采油廢水處理中果殼核桃殼濾料再生方法技術研究
摘要:通過分析討論了解果殼核桃殼濾料的性能及其在油田采油廢水處理中的截污過程與特點;通過實驗優選出了污染核桃殼濾料的再生藥劑與配方,確定出了污染果殼核桃殼濾料藥劑再生的適宜周期為5—10天,藥劑再生周期內濾料的水力反洗周期不宜超過24小時;廢棄的污染核桃殼濾料,經適當的藥劑清洗再生,其過濾性能基本能夠得以恢復,使用壽命將大大延長。
目前我國各大油田的采油廢水處理中,以核桃殼過濾工藝應用最為廣泛.核桃殼濾料的反沖洗一般是利用濾后水在常溫下進行.水力反洗方法往往只能清洗掉濾料空隙間截留的雜質或少量濾料表面附著不牢的油污,很難從根本上恢復濾料表面的吸附截污性能.如何才能提高核桃殼濾料的清洗效果,延長核桃殼濾料的使用壽命,降低生產成本,成為目前油田采油廢水處理中亟待研究解決的問題。
一、果殼核桃殼濾料的特點及其截污性能：
1.1果殼核桃殼濾料的性能及截污特點
果殼桃殼濾料具有親水性好、抗油浸、吸附截污能力強(吸附率27-59%)、除油率高(85-90%)、耐磨性好、硬度高、抗壓能力強等良好性能,因此對采油廢水可實現高速(20-30m/h)的過濾處理,而較低的顆粒密度,易于進行水力反沖,且所需的反沖洗強度較低;核桃殼濾料在進行必要的脫脂處理和化學處理后,可具有相當好的化學穩定性(不易在酸堿溶液中溶解、耐腐蝕)。
果殼核桃殼濾料一方面具有普通濾料的截污能力,可以直接截留廢水中的懸浮顆粒;另一方面,它能夠依靠其特有的表面物理化學性能,通過粘附作用將采油廢水中乳化油粒吸附于濾料表面或濾料表面的凝聚物上加以去除。
1.2果殼核桃殼濾料截污過程與污垢性質：
核桃殼濾料的截污過程以及截留污垢的性質主要包括以下幾個方面:
(1)重力作用下懸浮顆粒沉積在濾料表面形成的沉降污垢:采油廢水中密度較大的的懸浮雜質在重力的作用下,不斷地沉積在濾料表面,由此形成的污垢,在物體表面上的附著力很弱,易于從濾料表面去除,采用水力反洗方法去除的主要是此類污垢。
(2)濾料表面物理吸附或粘附作用下附著在濾料表面的污垢:這類污垢主要以油污為主,由于其疏水性,易于附著于濾料顆粒的表面.在核桃殼過濾器中,油粒與細小的懸浮物顆粒粘附在一起,與濾料表面產生吸附形成污垢,該種形式附著的污垢由于其疏水性往往難于由水力清洗除掉。
(3)靜電引力作用下附著在濾料表面的污垢:當廢水中懸浮顆粒與濾料表面帶有相反電荷時,它就會在靜電引力作用下吸附到濾料表面;帶負電的污垢粒子與同帶負電的濾料表面也可在帶正電荷的高濃度的金屬陽離子的作用下凝結在濾料表面形成污垢。在水力反沖條件下,該類污垢視其與濾料表面的作用強度或結合強度,能在一定程度上被去除掉。
(4)擴散作用下滲入濾料內部孔道的污垢:核桃殼濾料具有一定的孔道結構,由于擴散作用,水中的污染物及雜質會向濾料孔道內部遷移.由電鏡掃描結果可以發現,濾料截污后原有孔道明顯被堵塞,若僅通過水力清洗,無法將孔道內的污垢除掉,核桃殼濾料由于其多孔性能形成這部分截污能力也就無法恢復,導致截污能力降低.而經過藥劑清洗后,無論是濾料表面,還是濾料孔道基本上都能夠恢復到截污前的狀態。
如上所述,果殼核桃殼濾料對采油廢水進行過濾處理后,僅靠水力反洗往往很難達到濾料清洗的要求,需要尋求新的清洗技術.表面活性劑,由于其具有去污效果好、副作用小等特點,成為應用最為普遍的清洗劑。本文重點對表面活性劑清洗果殼核桃殼濾料進行靜態條件下和動態條件下的試驗研究,以期篩選出適宜的藥劑。
1、果殼核桃殼濾料靜態實驗：
靜態實驗的目的就是在實驗室條件下,通過對不同清洗藥劑(配比)的去污效果對比,初步篩選出表面活性劑與其它化學清洗藥劑適宜的配比方案,為動態實驗提供依據。
根據前期試驗結果和現有的文獻資料,確定選用十二烷基苯磺酸鈉為主要清洗劑,并對它與氫氧化鈉、碳酸鈉、三聚磷酸鈉三種輔助清洗劑不同比例、相同總濃度(1%)的配比方案進行對比試驗,試驗結果如表1所示。
根據上述不同藥劑的單獨清洗和復配清洗實驗結果,十二烷基苯磺酸鈉與三聚磷酸鈉以3∶1比例配成濃度為1%的清洗劑除油效率最高,因此,以下的動態實驗主要是據此藥劑配比來進行的。
表1不同配比的清洗藥劑對污染果殼核桃殼濾料的除油效果對比實驗結果
清洗藥劑濃度1%
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A
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A+NaOH
4:13:12:11:1
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A+Na2CO3
4:13:12:11:1
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A+Na2P3O10
4:13:12:11:1
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清洗前果殼核桃殼吸附油量(mg/g)
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3.495
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3.921
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3.753
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3.570
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清洗后果殼核桃殼殘余油量(mg/g)
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0.705、0.645、0.601、0.563、0.718、0.572、0.494、0.611、0.799、0.434、0.316、0.464、0.619
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平均洗凈率(%)
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79.88、3.68、4.78、5.78、1.78、4.88、6.88、3.77、8.78、7.99、1.18、7.08、2.7
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注:①表中A代表十二烷基苯磺酸鈉;②表中清洗后果殼核桃殼中殘余油量為多組平行實驗的平均值。
2.果殼核桃殼濾料動態再生實驗研究：
動態實驗是在靜態實驗成果基礎上,考察動態條件下,核桃殼濾料過濾性能的變化與恢復過程,確定最佳的反洗方式和操作條件.動態實驗是在隴東油田中集站污水處理廠現場進行的,其裝置系統。
實驗過程中,水洗方式采用濾后水反洗的同時用壓縮空氣進行攪拌,濾速按現場核桃殼過濾器的濾速定為20m/h,反洗強度為18m/h,反洗時間為15分鐘.藥洗采用完全混合間歇操作方式,先將藥液通過反洗泵注入濾柱中,利用壓縮空氣擦洗5分鐘后,自上而下同時向濾柱中進氣、水清洗5分鐘,然后單獨通水繼續漂洗10分鐘動態實驗中選用了新舊兩種核桃殼濾料進行對比,其中舊核桃殼濾料為過濾器失效更換出的廢棄濾料(棄用時間為1年);原水為廢水處理站核桃殼過濾器的濾前水.現場分別就新舊濾料水洗、舊濾料的藥洗與水洗以及兩種反洗方式組合情況下的核桃殼濾料過濾性能和過濾效果進行了實驗研究。
2.1新舊果殼核桃殼濾料水洗過濾對比實驗：
新舊濾料在水洗條件下的過濾對比實驗是在1#、2#兩個濾柱中進行的,進水含油量均為27mg/L.1#、2#柱中分別裝填150cm高的新舊濾料(新濾料已經過一個周期的過濾),經水洗后在相同條件下進行過濾實驗,測定不同時刻濾后水的含油量。
舊果殼核桃殼濾料比新濾料的過濾效果明顯要差.不過總的來看,在過濾24小時后,舊核桃殼濾柱的出水含油量基本都在15mgL以內,這比核桃殼過濾器中濾料完全失效時的過濾效果有了明顯的改善.這說明,廢棄濾料在露天存放條件下,經長達1年的日曬、風吹、雨淋,濾料表面及孔道內的大部分油污已經揮發或被清洗掉,濾料表面的物化性能在很大程度上得以恢復.由此可見,采用水力反洗的核桃殼濾料失效后,完全可以在自然條件下或者通過適當的器外清洗得以再生,基本或完全恢復其過濾性能,實現核桃殼濾料的重復利用,既能避免頻繁更換新濾料,又能降低生產成本,減少環境污染。
2.2舊果殼核桃殼濾料水洗和藥洗后過濾對比實驗：
舊濾料在水洗、藥洗條件下的過濾對比實驗也是在1#、2#濾柱中進行的,將兩柱中裝填150cm高的舊濾料,分別進行水洗和藥洗條件下的過濾對比實驗.污染濾料經水洗、藥洗后的過濾效果。
可以看出,藥液清洗濾料的除油效果明顯優于水洗濾料,出水含油量同比降低5mg/L左右,與圖3清潔濾料的過濾過程線已基本一致.這進一步說明,水洗難以清除掉的吸附在核桃殼上的油垢,是導致濾料截污效果和濾層納污能力下降的主要因素.而藥液清洗則能去除這層油垢,恢復舊濾料表面的截污性能。
另外還可看出,水洗濾柱過濾出水的含油量不夠穩定,隨進水含油量的變化波動較大,由此說明水洗濾料吸附油污的性能并未得到根本改善,油污在濾料表面的附著力較小,因此對進水沖擊負荷的適應能力差,一旦進水水質發生波動,過濾出水的效果就難以得到保證。
2.3水洗和藥洗組合過濾實驗：
該實驗的目的主要是確定藥洗和水洗組合條件下的濾料再生周期.在兩個濾柱中均裝填150cm高的舊濾料,進行濾料藥洗后的過濾—水洗—過濾的重復對比實驗,測定不同時刻濾后水的含油量,由于出水含油量受進水水質影響較大,所以不同周期內的出水含油量之間沒有可比性,為了使不同進水水質和不同周期之間的過濾效果能夠加以比較,采用過濾處理的除油率隨時間的變化過程線來進行對比分析實驗結果。
實驗結果表明,舊濾料經藥洗后過濾性能穩定,在經過30小時的過濾后,除油效率變化不大,基本保持在78～72%之間,平均除油效率在75%以上;而在兩次藥洗之間進行的水洗過濾,在同一過濾周期內,除油效率隨過濾時間延長明顯降低;核桃殼濾料的平均除油率隨水洗次數的增加也逐次降低,經過五次水洗后過濾平均除油率已降至60%以下,24小時過濾后的除油率已低于50%,這表明此時的核桃殼已嚴重污染,再進行水力反洗,果殼核桃殼濾料的過濾效果也很難保證,必須進行藥洗再生才能有效地恢復濾料的過濾性能,改善出水水質.再次藥洗過濾的結果表明,舊濾料的平均除油率又提高到75%左右。
實驗結果進一步表明了藥洗再生的優越性和必要性.根據動態實驗結果和生產實際,可以初步確定核桃殼藥劑再生的周期定為5—10天較為適宜.現場操作人員可根據過濾器進出水水質,在此范圍內調整藥劑再生的周期:若進水水質較好可取其上限,反之則要適當縮短藥洗周期.筆者還認為,經藥劑再生后的濾料在連續過濾超過24小時后,即便在出水水質還沒有惡化的情況下,為了避免濾料的過度污染,也應該終止過濾,對濾料進行水力反洗,據此初步確定在藥洗的一個周期內進行濾后水力反洗的周期以不超過24小時為宜。
（1）以十二烷基苯磺酸鈉與三聚磷酸鈉按3∶1比例配成1%濃度的混合藥劑作為污染核桃殼濾料。
的清洗劑,再生成本低、清洗效果好;露天存放的廢棄濾料經過自然條件下的日曬揮發、雨水浸洗等作用后,過濾性能在很大程度能得以恢復;若輔以適當的藥劑清洗,廢棄濾料可以重復使用。
（2）藥液清洗后果殼核桃殼濾料的過濾性能明顯優于水洗濾料,出水水質穩定,含油量顯著降低。
（3）舊果殼核桃殼濾料經藥洗后過濾性能較穩定,而在藥洗周期內進行的水洗過濾,在同一水洗周期內除油率隨過濾時間延長明顯降低;濾料隨水洗次數的增加平均除油率迅速降低,再次藥洗后污染濾料的平均除油效率又可恢復到75%左右。污染果殼核桃殼藥劑再生的適宜周期為5—10天,藥劑再生周期內濾料的水力反洗周期不宜超過24小時。
