摘要：針對石英砂過濾工藝不適應目前采出水水質特性，出現濾料流失、污染和結構損壞等問題，開展濾料流失機理及改進技術研究。通過現場試驗，建立并優化濾料反沖洗膨脹高度和濾料密度與反沖洗強度關系的數學模型，并進一步優化反沖洗模型，研究濾料板結形成的機理、成因及與污染物（聚合物、瀝青質、膠質、油雜）的定量關系；分析濾料板結程度對反沖洗膨脹高度的影響，確定濾料流失機理并進行改進措施技術研究及現場考核。
1、問題的提出
目前，石英砂過濾工藝不適應油田采出污水水質特性的變化，出現濾料流失、污染、結構損壞等問題。濾料流失相對降低了濾料層的高度，降低了過濾效果。據統計，2006~2009年薩北石英砂過濾罐累計開罐468臺次，其中濾料流失的濾罐92座，占總數的19.7%，補充石英砂濾料1076t。
污水處理過濾工藝研究主要集中在新型濾料的選擇、新型過濾設備開發以及工程應用，對于濾料流失機理方面在國內外還沒有成熟的技術可以借鑒。關注較多的問題在于濾料流失現象和流失問題的解決，如采用篩筐包網技術等，雖然在一定時間內降低了濾料的流失，但是隨著運行時間的延長，濾料流失的問題仍會重現。因此尋求濾料流失的機理，從而提出適合的技術來解決濾料流失問題對于過濾工藝運行有著重要的意義。
為了能夠有效、直觀地觀察石英砂濾料流失的方式，同時通過測定參數研究濾料流失的機理，在大慶油田聚北十六污水站開展了現場試驗研究。制作直徑為0.3m、高度2. 5m有機玻璃柱，內置礫石和填料，高度1.2m。過濾時觀察濾料截留污染物和濾料污染的變化過程，研究反沖洗強度和反沖洗膨脹高度與濾料密度之間的關系。試驗過程中控制流體的雷諾數，使過濾器具有與現場相同的流態條件。
2、濾料流失機理研究
2.1 反沖洗數學模型的優化
根據一系列數學推導及計算，對現場反沖洗數學模型進行優化得：（計算公式如下圖）。
式中Usexp為反沖洗強度（L/（m2.s））；ε為濾層膨脹前孔隙率；L為膨脹后濾層高度（m）；ρw為水的密度（kg/m3）；Lo為原濾層高度（m）；μ為動力黏度（Pa·s）； Du為濾料直徑（mm）。
從上式可見，隨著含油量的增加，濾料的密度降低，其膨脹高度增加。以目前油田反沖洗強度為16L/（m2·s）計算，較大含油量僅為150mg/g，其反沖洗膨脹高度僅為1220mm，膨脹率52.5%，模擬石英砂濾罐中濾料的膨脹空間為2m，因此不會出現跑料現象。隨著過濾過程進行，濾料表層黏附了一定的污染物質，濾料密度發生了一定的變化，因此其反沖洗膨脹高度發生了變化；但是其密度變化范圍較小，在反沖洗強度一定的條件下，主體濾料密度變化較小，其膨脹高度依然在理論計算值范圍之內，只有當濾料的含油量達到700mg/g以上，密度降低到1.1×103kg/m3才能出現濾料跑料現象。
2.2 石英砂濾罐現場運行情況分析
為了進一步驗證反沖洗模型和流失機理與現場運行的吻合程度，了解現場濾罐的運行情況，對北十六污水站、北十五污水站石英砂濾料反沖洗后進行分層取樣分析。取樣層位分別為表層，30、50、100、150、200、300和400mm，對其密度、含油量、膠質和瀝青質含量以及聚合物含量進行了分析，其結果見圖1、圖2。
從圖1、圖2可見，隨著取樣層位的加深，各個站濾料的含油量，以及聚合物、膠質和瀝青質含量都在降低，以表層100mm范圍內污染較為嚴重，符合石英砂依靠表層過濾的性質。其濾料密度與含油量也存在一定的關系，油含量越高，則密度越小，計算密度與實測密度相比，相對誤差≤5%。根據優化后反沖洗模型，推導濾料膨脹率在50%~60%之間，不可能出現流失，但實際上目前該站存在濾料流失的現象。這說明造成濾料流失的根本原因在于濾料形成板結塊，在反沖洗過程中以塊狀濾料的形式流失。
3、改進措施及效果
北三西污水試驗站投產運行以來，采用一次沉降+兩次壓力過濾流程，其中二級過濾采用石英砂過濾器。在運行過程中，發現石英砂過濾器反沖洗憋壓，而且濾料流失嚴重，每年都要補1/3濾料。改造方案是通過增設攪拌槳裝置，增加濾料之間的摩擦，破壞濾料的板結層，使濾料上的油污及懸浮物與濾料剝離。這樣可降低濾料的膨脹率，保證反沖洗效果，從而提高過濾出水水質。
3.1 反沖洗參數的選擇
(1)攪拌槳轉速的確定。在石英砂過濾器反洗強度為7L/m2·s，濾料攪拌時間為5min的條件下，對葉片攪拌轉速與石英砂過濾器的濾料反洗效果進行了試驗研究。根據試驗結果可以看出，在開始增加葉片轉速時，隨轉速的增加反洗效果有較大的改善；隨后，轉速再繼續增加時，濾料反洗效果改善的程度逐漸放慢。在較佳反沖洗效果下，石英砂過濾器的轉速在50~70r/min,增加100r/min以后，與前面相比濾料的反洗效果反而變差。分析原因認為，起初轉速的增加可以加強顆粒與槳葉間的碰撞以及固體顆粒的擾動強度，從而增加了濾料顆粒的碰撞摩擦作用，因此濾料的反洗效果隨轉速的增加有所改善；但是轉速過大，加大濾料的碰撞作用力，易導致濾料破碎，影響反沖洗效果。
(2)反沖洗時間的確定。根據反沖洗出水的懸浮固體變化，石英砂過濾器在反沖洗18min以后的出水含懸浮物和油濃度都很小，因此石英砂過濾器反沖洗時間應小于18min。
3.2 改造效果
改造罐投入生產后，按照上述反沖洗運行方式運行。改造后石英砂濾后水含油量由24.3mg/L下降為8.9mg/L，懸浮物含量由325mg/L下降為15.7mg/L，去除率與改造前相比分別提高10%和50%；同時反沖洗流量穩定在450~500m3/h，反沖洗壓力在0.18~0.22MPa之間。
4、結語
(1)石英砂濾料反沖洗數學模型優化后符合目前水質特性條件下的現場生產運行實際。
(2)造成濾料流失的根本原因在于濾料板結成塊之后以堆積形式存在，在反沖洗過程中流失。隨著過濾過程進行，濾料表層黏附污染物質導致濾料密度降低，其密度降低至1.1×103kg/m3以下出現流失現象。
(3)濾料板結形成與濾料黏附的油污雜質(聚合物、膠質和瀝青質)存在一定關系，反沖洗無法將這些污染物從濾料上完全脫附下來，并且濾料表層聚合物量隨著反沖洗有增高的趨勢。板結層出現的高度范圍在濾料表層80~100mm范圍內，當濾料含油量超過25mg/L以上時濾料發生板結。
(4)可采用變強度反沖洗和機械攪拌相結合的方式破壞板結層。通過北三西污水站運行效果考核，采用該方式改造后的過濾罐保證了反沖洗效果，改善了濾后水質。
