油田含油污水高效過濾器的設計與試驗

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

1 研究背景

目前，我國多數油田已進入石油開采中后期，原油含水率逐年上升，原有含油污水處理工藝己經不能滿足日益復雜的含油污水處理要求［1-3］。過濾技術憑借自身成熟的工藝與簡單的操作性，仍是目前油田含油污水處理應用最為廣泛的技術之一。但是，隨著含油污水成分趨于復雜，由于常規過濾材料比表面積小、非極性弱、吸油率低、易板結與流失等問題，傳統過濾器對于油田含油污水的處理效率急待提高［7-8］。

隨著現代工業技術的不斷發展，高分子材料開始應用于污水處理領域［9］，筆者選用聚氨酯改性材料作為濾料，基于機械設計系統理論基礎設計了油田含油污水高效過濾器，運用數字化電子計算機斷層掃描技術分析材料孔隙結構，搭建現場試驗裝置并在勝利油田河口采油廠開展過濾器過濾性能檢測試驗，為油田含油污水過濾器研究提供參考依據。

2 油田含油污水高效過濾器設計

2.1 新型多孔濾料

過濾器的濾料選用聚氨酯材料，通過聚多巴胺粘合劑將被還原的石墨烯氧化物涂覆在材料表層，然后再由聚十二烷基胺官能化獲得木質素基聚氨酯改性材料。通過改性處理，調整了材料內部孔隙結構，并改變了材料表面潤濕效果，以提高材料對水中油分的吸附和選擇性，最終增強了材料的截污能力，有利于水中油分及懸浮物的去除。

2.2 過濾器結構

油田含油污水高效過濾器結構如圖1所示。木質素基聚氨酯改性材料填充在筒體內部，筒體內部上下分別安裝透水性濾料攔截板，以避免濾料流失。當過濾器工作時，根據不同過濾精度或系統內部壓降要求，可設置不同的壓緊量以改變孔隙度。含油污水從污水進口進入，通過濾料攔截板進入罐內。濾料通過直接攔截和表面吸附等機理以除去水中含油及懸浮物顆粒，而后從凈水出口流出。過濾器頂部開設集油器接口，裙式支座除了起到固定安裝的作用外，還可以實現過濾器的撬裝設計。在運行過程中，可以對過濾器罐體內部壓力進行實時監控。當壓力值過大時，可通過排氣口緩解工作壓力，以減小內部流動阻力。運行一段時間后，需對過濾器進行反沖洗，以除去濾料內部儲存的雜質，保證處理效率。反沖洗水從下方排污口排出。

▲圖1 油田含油污水高效過濾器結構

3 試驗流程

3.1 材料結構特性

運用NanoVoxel-2702系列X射線三維顯微鏡，X射線掃描錐面光束設置為150 keV，光束電流為33 μA。X射線從不同角度穿透樣件的過程中，被不同程度吸收，探測器接收后經過信號處理生成灰度圖像。經過降噪、閾值設置，以及顏色轉換和圖像切割，得到濾料內部復雜結構的高分辨率三維數字圖像，可以對材料內部的微觀結構進行亞微米尺度上的數字化三維表征。通過孔隙半徑和孔喉比，可以對材料內部復雜的孔隙結構進行一定程度上的了解。

3.2 過濾器性能試驗

為了驗證油田含油污水高效過濾器的使用性能，在勝利油田河口采油廠進行性能試驗。利用已建站水管網來水對過濾器進行試驗研究，試驗裝置如圖2所示。

油田現有污水處理工藝流程為二級式過濾，即污水經過核桃殼過濾器和石英砂過濾器兩次過濾。為實現效果對比，試驗工藝流程中第二級過濾采用高效過濾器進行處理，如圖3中虛線所示。試驗環境溫度為14℃，水溫為46℃，反沖洗周期大于120 h，反沖洗時間為30 min，測試進行10 d，每天取樣4次，分別對水質進行檢測，并取平均值計入數據。

4 試驗結果與分析

4.1 濾料結構特性

運用計算機斷層掃描技術對木質素基聚氨酯改性材料內部孔隙結構特性進行分析，得到三維表征數據，如圖4所示。

▲圖2 試驗裝置

▲圖3 工藝流程

如圖4（a）所示，根據材料孔隙半徑的概率分布可知，孔隙半徑較多分布在100～130 μm之間，其中110 μm的概率分布最大，為5.44%。同理，由圖4（b）可知，材料孔喉比較多集中分布在1.7～2.4之間，其中2.143的分布概率為1.42%，是孔喉比分布的最大概率。孔徑作為多孔材料的重要性質，對材料的透過性、滲透速率及過濾性能具有顯著影響［10］，復雜的孔隙結構在保證出水標準的同時提高了滲透率。材料的孔喉比與其驅油效率成反比，孔喉比較小，對應的驅油效率較高，可見材料具有一定的驅油效果。孔隙半徑與喉道半徑均處于較小級別，油質在材料內部的滲流能力較弱，利于污水處理過程中油分的去除。

4.2 裝置過濾性能

運用油田含油污水高效過濾器進行性能測試，得到一次來水水質及處理后水質試驗數據，如圖5、圖6所示。

由圖5可知，過濾前油田污水懸浮物平均含量為17.96 mg/L，油田含油污水高效過濾器出水懸浮物平均含量為2.28 mg/L，平均懸浮物去除率為87.31%；常規石英砂過濾器出水懸浮物平均含量為5.87 mg/L，平均懸浮物去除率為67.32%；油田含油污水高效過濾器懸浮物的去除率高出常規石英砂過濾器近20個百分點。由圖6可知，一次來水平均含油量約為4.81 mg/L，經過處理，油田含油污水高效過濾器出水平均含油率為0.68 mg/L，平均含油去除率高達85.85%；而常規石英砂過濾器出水平均含油量為1.71 mg/L，平均含油去除率為64.50%。

▲圖4 濾料結構特性

▲圖5 懸浮物處理效果

▲圖6 含油處理效果

由圖5和圖6可以看出，無論是懸浮物還是水中含油，運用油田含油污水高效過濾器得到的曲線均比常規過濾器平緩，處理效率高于常規石英砂過濾器近20個百分點，并且隨著試驗的進行，常規石英砂過濾器處理的水質逐漸下降，過濾后水質懸浮物含量和含油量逐漸增大，而油田含油污水高效過濾器處理的水質無明顯變化，說明油田含油污水高效過濾器的反沖洗周期更長，穩定性更高，處理后的水質懸浮物含量<3 mg/L，含油量<1 mg/L，滿足 GB 8978—1996《污水綜合排放標準》［11］。

5 結論

運用數字化計算機斷層掃描技術對木質素基聚氨酯改性材料進行結構特性分析，發現材料內部具有豐富的孔隙結構，孔隙半徑為110 μm、孔喉比為2.143的分布概率最大。

通過現場性能試驗，筆者設計的油田含油污水高效過濾器處理水質懸浮物含量低于3 mg/L，含油量低于1 mg/L，水質滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，可應用于油田污水處理。油田含油污水高效過濾器對污水懸浮物及水中含油的處理效率較常規石英砂過濾器高出近20個百分點。

此外，聚氨酯改性材料具有質量輕、重復利用率高的優點，油田含油污水高效過濾器表現出性能穩定、反沖洗周期長、運行費用低等優點，對油田污水的深度處理具有廣泛的應用前景。