震動膜處理油田采出水的試驗研究

孫滿

大慶油田設計院有限公司

大慶油田近年來先后開展過多種材質（包括雙層膨脹膜、中空纖維膜、陶瓷膜[1]以及MT 線盒式纖維膜等精細過濾材質）的膜精細過濾的試驗研究[2]，并取得了不同的試驗結果，部分研究成果目前已經在油田地下清水處理工藝中得到應用，但在含油污水[3]處理上卻沒有得到廣泛地應用，試驗結果表明其他材質的過濾形式應用于油田含油污水處理，還存在過濾通量衰減過快、膜材質再生困難、使用壽命短等問題。因此，開發一種處理效果好，過濾精度高，以及使用壽命長和容易再生的精細膜過濾材質及技術，才可以滿足油田開發生產的需要。

1 震動膜過濾的試驗裝置

1.1 組成及工作原理

震動濾膜有一個震動體系，由扭力桿及其下端的偏心震動器、上端的膜組件構成。震動器上安裝電動機和偏心輪，偏心運動產生一定的振幅，振幅可對膜表面流體產生剪切力。當污水進入震動膜過濾系統時，液體中的懸浮顆粒停留在膜組里，在剪切力的作用下，懸浮物質做震動運動，膜表面不會形成凝膠層，防止了懸浮物堵塞膜孔，增加了過濾效率，減少了膜清洗次數，并可延長膜使用壽命（圖1、圖2）。震動濾膜[4]的膜組件內包括多張膜，平行排列并以墊圈分隔，結構如圖3 所示。

圖1 震動膜過濾過程Fig.1 Vibrating membrane filtration process

圖2 震動膜表面震動示意圖Fig.2 Schematic diagram of surface vibration of vibrating membrane

圖3 震動膜組件結構Fig.3 Assembly structure of vibrating membrane

1.2 再生工藝

震動濾膜再生采用酸、堿及處理后污水正向循環清洗。先將1.0%（質量分數）酸加入到循環水罐，經循環泵進行循環清洗，清洗完成后將廢酸液排入回收水池；再加1.0%堿到循環水罐，清洗方法與酸清洗相同；然后加次氯酸鈉到循環水罐循環清洗，次氯酸鈉清洗完成后進行過濾。

2 震動膜精細過濾試驗

為了進一步驗證震動膜材質精細過濾的處理效果和適應性，本次試驗裝置首先選擇五廠含油污水處理站二次過濾出水作為膜的進水進行處理試驗。依據試驗分析數據評價震動膜精細過濾技術適應性；其次進行該膜操作技術參數的優化試驗；最后再選擇最佳操作參數進行膜精細過濾技術穩定運行試驗。震動膜精細過濾試驗裝置工藝流程見圖4，技術參數見表1。

圖4 震動膜過濾試驗工藝流程Fig.4 Process flow of vibrating membrane filtration experiment

表1 震動膜過濾設計技術參數及再生運行參數Tab.1 Design technical parameters and regeneration operation parameters of vibrating membrane filtration

3 震動膜過濾裝置現場試驗

3.1 膜通量確定

為了進一步確定震動膜的最佳膜通量[5-7]，在膜通量0.023 dm3/min·dm2（處理量3.5 dm3/min）的試驗基礎上，進行增大膜通量至0.03 dm3/min·dm2（處理量4.5 dm3/min）的過濾試驗，分析數據見表2。

表2 震動膜通量試驗分析數據Tab.2 Data for flux test analysis of vibrating membrane

由試驗發現，震動膜在膜通量0.03 dm3/min·dm2（4.5 dm3/min）時，經膜過濾后出水含油質量濃度、懸浮固體質量濃度及粒徑中值都達到了特低滲透油層回注水水質SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》中的相關規定，但過濾運行時間較短，只有36 h，而在膜通量0.023 dm3/min·dm2時過濾時間達到48 h。因此，從經濟角度選擇震動膜通量為0.023 dm3/min·dm2最佳。

3.2 過濾周期確定試驗

震動膜過濾周期[8]是以處理量衰減來衡量的。在運行壓力0.40 MPa，初始處理量3.5 dm3/min 的情況下，當膜運行處理量衰減到初始處理量40%時，即可認為運行了1 個過濾周期，共進行了4 個過濾周期的試驗，試驗數據見表3。

由表3 可知，震動膜運行48h 時，處理量達到1.4 dm3/min 左右，處理量衰減達到40%，即達到了處理量的衰減設計值。因此，震動膜過濾周期確定為48 h 。

表3 震動膜過濾周期試驗處理量數據Tab.3 Throughput data of vibrating membrane filtration cycle test

3.3 排污周期確定

排污周期[9]的長短直接影響震動膜的過濾周期。排污周期短，膜自耗水量大；排污周期長，膜堵塞快，過濾周期短。在運行壓力0.40 MPa 時，一次排污量按6 L 進行不同排污周期試驗，記錄膜處理量變化的試驗數據（圖5）。由圖5 可知，排污周期6 min 及12 min 時過濾周期都達到48 h。排污周期6 min 的排污量為2.88 m2，而排污周期12 min 的排污量為1.44 m2。因此，確定排污周期為12 min。

圖5 膜過濾時間與衰減率試驗變化曲線Fig.5 Experimental change curve of membrane filtration time and attenuation rate

3.4 排污量確定

排污量的多少同樣也影響著震動膜過濾周期。試驗在運行壓力0.40 MPa 時，排污周期12 min 情況下，進行不同排污量試驗，記錄膜處理量變化的試驗結果（圖6）。由圖6 可知，當排污量為6 L 或7 L時，膜運行周期能夠達到48 h。因此，確定排污量為6 L。

圖6 膜過濾時間與排污量試驗變化曲線Fig.6 Experimental variation curve of membrane filtration time and discharge amount

3.5 清洗液濃度及時間確定

震動膜再生清洗方法[10-11]的先后順序是：酸（HNO3）清洗→堿（NaOH）清洗→次氯酸鈉（Na-ClO）清洗。酸、堿及次氯酸鈉各18 L，清洗液采用三種配方。其中配方A：酸1.0%，堿1.0%，次氯酸鈉3.0%；配方B：酸0.5%，堿1.0%，次氯酸鈉3.0%；配方C：酸1.0%，堿0.5%，次氯酸鈉3.0%（均為質量濃度）。每次清洗后起始流量達到初始流量（3.5 dm3/min），即可認為達到清洗效果。試驗數據見表4。

表4 再生清洗后起始過濾流量數據Tab.4 Start filtering traffic data after regeneration cleaning

由表4 可知：采用“A”清洗90 min 和105 min，清洗后起始處理量能夠恢復到初始處理量（3.5 dm3/min），因此，清洗酸、堿濃度確定為1.0%，次氯酸鈉濃度確定為3.0%。清洗時間為：堿清洗30 min→酸清洗30 min→次氯酸鈉清洗30 min，總計90 min。

3.6 震動膜通量恢復率

保持膜起始運行壓力不變（0.4 MPa），每個過濾周期的起始運行處理量與第一次過濾周期的比值就是這次再生恢復率。經過多次再生后，再生恢復率不變時，即為膜的穩定恢復能力（圖7）。由圖7可知，震動膜運行26 個周期后，膜通量恢復率穩定在98.6%。

圖7 膜過濾排污量與衰減率試驗變化曲線Fig.7 Experimental variation curve of sewage discharge and attenuation rate of membrane filtration

4 穩定運行試驗

在確定出震動膜精細過濾技術處理含油污水適合的參數后，進行3.5 dm3/min（膜通量0.023 dm3/min· dm2）穩定運行試驗，進一步考核膜處理后出水水質的穩定性。試驗分析震動膜進出口含油質量濃度、懸浮固體質量濃度、懸浮固體顆粒粒徑中值3 項水質指標，分析數據如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 膜過濾進出水含油量變化曲線Fig.8 Variation curve of oil content in membrane filtration inlet and outlet water

圖9 膜過濾進出水懸浮固體含量變化曲線Fig.9 Variation curve of suspended solids content in membrane filtration inlet and outlet water

圖10 膜過濾進出水粒徑中值變化曲線Fig.10 Variation curve of median particle size in membrane filtration inlet and outlet water

由圖8、圖9、圖10 中可知，經膜處理后出水含油質量濃度，懸浮固體質量濃度，懸浮固體顆粒粒徑中值3 項指標均達到特低滲透率油層回注水水質指標的要求，水質合格率為100%。

5 結論

（1）震動膜具有膜表面懸浮固體顆粒雜質不易沉降堵塞膜孔的特點，在處理量為3.5 dm3/min 的條件下，當膜過濾進水含油質量濃度≤10 mg/L、懸浮固體質量度≤10 mg/L，粒徑中值≤3.5 μm 時，經膜處理后，出水3 項水質指標均能夠達到特低滲透率油層回注水水質指標SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》中的要求。

（2）優化的技術參數：膜通量參數為0.023 dm3/min·dm2；過濾周期為48 h；排污周期為12 min；排污量為6.0 dm3；酸堿清洗濃度為酸、堿均為1.0%，次氯酸鈉3.0%；清洗時間為90 min；穩定恢復率為98.6%。

（3）為了能夠滿足油田大面積推廣應用，建議在小型試驗裝置的基礎上進一步開展震動膜精細過濾處理含油污水工業化放大驗證試驗，以確定工業化應用的設計參數。