濾料反沖洗技術及發展

深床過濾技術是油田污水處理領域的重要環節，在實現油田污水達標回注中發揮著關鍵作用。其濾料的反沖洗工藝主要是沿用城市給水處理領域的理論和技術，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*照搬或照抄城市污水處理工藝。
隨著油田開發向精細化的縱深方向發展，特別是注聚合物和三元復合驅開發技術在油田的推廣應用，使油田采出液中聚合物的濃度不斷增大，導致油田現有深床過濾技術的濾料反沖洗不*，帶來聚合物在濾床內累積、濾料局部板結、濾料流失以及過濾效率降低等問題，導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，開展了基于復合場理論油田深層濾床軸向動態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的濾料反沖洗新模式和方法。通過對反沖洗理論和技術現狀分析，本研究以反沖洗中場的作用形式為基礎來探討濾料反沖洗技術及發展，強化反沖洗過程中場的作用，并為基于復合場軸向動態反沖法的應用提供堅實的理論基礎和技術支撐。
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，是指濾料占據空間內影響濾料反沖洗再生作用的物理場。根據反沖洗過程中場的作用形式分為單獨場、加載場及復合場3類，其中加載場是單獨場和復合場的過渡形式。
2、單獨場反沖洗技術
單獨場反沖洗技術是指單獨重力場作用下的反沖洗技術，濾池的水力反沖洗過程是單獨場反沖洗技術的典型代表。1929年Hulbert和Herring提出的高速水力單獨場反沖洗技術被廣泛應用。
2．1技術原理
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果，濾料上粘附牢固的雜質主要靠顆粒間的碰撞摩擦作用去除，而粘附不牢固的雜質是靠水流剪切作用去除的。
G值與水流剪應力和濾料顆粒間碰撞次數正相關，是反沖洗效果的理論依據。水力反沖洗過程產生的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。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系的數學模型，為濾層膨脹度的控制提供了參考。

式中τ———剪應力，Pa；
G———速度梯度，s－1；
μ———水動力粘滯系數，Pa·s。

式中：N———單位體積的濾料單位時間內相互碰
撞的次數，m－3·s－1；
n———單位體積濾料顆粒數，m－3；
D———濾料直徑，m。
2．2技術現狀
水力單獨場反沖洗技術在國內外有廣泛的應用，我國應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G值不高，存在反沖洗不*，濾床易出現泥球、初始濾液水質差等諸多問題，難以滿足水處理實際要求，應用受到限制，逐漸被加載場反沖洗技術替代。
3、加載場反沖洗技術
所謂加載場反沖洗技術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。根據外力加載方式不同，分為空氣加載場反沖洗技術和機械加載場反沖洗技術。
3．1空氣加載場反沖洗技術
空氣加載場反沖洗技術是在單獨場反沖洗技術中加載空氣強化水力反沖洗過程的行為。19世紀末英國學者在反沖洗水中通入空氣，這是空氣加載場反沖洗技術的雛形。該技術以氣水反沖洗工藝為典型代表，特別是長柄濾頭技術提出后，氣水反沖洗工藝逐漸成熟。
3．1．1技術原理
空氣加載場反沖洗技術可產生更高的G值，使得剪切作用和碰撞摩擦作用更為有力。宏觀上，通氣區氣泡上升引起擾動作用，使濾料翻滾循環運動，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。尾跡內部壓力低于周圍壓力，形成小的渦流不斷帶動兩側的顆粒與尾跡內部的顆粒進行交換，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力平衡極*，發生塌陷，致使濾料發生錯位運動，碰撞摩擦劇烈，由此建立氣水反沖洗數學模型。這種現象為“脈沖塌陷”，通過裝有內窺鏡的試驗裝置觀測“脈沖塌陷”。
3．1．2技術現狀
空氣加載場反沖洗技術應用廣泛，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*。但也存在配氣系統復雜、施工要求高、輕質濾料跑砂等問題。此外，連續砂濾器的快速發展使空氣加載場反沖洗技術有了新應用。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
機械加載場反沖洗技術是在單獨場反沖洗技術中通過機械手段強化水力反沖洗過程的行為。美國學者zui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用，有力地助推了機械加載場反沖洗技術的成熟，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，使得流動復雜，形成一種不穩定的紊流狀態，濾料作復雜紊流運動，強化濾料顆粒間相互碰撞。
3．2．2技術現狀
機械加載場反沖洗技術多見于油田核桃殼濾料過濾技術。核桃殼濾料具有濾速高、截油能力強等優點，廣泛應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。此外該技術存在反沖洗憋壓、浮油排除困難、濾料反洗再生不*等問題。對核桃殼顆粒碰撞程度過大的問題，開發出利用攪拌和穩定的水流共同作用，實現濾料反洗再生的低壓反沖洗過濾器。采用橫向攪拌系統輔助水力反沖洗，開發出低壓穩流核桃殼過濾器，可以改善含聚污水濾料反沖洗出現的問題。
4、場作用下濾料反沖洗技術的新發展
反沖洗技術的發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，逐漸發展到耦合不同功能場的復合場反沖洗技術。相比較而言，復合場反沖洗體系的場作用更加多元化和復雜化。不同場*的優越性將在濾料水力反沖洗領域被發掘，復合場作用下的水力反沖洗過程將更加，這必將成為濾料反沖洗技術的發展方向和研究熱點。
4．1基于復合場動態反沖洗技術原理
所謂復合場反沖洗技術是指反沖洗過程中受到2個或多個物理場的相互作用，通過復合場作用強化濾料的水力反沖洗過程的行為。目前復合場反沖洗技術的研究主要有：超聲波復合場反沖洗技術、旋流復合場反沖洗技術。前者將超聲波場與重力場耦合，利用超聲波空化作用產生高溫高壓沖擊波配合水力清洗實現濾料清潔。本研究中的復合場是基于旋流場和重力場耦合的旋流復合場反沖洗體系，構建而出的一種軸向動態反沖洗濾料再生新方法。復合場反沖洗理論豐富和發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。
其技術關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合場，在復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運動，其運動模式及工作原理如圖1所示。

圖1 復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，密度大的濾料形成內循環流動，使得反沖洗廢物與濾料顆粒有效分離。
4．2基于復合場動態反沖洗效能
軸向動態反沖洗是通過反沖洗水流和外加離心力的作用使濾料*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律，結果如圖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的時間越長。反沖洗歷時0~2min內，反沖洗污水油濃度急劇增加并達到zui大值。反沖洗歷時2~7min內，反沖洗污水油濃度明顯減小。在7~15min內，反沖洗廢水油濃度逐漸降低zui終達到平穩狀態。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*，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％，達到穩定狀態，繼續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， 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系

5、結語
深床過濾技術是油田污水處理領域的重要環節，影響其運行的關鍵在于濾床的有效反沖洗過程。通過對反沖洗理論和技術現狀分析，提出反沖洗中場的概念，用場的視角來分析反沖洗技術，探討了反沖洗中單獨重力場、加載場和復合場作用形式的理論和技術?；诓煌δ芾碚摵湍Ｐ?，構建了旋流場和重力場耦合的復合場反沖洗體系，提出一種軸向動態復合場反沖洗理論，豐富和發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，加載場和復合場概念的提出對反沖洗技術創新和優化升級提供了新思路和著眼點，有利于促進反沖洗技術的發展。