濾料反沖洗技術(shù)及發(fā)展

深床過(guò)濾技術(shù)是油田污水處理領(lǐng)域的重要環(huán)節，在實(shí)現油田污水達標回注中發(fā)揮著(zhù)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*照搬或照抄城市污水處理工藝。
隨著(zhù)油田開(kāi)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合驅開(kāi)發(fā)技術(shù)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(guò)濾技術(shù)的濾料反沖洗不*，帶來(lái)聚合物在濾床內累積、濾料局部板結、濾料流失以及過(guò)濾效率降低等問(wèn)題，導致油田外輸水或回注水嚴重超標。為解決含聚污水過(guò)濾效率低和濾料反沖洗再生效果差等難題，開(kāi)展了基于復合場(chǎng)理論油田深層濾床軸向動(dòng)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(guò)濾技術(shù)的濾料反沖洗新模式和方法。通過(guò)對反沖洗理論和技術(shù)現狀分析，本研究以反沖洗中場(chǎng)的作用形式為基礎來(lái)探討濾料反沖洗技術(shù)及發(fā)展，強化反沖洗過(guò)程中場(chǎng)的作用，并為基于復合場(chǎng)軸向動(dòng)態(tài)反沖法的應用提供堅實(shí)的理論基礎和技術(shù)支撐。
1、反沖洗中場(chǎng)的作用形式
廣義上，場(chǎng)是指一種空間或時(shí)間上彌散的物理量，主要包括重力場(chǎng)、流場(chǎng)和電磁場(chǎng)等。而濾料反沖洗過(guò)程中場(chǎng)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(chǎng)。根據反沖洗過(guò)程中場(chǎng)的作用形式分為單獨場(chǎng)、加載場(chǎng)及復合場(chǎng)3類(lèi)，其中加載場(chǎng)是單獨場(chǎng)和復合場(chǎng)的過(guò)渡形式。
2、單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)
單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)是指單獨重力場(chǎng)作用下的反沖洗技術(shù)，濾池的水力反沖洗過(guò)程是單獨場(chǎng)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(chǎng)反沖洗技術(shù)被廣泛應用。
2．1技術(shù)原理
單獨場(chǎng)反沖洗機理的認識有3種觀(guān)點(diǎn)：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值與水流剪應力和濾料顆粒間碰撞次數正相關(guān)，是反沖洗效果的理論依據。水力反沖洗過(guò)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(guān)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(shí)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)系的數學(xué)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(dòng)力粘滯系數，Pa·s。

式中：N———單位體積的濾料單位時(shí)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(shù)現狀
水力單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)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(lái)隨著(zhù)水污染日益嚴重和水處理標準的提高，單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)G值不高，存在反沖洗不*，濾床易出現泥球、初始濾液水質(zhì)差等諸多問(wèn)題，難以滿(mǎn)足水處理實(shí)際要求，應用受到限制，逐漸被加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)替代。
3、加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)
所謂加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)是指在單獨重力場(chǎng)水力反沖洗過(guò)程中加載外力，強化單獨重力場(chǎng)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)。根據外力加載方式不同，分為空氣加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)和機械加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)。
3．1空氣加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)
空氣加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)是在單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)中加載空氣強化水力反沖洗過(guò)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(chǎng)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(cháng)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(chǎng)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(guān)上，通氣區氣泡上升引起擾動(dòng)作用，使濾料翻滾循環(huán)運動(dòng)，碰撞摩擦劇烈。氣泡在擠開(kāi)上層濾料的同時(shí)，其留下的空位由周?chē)乃畞?lái)補位，并帶來(lái)新的濾料，引起周?chē)鸀V料振動(dòng)，加劇濾料顆粒間相互碰撞摩擦作用。微觀(guān)上，氣泡與周?chē)鸀V料顆粒表面接觸形成一個(gè)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?chē)鷫毫?，形成小的渦流不斷帶動(dòng)兩側的顆粒與尾跡內部的顆粒進(jìn)行交換，引起濾料振動(dòng)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(guò)程中總體膨脹，對周?chē)鸀V料作用力不斷增大，當作用力突破單元濾料主動(dòng)朗肯應力平衡極*，發(fā)生塌陷，致使濾料發(fā)生錯位運動(dòng)，碰撞摩擦劇烈，由此建立氣水反沖洗數學(xué)模型。這種現象為“脈沖塌陷”，通過(guò)裝有內窺鏡的試驗裝置觀(guān)測“脈沖塌陷”。
3．1．2技術(shù)現狀
空氣加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)應用廣泛，主要以V型濾池為代表。相比單獨場(chǎng)反沖洗，空氣加載場(chǎng)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(zhì)濾料跑砂等問(wèn)題。此外，連續砂濾器的快速發(fā)展使空氣加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)有了新應用。氣提作用使污砂劇烈碰撞摩擦進(jìn)入洗砂器，反向水流將脫落污物帶走。
3．2機械加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)
機械加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)是在單獨場(chǎng)反沖洗技術(shù)中通過(guò)機械手段強化水力反沖洗過(guò)程的行為。美國學(xué)者zui早利用靶子攪動(dòng)輔助清潔濾料，這是機械加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)的雛形。20世紀80年代，核桃殼過(guò)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(chǎng)反沖洗技術(shù)的成熟，其反沖洗過(guò)程是通過(guò)機械攪拌輔助重力場(chǎng)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(guò)攪拌對濾料做功賦予濾料動(dòng)能，運動(dòng)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(chǎng)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(dòng)復雜，形成一種不穩定的紊流狀態(tài)，濾料作復雜紊流運動(dòng)，強化濾料顆粒間相互碰撞。
3．2．2技術(shù)現狀
機械加載場(chǎng)反沖洗技術(shù)多見(jiàn)于油田核桃殼濾料過(guò)濾技術(shù)。核桃殼濾料具有濾速高、截油能力強等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)濾設備，以美國PETRECOHydromation型深床過(guò)濾器為代表。
反沖洗時(shí)，機械攪拌作用使濾料顆粒不斷碰撞摩擦，使得濾料附著(zhù)雜質(zhì)脫落而得以再生。同時(shí)，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(jìn)而影響濾床過(guò)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*等問(wèn)題。對核桃殼顆粒碰撞程度過(guò)大的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出利用攪拌和穩定的水流共同作用，實(shí)現濾料反洗再生的低壓反沖洗過(guò)濾器。采用橫向攪拌系統輔助水力反沖洗，開(kāi)發(fā)出低壓穩流核桃殼過(guò)濾器，可以改善含聚污水濾料反沖洗出現的問(wèn)題。
4、場(chǎng)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(chǎng)水力反沖洗到融合外力的加載場(chǎng)反沖洗過(guò)程，逐漸發(fā)展到耦合不同功能場(chǎng)的復合場(chǎng)反沖洗技術(shù)。相比較而言，復合場(chǎng)反沖洗體系的場(chǎng)作用更加多元化和復雜化。不同場(chǎng)*的*性將在濾料水力反沖洗領(lǐng)域被發(fā)掘，復合場(chǎng)作用下的水力反沖洗過(guò)程將更加，這必將成為濾料反沖洗技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。
4．1基于復合場(chǎng)動(dòng)態(tài)反沖洗技術(shù)原理
所謂復合場(chǎng)反沖洗技術(shù)是指反沖洗過(guò)程中受到2個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用，通過(guò)復合場(chǎng)作用強化濾料的水力反沖洗過(guò)程的行為。目前復合場(chǎng)反沖洗技術(shù)的研究主要有：超聲波復合場(chǎng)反沖洗技術(shù)、旋流復合場(chǎng)反沖洗技術(shù)。前者將超聲波場(chǎng)與重力場(chǎng)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(shí)現濾料清潔。本研究中的復合場(chǎng)是基于旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)耦合的旋流復合場(chǎng)反沖洗體系，構建而出的一種軸向動(dòng)態(tài)反沖洗濾料再生新方法。復合場(chǎng)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(chǎng)加載于濾床重力場(chǎng)的水力反沖洗過(guò)程，利用旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)耦合復合場(chǎng)，在復合場(chǎng)中通過(guò)旋流場(chǎng)強化重力場(chǎng)中顆粒間剪切碰撞和摩擦作用，并通過(guò)旋流場(chǎng)離心作用實(shí)現濾料顆粒和反沖洗污水的有效分離。反沖洗過(guò)程中混合液作螺旋型旋轉運動(dòng)，其運動(dòng)模式及工作原理如圖1所示。

圖1 復合場(chǎng)反沖洗過(guò)程顆粒運動(dòng)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(dòng)，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(shí)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(shí)，剝離的包裹物與濾料之間具有一定的密度差，旋轉運動(dòng)產(chǎn)生的離心分離作用使密度比水輕的油類(lèi)污染物可隨水流沿中心管排出，密度大的濾料形成內循環(huán)流動(dòng)，使得反沖洗廢物與濾料顆粒有效分離。
4．2基于復合場(chǎng)動(dòng)態(tài)反沖洗效能
軸向動(dòng)態(tài)反沖洗是通過(guò)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(guò)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(shí)反沖洗污水中油濃度的變化規律，結果如圖2所示。同時(shí)，通過(guò)反沖洗歷時(shí)15min過(guò)濾器截留油排除效率來(lái)評價(jià)不同反沖洗強度截留油的排除效能，結果如圖3所示。通過(guò)分析不同反沖洗歷時(shí)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(zhù)反沖洗歷時(shí)的延長(cháng)，反沖洗污水中油濃度的變化具有相同的趨勢。隨著(zhù)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(shí)間越長(cháng)。反沖洗歷時(shí)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(shí)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(tài)。當反沖洗強度大于8．8L／（s·m2）時(shí)，反沖洗歷時(shí)15min，反沖洗污水油濃度達到較低水平。說(shuō)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(shí)15min、反沖洗強度為8．8L／（s·m2）時(shí)，截留油去除率為95．9％，達到穩定狀態(tài)，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(shí)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(shí)反沖洗污水油含量曲線(xiàn)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、結語(yǔ)
深床過(guò)濾技術(shù)是油田污水處理領(lǐng)域的重要環(huán)節，影響其運行的關(guān)鍵在于濾床的有效反沖洗過(guò)程。通過(guò)對反沖洗理論和技術(shù)現狀分析，提出反沖洗中場(chǎng)的概念，用場(chǎng)的視角來(lái)分析反沖洗技術(shù)，探討了反沖洗中單獨重力場(chǎng)、加載場(chǎng)和復合場(chǎng)作用形式的理論和技術(shù)?；诓煌δ芾碚摵湍Ｐ?，構建了旋流場(chǎng)和重力場(chǎng)耦合的復合場(chǎng)反沖洗體系，提出一種軸向動(dòng)態(tài)復合場(chǎng)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(shí)，加載場(chǎng)和復合場(chǎng)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(zhù)眼點(diǎn)，有利于促進(jìn)反沖洗技術(shù)的發(fā)展。