fù)合場反沖洗技術(shù)、旋流復(fù)合場反沖洗技術(shù)。前者將超聲波場與重力場耦合，利用超聲波空化作用產(chǎn)生高溫高壓沖擊波配合水力清洗實現(xiàn)濾料清潔。本研究中的復(fù)合場是基于旋流場和重力場耦合的旋流復(fù)合場反沖洗體系，構(gòu)建而出的一種軸向動態(tài)反沖洗濾料再生新方法。復(fù)合場反沖洗理論豐富和發(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一種新途徑。
其技術(shù)關(guān)鍵是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)濾料顆粒和反沖洗污水的有效分離。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。

圖1 復(fù)合場反沖洗過程顆粒運動和碰撞原理
從圖1可以看出，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(chǎn)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(chǎn)生徑向碰撞力FP。螺旋型旋轉(zhuǎn)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，強化了水流剪切力作用。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之間具有一定的密度差，旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)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，密度大的濾料形成內(nèi)循環(huán)流動，使得反沖洗廢物與濾料顆粒有效分離。
4．2基于復(fù)合場動態(tài)反沖洗效能
軸向動態(tài)反沖洗是通過反沖洗水流和外加離心力的作用使濾料完全流化，在水流剪切力和顆粒間碰撞摩擦力作用下，將黏附于濾料顆粒表面的污染物剝離、脫落和排除的過程。在反沖洗強度為8．4、8．8和9．2L／（s·m2）的條件下，試驗考察了不同反沖洗歷時反沖洗污水中油濃度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。同時，通過反沖洗歷時15min過濾器截留油排除效率來評價不同反沖洗強度截留油的排除效能，結(jié)果如圖3所示。通過分析不同反沖洗歷時截留油排除效率可以考察確定反沖洗強度。
從圖2可以看出，隨著反沖洗歷時的延長，反沖洗污水中油濃度的變化具有相同的趨勢。隨著污水中含聚濃度升高，反沖洗污水油濃度達到平衡狀態(tài)的時間越長。反沖洗歷時0~2min內(nèi)，反沖洗污水油濃度急劇增加并達到最大值。反沖洗歷時2~7min內(nèi)，反沖洗污水油濃度明顯減小。在7~15min內(nèi)，反沖洗廢水油濃度逐漸降低最終達到平穩(wěn)狀態(tài)。當反沖洗強度大于8．8L／（s·m2）時，反沖洗歷時15min，反沖洗污水油濃度達到較低水平。說明濾料床截留油已排除徹底，濾料獲得了良好反洗再生。
從圖3可以看出，反沖洗歷時15min、反沖洗強度為8．8L／（s·m2）時，截留油去除率為95．9％，達到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增大反沖洗強度截留油去除率基本不變，濾料獲得較好再生效果。

圖2 不同反沖洗強度和歷時下油濃度的變化

 

注： 截留油去除率為排除油量與截留油總量之比的百分數(shù)， 其中截留油總量為不同反洗歷時反沖洗污水油含量曲線對橫坐標積分值與反沖洗水流量的乘積

圖3 反沖洗強度和截留油去除率的關(guān)系

5、結(jié)語
深床過濾技術(shù)是油田污水處理領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，影響其運行的關(guān)鍵在于濾床的有效反沖洗過程。通過對反沖洗理論和技術(shù)現(xiàn)狀分析，提出反沖洗中場的概念，用場的視角來分析反沖洗技術(shù)，探討了反沖洗中單獨重力場、加載場和復(fù)合場作用形式的理論和技術(shù)?；诓煌δ芾碚摵湍Ｐ停瑯?gòu)建了旋流場和重力場耦合的復(fù)合場反沖洗體系，提出一種軸向動態(tài)復(fù)合場反沖洗理論，豐富和發(fā)展了濾料水力反沖洗方法，并為解決油田高含聚濾料反洗再生提供一種新途徑。同時，加載場和復(fù)合場概念的提出對反沖洗技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化升級提供了新思路和著眼點，有利于促進反沖洗技術(shù)的發(fā)展。