改性纤维球高效过滤技术在油田回注水处理中的应用？

八十年代初，清华大学首次研制了新型纤维滤料，由于它具有可压缩性及滤层可以形成理想的孔隙分布等特点，过滤性能优于传统的刚性滤料(石英砂、煤、磁铁矿、核桃壳等)，十几来在国内各行业水处理中得到广泛得应用。但是由于纤维滤料表面得亲油性，粘附油后不能冲洗干净，从而限制了该滤料在油田含油污水过滤处理中得应用。为了克服纤维滤料的这一缺点，清华大学与清华同方股份有限公司继续作了大量关于纤维滤料防油改性的研究，以及改性纤维球过滤系统产业化、现场试验及工程应用等方面的工作。本文主要从油田含油污水过滤除油、除悬浮物，满足油田注入水质达标需要，对改性纤维球过滤技术、应用方法及技术经济对比等方面进行了介绍。

　　由于中国大部分油田已经进入开发的中、后期，采出液中的含水量为60～80%，有的油田甚至高达90%。如果这些含油污水未经处理直接排放，将造成严重的环境污染，也是水资源的极大浪费。因此，对油田含油污水必须进行处理回用，可以为油田带来巨大的经济和社会效益。

　　目前油田含油污水处理后的出路有三种。**种是处理后用于回注，此为**目标，要求必须对水中的油、悬浮物及其颗粒粒径进行控制；第二种主要是稠油污水，处理后用于热采锅炉的给水，要满足热采锅炉给水的水质；第三种是多余污水处理后排放，按照中国综合污水排放标准，除对含油及悬浮物等指标进行控制外，还要对cod等排放指标进行控制。综上所述，油田含油污水必须进行处理，目前中国油田含油污水常规处理流程是：来水 → 缓冲调储 → 除油、沉降 → 过滤 → 回注、回用或排放。

　　缓冲调储的目的是对来水进行均质、均量，也兼有预处理目的。

　　除油沉降的目的是去除水中大部分油和悬浮物。

　　过滤是进一步去除水中细粒径的油和悬浮物，起到水质把关的作用。

　　由于回注及锅炉回用水对含油及悬浮物指标要求都十分严格，因此油田含油污水处理工艺中的过滤技术也就成为整个工艺的关键和难点。

1 油田回注水指标及水质现状

　　自六十年代中国含油污水处理后用于回注至今，各油田污水处理及回注站已具很大的规模。随着地层采出水量的不断提高，注水量成倍增长，注水水质要求也更加严格，目前执行的是1995年中国石油天然气总公司颁布的行业标准《碎屑岩油藏注水水质推荐指标 sy/t—5329—94》。

　　该标准中规定，从油层的地质条件出发，将水质指标按渗透率小于0.1、0.1～0.6、大于0.6μm2分为低(a)、中(b)、高(c)渗透三类。又将每类标准分3级要求。标准规定中渗透的b1级及低渗透的a3级要求悬浮物颗粒粒径控制≤2μm，低渗透的a2级、a1级要求悬浮物颗粒粒径控制分别为≤1.5,≤1.0μm。这种精度是传统多层滤料(石英砂、煤)和核桃壳滤料所无法达到的。

2 目前油田污水处理过滤技术存在的问题

　　过滤器是油田污水处理*后一道除油、除悬浮物的重要工序，目前油田普遍使用的过滤器有多层滤料(石英砂、无烟煤)过滤器和核桃壳过滤器等。核桃壳过滤器除油效果相对较好，但是控制悬浮物能力较差，多层滤料过滤器比核桃壳过滤器控制悬浮物能力稍好，但除油效果不佳，尤其滤速太低(一般选用12m/h左右)，同等处理量选用设备数量太多，增加一次投资费用。核桃壳、煤、石英砂等颗粒滤料存在一些共同的缺点：

1)不能满足低渗透油田回注水对悬浮物含量及颗粒直径指标的控制要求。

2)由于粒度小(为0.6～1.8mm之间)，易破碎，反冲洗时容易流失，需要经常补充漏失的滤料。

3)对于稠油污水及原油中沥青和胶质含量较高的采出水，以上滤料容易出现板结问题，常使过滤无法进行，使整个过滤工艺瘫痪。

3 纤维球滤料的特点

　　过滤是去除水中悬浮物的*有效手段之一，在研究水的过滤方面，人类经历了漫长的过程。随着科技的进步与人工合成新型材料的出现，诱发人们用新的材料和新的工艺，对以石英砂为代表的传统颗粒滤料提出挑战。

　　1982年日本尤尼奇卡公司(ュニチヵ)将人工合成纤维丝和用纤维丝制成的纤维块作为滤料，分别用于水的净化，取得了较好的效果。1983年，清华大学环境工程系在王占生教授的指导下，在国内首次研制出新型的纤维球滤料，并取得了国家**。

图1 日本尤尼奇卡公司卷曲纤维块 　　　　

图2 清华大学研制的纤维球

　　清华大学环境工程系在实验室进行了研究，研制出不同型号规格的国产纤维球，采用小型试验装置(φ186mm×2500mm)及中试设备(φ1000mm×2500mm)；在北京清河毛纺厂进行了沉淀池出水及接触氧化池出水的过滤试验，得出以下结论：

用纤维丝制成的纤维球滤料，空隙率高、比表面积大，吸附能力强，尤其是国产纤维球，是柔性可压缩滤料，在过滤过程中，滤层空隙率沿水流方向由大变小，符合理想分布，是很好的过滤材料，主要特点如下：

1)滤速高。纤维球滤速可达40m/h，而砂滤滤速只有8～10 m/h。

2)出水水质好。当滤速为20～40 m/h时，国产纤维球可将沉淀池出水悬浮物由＜20mg/l降到1.4～3mg/l，去除率85%左右，日本球出水悬浮物在3.2～3.4mg/l 左右。国产纤维球过滤接触氧化池出水，悬浮物由20～80mg/l降到≤5mg/l。

3)截污量大。过滤沉淀池出水，纤维球滤层截污量为3～4.7kg/m2，为石英砂滤层的1.6～2.4倍；过滤接触氧化池出水，截污量达4.5～9.4 kg/m2。

4)周期产水量大。过滤沉淀池出水时，纤维球过滤周期产水量为360～700m3/m2，是砂滤的3.6～7倍。

5)反冲洗水量少，约占过滤水量的2%左右，而砂滤反冲洗水量约占过滤水量的5%。

纤维球滤料过滤废水试验研究成果,于1986年通过了国家环保局组织的技术鉴定。清华大学还进行了纤维球压缩过滤试验，获得了“可调节滤层的纤维球过滤方法”国家发明**，采用该方法过滤一般水可得出水浊度＜1(ntu)。

4 改性纤维球过滤技术的研制及现场试验研究

　　虽然纤维球过滤器的技术优势很大，但是普通纤维球由于具有非极性的亲油表面，一旦吸附原油，根本无法反冲洗再生，因此限制了它在油田含油污水处理中的应用。为了克服纤维滤料这一缺点，充分发挥其去除悬浮物的潜力，在王占生教授的组织指导下，清华同方股份有限公司环境事业部于2000年成功地开发了新型防油改性纤维球，申报“防油纤维滤料”和“扇形防油纤维滤料”国家实用新型**，并在华北油田进行了现场试验。研究成果综述如下：

1)分析比较了各种不同纤维的综合性能，研究了不同纤维的改性处理工艺，经过比较筛选得知，涤纶纤维具有良好的耐热性能，耐酸、耐碱和耐腐蚀性能，耐磨及耐微生物性能，适应油田采出水的高温、高腐蚀等特点。*后选定以涤纶纤维作为改性对象，进行亲水防油改性。

2)研究不同改性剂对涤纶纤维改性效果，筛选出*佳的防油改性药剂，确定改性工艺参数，得到理想的表面改性效果。由改性纤维球与原丝纤维球经粘油洗涤后照片(图3)对比可知，原丝纤维球经粘油饱和后根本无法再生，而改性纤维球经浸油饱和后用水冲洗时，能够迅速恢复清洁的表面，从而得到再生。

图3 改性纤维球洗涤效果对比

图 4 原纤维丝的扫描电镜图片 　　　　

图5 防油改性纤维丝的扫描电镜图片

　　对比改性前后纤维滤料的电镜图片(图4、图5)，可见防油改性丝的表面已经发生了根本性的变化，防油改性药剂一方面与表面非晶区中的自由基以及游离自由基发生化学接枝，另一方面通过物理吸附作用在纤维的表面。吸附时，由于纤维表面具有非极性，防油改性药剂在上面吸附时，一般以亲油基靠近固体表面，亲水基朝外，这样原来的非极性表面就变成亲水的极性表面。

  3) 现场试验研究

   现场试验在中国某油田污水处理站进行，历时2个月。试验滤柱直径164mm，柱高2.7m，改性纤维球装高0.9m，来水为隔油罐后污水。试验结果见图6。

图6 现场试验结果

　　从图6可知，改性纤维球的除油率及除悬浮物率均大于80%，来水含油＜20mg/l，出水含油＜5 mg/l，来水含油＜10 mg/l左右，出水含油＜2 mg/l。在去除悬浮物方面，更表现出非常好的控制能力，进水悬浮物10 mg/l左右，出水悬浮物≤2 mg/l，出水颗粒中值≤2μm，颗粒总数去除率大于90%。

　　反冲洗试验结果表明：每个周期结束后，都要进行反冲洗，验证防油改性纤维球滤料在实际水处理中的反冲洗效果。由现场观测可知，2个月的运行期内，在进水含油量小于20 mg/l的情况下，每周期结束后反冲出水中瞬时含油量都高达2000 mg/l左右，为进水含油的100倍，这说明反冲洗效果很好，反冲洗后取纤维球分析其带污率，结果见图7。

图7 反冲洗实验结果

　　由图7趋势线可知，纤维球表面的带污率在第6周期后上升趋势变缓，到第21周期结束时纤维表面的带污率≤5.0%。取现场试验中的一枚纤维球继续做浸油清洗试验，总共试验1000次，仍然可以使用。因此，不论是从现场试验的结果以及相应理论预测的结果，都说明防油改性纤维球滤料在用于实际油田采出水处理时，仍具有比较理想的反冲洗再生效果。由于反冲洗只能把过滤中截留超出平衡值油、泥洗净，但不能使滤料回复到未投入使用的状态。因此，经过长期生产运行以后，由于纤维球还附有少量剩余油泥，球的颜色将由白色逐渐变成灰褐色，但不会影响处理效果。

   5 gql型系列改性纤维球过滤系统

　　改性纤维球过滤系统是清华同方股份有限公司于2001年推出的一种新型高效过滤设备，是一种高效、高精度、耐油污的过滤系统，*适合含油污水的过滤处理。

   5.1. gql改性纤维球过滤系统技术优势

(1)该过滤系统的除油、除悬浮物效果*优。除油效率比核桃壳高20%以上，更优于双滤料。按照中国石油天然气总公司行业标准要求，gql过滤系统比核桃壳及双滤料过滤器控制悬浮物颗粒的能力高1～2个等级。采用gql-a型(重力及水力压缩滤层)，出水可以满足中、高渗透层要求，采用gql-b型(机械压缩滤层)，出水可以满足低渗透层要求。

(2)gql过滤器的滤速是双滤料过滤器的2倍；gql过滤器周期产水率是核桃壳过滤器的2倍，截污量是核桃壳过滤器的2.9倍。

(3)gql过滤系统滤料不会漏失，滤层不会板结。

5.2.改性纤维球过滤系统技术性能表(见表1)

表1 改性纤维球过滤系统技术性能表

  5.3.适用范围

★ 油田注水精细过滤、锅炉回用水深度处理、外排水除油除悬浮物。

★ 炼油厂含油废水深度处理。

★ 石油化工含油废水深度处理。

   5.4.应用方法

用于低渗透油田含油污水过滤处理典型工艺：

来水 → 除油、沉降 → gqla(一级或二级)过滤 → gqlb过滤 → 注水

目前，该系统已成功应用于中国长庆油田回注水的处理工程中。

   5.5. 技术经济分析

gql改性纤维球过滤器与核桃壳及双滤料过滤器技术经济对比见表2。

表2 几种过滤器技术经济分析

   6 应用前景

   随着中国水资源的日趋紧张，政府对各行业的水质处理与排放指标的要求日趋严格。随着油田开发时间的延长，原油含水率不断上升，采出水量也不断增长，1995年以后，油田注水水质执行新的行业标准，要求注水水质更严，急需一种高效率、高精度、价格合理的新设备。新型改性纤维球高效过滤器的研究开发，无疑适应了这一市场需求，gql改性纤维球过滤系统的推广应用，对于中国整个石油工业的污水处理具有十分重要的意义。

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