采油废水处理中果壳核桃壳滤料再生方法技术研究
摘要:通过分析讨论了解果壳核桃壳滤料的性能及其在油田采油废水处理中的截污过程与特点;通过实验优选出了污染核桃壳滤料的再生药剂与配方,确定出了污染果壳核桃壳滤料药剂再生的适宜周期为5—10天,药剂再生周期内滤料的水力反洗周期不宜超过24小时;废弃的污染核桃壳滤料,经适当的药剂清洗再生,其过滤性能基本能够得以恢复,使用寿命将大大延长。
目前我国各大油田的采油废水处理中,以核桃壳过滤工艺应用最为广泛.核桃壳滤料的反冲洗一般是利用滤后水在常温下进行.水力反洗方法往往只能清洗掉滤料空隙间截留的杂质或少量滤料表面附着不牢的油污,很难从根本上恢复滤料表面的吸附截污性能.如何才能提高核桃壳滤料的清洗效果,延长核桃壳滤料的使用寿命,降低生产成本,成为目前油田采油废水处理中亟待研究解决的问题。
一、果壳核桃壳滤料的特点及其截污性能：
1.1果壳核桃壳滤料的性能及截污特点
果壳桃壳滤料具有亲水性好、抗油浸、吸附截污能力强(吸附率27-59%)、除油率高(85-90%)、耐磨性好、硬度高、抗压能力强等良好性能,因此对采油废水可实现高速(20-30m/h)的过滤处理,而较低的颗粒密度,易于进行水力反冲,且所需的反冲洗强度较低;核桃壳滤料在进行必要的脱脂处理和化学处理后,可具有相当好的化学稳定性(不易在酸碱溶液中溶解、耐腐蚀)。
果壳核桃壳滤料一方面具有普通滤料的截污能力,可以直接截留废水中的悬浮颗粒;另一方面,它能够依靠其特有的表面物理化学性能,通过粘附作用将采油废水中乳化油粒吸附于滤料表面或滤料表面的凝聚物上加以去除。
1.2果壳核桃壳滤料截污过程与污垢性质：
核桃壳滤料的截污过程以及截留污垢的性质主要包括以下几个方面:
(1)重力作用下悬浮颗粒沉积在滤料表面形成的沉降污垢:采油废水中密度较大的的悬浮杂质在重力的作用下,不断地沉积在滤料表面,由此形成的污垢,在物体表面上的附着力很弱,易于从滤料表面去除,采用水力反洗方法去除的主要是此类污垢。
(2)滤料表面物理吸附或粘附作用下附着在滤料表面的污垢:这类污垢主要以油污为主,由于其疏水性,易于附着于滤料颗粒的表面.在核桃壳过滤器中,油粒与细小的悬浮物颗粒粘附在一起,与滤料表面产生吸附形成污垢,该种形式附着的污垢由于其疏水性往往难于由水力清洗除掉。
(3)静电引力作用下附着在滤料表面的污垢:当废水中悬浮颗粒与滤料表面带有相反电荷时,它就会在静电引力作用下吸附到滤料表面;带负电的污垢粒子与同带负电的滤料表面也可在带正电荷的高浓度的金属阳离子的作用下凝结在滤料表面形成污垢。在水力反冲条件下,该类污垢视其与滤料表面的作用强度或结合强度,能在一定程度上被去除掉。
(4)扩散作用下渗入滤料内部孔道的污垢:核桃壳滤料具有一定的孔道结构,由于扩散作用,水中的污染物及杂质会向滤料孔道内部迁移.由电镜扫描结果可以发现,滤料截污后原有孔道明显被堵塞,若仅通过水力清洗,无法将孔道内的污垢除掉,核桃壳滤料由于其多孔性能形成这部分截污能力也就无法恢复,导致截污能力降低.而经过药剂清洗后,无论是滤料表面,还是滤料孔道基本上都能够恢复到截污前的状态。
如上所述,果壳核桃壳滤料对采油废水进行过滤处理后,仅靠水力反洗往往很难达到滤料清洗的要求,需要寻求新的清洗技术.表面活性剂,由于其具有去污效果好、副作用小等特点,成为应用最为普遍的清洗剂。本文重点对表面活性剂清洗果壳核桃壳滤料进行静态条件下和动态条件下的试验研究,以期筛选出适宜的药剂。
1、果壳核桃壳滤料静态实验：
静态实验的目的就是在实验室条件下,通过对不同清洗药剂(配比)的去污效果对比,初步筛选出表面活性剂与其它化学清洗药剂适宜的配比方案,为动态实验提供依据。
根据前期试验结果和现有的文献资料,确定选用十二烷基苯磺酸钠为主要清洗剂,并对它与氢氧化钠、碳酸钠、三聚磷酸钠三种辅助清洗剂不同比例、相同总浓度(1%)的配比方案进行对比试验,试验结果如表1所示。
根据上述不同药剂的单独清洗和复配清洗实验结果,十二烷基苯磺酸钠与三聚磷酸钠以3∶1比例配成浓度为1%的清洗剂除油效率最高,因此,以下的动态实验主要是据此药剂配比来进行的。
表1不同配比的清洗药剂对污染果壳核桃壳滤料的除油效果对比实验结果
清洗药剂浓度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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清洗前果壳核桃壳吸附油量(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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清洗后果壳核桃壳残余油量(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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平均洗净率(%)
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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钠;②表中清洗后果壳核桃壳中残余油量为多组平行实验的平均值。
2.果壳核桃壳滤料动态再生实验研究：
动态实验是在静态实验成果基础上,考察动态条件下,核桃壳滤料过滤性能的变化与恢复过程,确定最佳的反洗方式和操作条件.动态实验是在陇东油田中集站污水处理厂现场进行的,其装置系统。
实验过程中,水洗方式采用滤后水反洗的同时用压缩空气进行搅拌,滤速按现场核桃壳过滤器的滤速定为20m/h,反洗强度为18m/h,反洗时间为15分钟.药洗采用完全混合间歇操作方式,先将药液通过反洗泵注入滤柱中,利用压缩空气擦洗5分钟后,自上而下同时向滤柱中进气、水清洗5分钟,然后单独通水继续漂洗10分钟动态实验中选用了新旧两种核桃壳滤料进行对比,其中旧核桃壳滤料为过滤器失效更换出的废弃滤料(弃用时间为1年);原水为废水处理站核桃壳过滤器的滤前水.现场分别就新旧滤料水洗、旧滤料的药洗与水洗以及两种反洗方式组合情况下的核桃壳滤料过滤性能和过滤效果进行了实验研究。
2.1新旧果壳核桃壳滤料水洗过滤对比实验：
新旧滤料在水洗条件下的过滤对比实验是在1#、2#两个滤柱中进行的,进水含油量均为27mg/L.1#、2#柱中分别装填150cm高的新旧滤料(新滤料已经过一个周期的过滤),经水洗后在相同条件下进行过滤实验,测定不同时刻滤后水的含油量。
旧果壳核桃壳滤料比新滤料的过滤效果明显要差.不过总的来看,在过滤24小时后,旧核桃壳滤柱的出水含油量基本都在15mgL以内,这比核桃壳过滤器中滤料完全失效时的过滤效果有了明显的改善.这说明,废弃滤料在露天存放条件下,经长达1年的日晒、风吹、雨淋,滤料表面及孔道内的大部分油污已经挥发或被清洗掉,滤料表面的物化性能在很大程度上得以恢复.由此可见,采用水力反洗的核桃壳滤料失效后,完全可以在自然条件下或者通过适当的器外清洗得以再生,基本或完全恢复其过滤性能,实现核桃壳滤料的重复利用,既能避免频繁更换新滤料,又能降低生产成本,减少环境污染。
2.2旧果壳核桃壳滤料水洗和药洗后过滤对比实验：
旧滤料在水洗、药洗条件下的过滤对比实验也是在1#、2#滤柱中进行的,将两柱中装填150cm高的旧滤料,分别进行水洗和药洗条件下的过滤对比实验.污染滤料经水洗、药洗后的过滤效果。
可以看出,药液清洗滤料的除油效果明显优于水洗滤料,出水含油量同比降低5mg/L左右,与图3清洁滤料的过滤过程线已基本一致.这进一步说明,水洗难以清除掉的吸附在核桃壳上的油垢,是导致滤料截污效果和滤层纳污能力下降的主要因素.而药液清洗则能去除这层油垢,恢复旧滤料表面的截污性能。
另外还可看出,水洗滤柱过滤出水的含油量不够稳定,随进水含油量的变化波动较大,由此说明水洗滤料吸附油污的性能并未得到根本改善,油污在滤料表面的附着力较小,因此对进水冲击负荷的适应能力差,一旦进水水质发生波动,过滤出水的效果就难以得到保证。
2.3水洗和药洗组合过滤实验：
该实验的目的主要是确定药洗和水洗组合条件下的滤料再生周期.在两个滤柱中均装填150cm高的旧滤料,进行滤料药洗后的过滤—水洗—过滤的重复对比实验,测定不同时刻滤后水的含油量,由于出水含油量受进水水质影响较大,所以不同周期内的出水含油量之间没有可比性,为了使不同进水水质和不同周期之间的过滤效果能够加以比较,采用过滤处理的除油率随时间的变化过程线来进行对比分析实验结果。
实验结果表明,旧滤料经药洗后过滤性能稳定,在经过30小时的过滤后,除油效率变化不大,基本保持在78～72%之间,平均除油效率在75%以上;而在两次药洗之间进行的水洗过滤,在同一过滤周期内,除油效率随过滤时间延长明显降低;核桃壳滤料的平均除油率随水洗次数的增加也逐次降低,经过五次水洗后过滤平均除油率已降至60%以下,24小时过滤后的除油率已低于50%,这表明此时的核桃壳已严重污染,再进行水力反洗,果壳核桃壳滤料的过滤效果也很难保证,必须进行药洗再生才能有效地恢复滤料的过滤性能,改善出水水质.再次药洗过滤的结果表明,旧滤料的平均除油率又提高到75%左右。
实验结果进一步表明了药洗再生的优越性和必要性.根据动态实验结果和生产实际,可以初步确定核桃壳药剂再生的周期定为5—10天较为适宜.现场操作人员可根据过滤器进出水水质,在此范围内调整药剂再生的周期:若进水水质较好可取其上限,反之则要适当缩短药洗周期.笔者还认为,经药剂再生后的滤料在连续过滤超过24小时后,即便在出水水质还没有恶化的情况下,为了避免滤料的过度污染,也应该终止过滤,对滤料进行水力反洗,据此初步确定在药洗的一个周期内进行滤后水力反洗的周期以不超过24小时为宜。
（1）以十二烷基苯磺酸钠与三聚磷酸钠按3∶1比例配成1%浓度的混合药剂作为污染核桃壳滤料。
的清洗剂,再生成本低、清洗效果好;露天存放的废弃滤料经过自然条件下的日晒挥发、雨水浸洗等作用后,过滤性能在很大程度能得以恢复;若辅以适当的药剂清洗,废弃滤料可以重复使用。
（2）药液清洗后果壳核桃壳滤料的过滤性能明显优于水洗滤料,出水水质稳定,含油量显著降低。
（3）旧果壳核桃壳滤料经药洗后过滤性能较稳定,而在药洗周期内进行的水洗过滤,在同一水洗周期内除油率随过滤时间延长明显降低;滤料随水洗次数的增加平均除油率迅速降低,再次药洗后污染滤料的平均除油效率又可恢复到75%左右。污染果壳核桃壳药剂再生的适宜周期为5—10天,药剂再生周期内滤料的水力反洗周期不宜超过24小时。
