（动力工程及工程热物理专业论文）超频振动膜技术在油田污水处理中的应用.pdf

超频振动膜技术在油田污水处理中的应用 张碉( 动力工程及工程热物理) 指导老师：许康( 副教授) 摘要 超频振动剪切膜过滤是近年来提出的一种新的动态过滤方法，它是一种通过 外加振动激励并将其传递到膜表面，从而产生剪切作用的过滤方法，该方法突破 了错流过滤需通过增加循环流速提高膜面剪切力的限制，使剪切力的控制和调整 独立于料液性质和操作参数。同时，该方法减轻了膜表面由于浓差极化造成的凝 胶、滤饼污染，提高了膜通量等性能。因此对超频振动膜过滤技术研究具有重要 意义。 本文通过自行设计振动过滤装置，并对该装置处理油田联合站污水进行了实 验测试和模型分析。通过研究过滤压力、振动频率对膜通量和通量衰减指数、膜 过滤效率以及膜过滤水质的影响，得出以下结论： 振动作用可以有效提高膜通量、膜过滤效率和滤液水质。振动频率在2 0 - 4 0 h z 范围时膜通量比无振动条件下通量值高出近1 倍；振动条件下膜过滤效率 比无振动条件过滤效率提高6 个百分点。振动作用下滤液含油量比无振动条件下 含油量降低1 , - 4 m g l ；过滤压力可以提高膜通量、膜过滤效率和滤液水质。微滤 膜作为压力驱动膜，其滤液量随压力增加而增大；过滤压力增大，单位入口流量 条件下滤液质量增加，过滤效率升高；过滤压力增加，滤液含油量降低，滤液水 质质量升高；以单位质量滤液电耗作为评价指标得出，振动过滤比无振动过滤电 耗降低0 0 1 6 - 4 ) 1 0 6 k w ，因此其过滤效益较高。 在实验基础上，根据膜通量数据，通过因次分析和多元回归分析，建立膜动 态通量和稳态通量模型。并分别拟合出频率对膜通量、膜通量衰减指数、膜过滤 效率、膜过滤水质影响的关系式。 通过超频振动剪切膜过滤油田污水的实验研究发现，该过滤方法能够强化膜 分离性能，且能耗低，占用空间小，因此在油田污水处理中具有较好的应用前景。 关键词：油田污水，膜过滤，超频振动，振动频率，过滤压力 a p p l i c a t i o no fo v e r c l o c kv i b r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g y i no i l f i e l dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t z h a n gy u e ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya p r o f x uk a n g a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fv i b r a t i o ns h e e re n h a n c e dm e m b r a n ef i l t r a t i o nw a san e w m e t h o dt h a tp r o p o s e di nr e c e n ty e a r s t h en e wm e t h o dc o u l dp r o d u c es h e e rf o r c eo n m e m b r a n es u r f a c eb yo u t e rv i b r a t i o ne x c i t a t i o n i tb r o k et h el a wt h a ts h e e rf o r c ew a s d e t e r m i n e db yc i r c u l a t i o nf l o wr a t ea n di tm a d et h ec o n t r o lo fs h e e rf o r c e i s o l a t e d f r o mo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n dl i q u i dp r o p e r t i e s d u et ot h ea d o p t i o no ft h em e t h o d ， t h eg e lc a k el a y e rc a u s e db yc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o nw a sr e d u c e da n dm e m b r a n e f l u xw a si m p r o v e d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nv i b r a t i o ns h e e re n h a n c e dm e m b r a n e f i l t r a t i o nh a di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，a ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nav i b r a t i o nf i l t r a t i o ns y s t e m w h i c hw a su s e df o ro i l f i e l ds e w a g ep u r i f i c a t i o n i tf o c u s e do l lm e m b r a n ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r ss u c ha sm e m b r a n ef l u x ，f i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp e r m e a t eq u a l i t ya t d i f f e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n df i l t r a t i o np r e s s u r e t h ec o n c l u s i o n sw e r el i k et h a t ： v i b r a t i o nf i l t r a t i o n t e c h n o l o g yc o u l di m p r o v em e m b r a n ef l u x ， m e m b r a n e f i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp e r m e a t eq u a l i t y c o m p a r e dt on ov i b r a t i o nc i r c u m s t a n c e ，t h e m e m b r a n ef l u xw a so n et i m e sh i g h e ra t2 0t o4 0h e r t z ，t h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c yw a s6 t i m e sh i g h e ra t3 0h e r t z ，a n dt h eo i lc o n t e n tw a s1t o4 m g 几l o w e ra t4 0h e r t z f i l t r a t i o np r e s s u r ec a l li m p r o v em e m b r a n ef l u x ，m e m b r a n ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p e r m e a t eq u a l i t y m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ei s p r e s s u r e d r i v e nm e m b r a n e ，s o p e r m e a t ef l u xi n c r e a s e dw h e nf i l t r a t i o np r e s s u r ei n c r e a s e d f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi s d e t e r m i n e db yp e r m e a t eq u a n t i t y ，a n dw h e np r e s s u r e i n c r e a s e d ，i t se f f i c i e n c y i n c r e a s e d o i lc o n t e n to fp e r m e a t ed e c r e a s e dw h e np r e s s u r ei n c r e a s e d ，a n dt h eq u a l i t y o fp e r m e a t ei m p r o v e d p o w e rc o n s u m p t i o no fp e ru n i tp e r m e a t ec a nb eu s e da sa l l e v a l u a t i o ni n d e xo fv i b r a t i o nf i l t r a t i o ns y s t e m t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fu n i t v o l u m ep e r m e a t ei nv i b r a t i o nf i l t r a t i o ns y s t e mw a sm u c hl o w e rt h a nn ov i b r a t i o n f i l t r a t i o ns y s t e m ，s ot h ev i b r a t i o ns y s t e mh a dah i g hp r o f i c i e n c y b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t ao fm e m b r a n ef l u x ，a n dt h em e t h o do fd i m e n s i o n a l a n a l y s i sa n dm u l t i p l e l i n e a rr e g r e s s i o n ，m e m b r a n ed y n a m i ca n ds t e a d y - s t a t ef l u x m o d e lw e r es o l v e d a n dt h ee q u a t i o nw h i c hd e s c r i b e dt h ee f f e c to ff r e q u e n c yo n m e m b r a n ef l u x ，m e m b r a n ef l u xd e c l i n ei n d e x ，m e m b r a n ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n d q u a l i t yo fp e r m e a t ew e r ef i t t e do u ta sw e l l a f t e rt h es t u d yo fv i b r a t i o ns h e e re n h a n c e dm e m b r a n ef i l t r a t i o nt e c h n o l o g yi n o i l f i e l dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t , i tf o u n d e do u tt h a tv i b r a t i o nf i l t r a t i o nh a dah i g h m e m b r a n ep e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n da l s os m a l lf o o 印血t a l lt h e s t r e n g t h sm a d et h i st e c h n o l o g yag o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o ni no i lf i e l dw a s t e w a t e r t r e a t m e n t k e yw o r d s ：o i l f i e l dw a s t ew a t e r ，m e m b r a n ef i l t r a t i o n ，o v e r c l o c ko s c i l l a t i o n , v i b r a t i o n f r e q u e n c y ，f i l t r a t i o np r e s s u r e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 油田采出水是指从地下采出的含水原油，经过电脱水分离出来的水，也称油 田污水【1 】o 油田采出水具有含油量高、悬浮固体含量高、细菌含量高、矿化度含 量高和化学需氧量( c o d ) 高等特点，因此给采出水处理带来的很大困难【2 】。通 过除油罐、絮凝沉降、过滤等传统方法已经无法满足低渗和特低渗透油田的开发 要求，因此各种新的污水处理技术不断被开发，这些方法归纳起来可以分为物理 方法、化学方法和生物方法等，其中以膜过滤方法处理油田污水的效果较为突出 【3 】 膜是指两相之间的一个不连续区间，可以是气态、液态、固态，这个阻挡层 阻碍了各相之间的水力学流动 4 。膜过滤技术是近年来兴起的一种新的过滤方 式，该过滤方式通过纯物理方式实现分离作用，因此其具有效率高、能耗低、无 二次污染、分子级过滤、过滤过程简单、易于控制等特点，在能源紧张、资源匮 乏、生态恶化条件下，该过滤方式具有重要意义。 膜分离过程中存在的自身污染问题却不容忽视。在过滤过程中，滤液通过膜 孔而悬浮物颗粒等被截留在膜表面，随着过滤的不断进行，膜表面悬浮颗粒浓度 不断升高，形成浓差极化。继而出现过饱和发生凝胶现象。凝胶造成的污染堵塞 了膜孔，导致过滤压力升高并造成凝胶层被压实并在膜表面形成滤饼污染。因此， 膜污染导致膜通量快速下降的问题成为阻碍膜过滤的工业化应用的瓶颈【5 。 限制滤饼增长的途径主要有两个方面，即依靠流体自身产生的力和外部设备 产生的作用力。横流过滤和旋转圆盘过滤是在该理论基础上提出的两种限制滤饼 生长从而达到防止膜污染的措施。横流过滤是利用料液速度梯度产生的横向剪切 力来消除滤饼，但在流速较小时产生的剪切力较小，对黏附力很强的污染很难消 除。若通过增加流速的方式增加剪切力会造成循环压力增加，同时横流速度过高 导致过滤速率降低旧。旋转圆盘过滤是在两层膜间隙中安装旋转盘，料液以圆盘 轴向进入后被旋转盘离心作用分散到膜表面。这种方式产生的剪切力不会受横流 速度的制约，因此表现出良好的过滤效果。但是当滤饼浓缩达到非牛顿流体状态 时，旋转盘的阻力急剧上升，料液温度也随之上升，因此消耗的能量也急剧上升。 由于这些问题限制了上述两种过滤方式的应用【7 】。 超频振动剪切过滤从增加膜剪切力角度出发，消除了错流过滤靠增加流动速 1 第1 章绪论 度来增加剪切力的制约，同时该过滤方式不需要旋转过滤设备，能够有效降低能 耗【8 1 。该系统由两大部分组成，分别为膜包和振动器，膜包中安装滤膜组件，在 外加振动作用下它能够以较大幅度振动，振动器提供系统所需的振动作用，两部 分通过连接杆联系起来。超频振动剪切过滤能够有效提高膜面剪切力，阻碍膜表 面凝胶层的形成，从而减轻膜污染，提高了膜过滤通量。同时由于污染减轻，膜 清洗周期延长，不仅节约了成本，同时避免了频繁的设备清洗导致的人力、物力 的消耗；超频振动剪切过滤的纯物理分离方式，不会引入二次污染；超频振动剪 切过滤具有占地面积小、能耗低的特点，对海上平台等空间要求严格的场合具有 较高的适应性；超频振动剪切过滤的振动系统和过滤系统的独立性决定了该过滤 方式很容易实现对现有膜过滤设备的改造。 超频振动剪切膜以其良好的性能，在医药卫生、生活污水净化以及食品等行 业得到应用 9 】o 超频振动剪切过滤对环境污染很小前提下实现污水的循环使用， 对内陆缺水油田采出水的回用将具有极其重要的意义。因此超频振动剪切过滤对 油田污水的处理能力和处理效果成为本文研究的主要目标。 1 2 课题研究的主要内容 超频振动剪切膜过滤具有良好的抗污染性、能耗低、无二次污染等优点，为 了确定该过滤方法对油田污水处理的适应性以及其油田污水处理的性能，本文采 用胜利油田联合站出口污水为研究对象，滤膜采用0 2 , u r n 聚偏氟乙烯( p v d f ) 微滤膜为过滤介质，在振动剪切过滤机上进行了测试研究。主要包括以下几点： ( 1 ) 采集联合站出口污水并对其含油量、粘度、密度等进行测试，得到待 处理污水的水质数据。 ( 2 ) 针对污水水质数据以及污水处理回注要求，选择合适的膜形式并确定 膜材料、膜孔径、孔隙率、膜面积等参数。 ( 3 ) 设计振动剪切过滤实验装置并测试不同压力、不同流量以及不同振动 频率时得到的滤液量、滤液含油量和滤液产率。 ( 4 ) 分析实验结果，得出振动剪切作用在不同压力和流量条件下对膜通量、 截留率和过滤效率的影响，并通过正交分析得出剪切作用影响程度大小。同时， 对实验效率以电耗为指标进行了评价。 ( 5 ) 在实验结果基础上，拟合振动剪切动态通量和稳态通量经验关系式。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章研究现状 2 1 膜分离理论研究现状 2 1 1 膜分离机理 微孔过滤是以压差为推动力，利用膜孔的“筛分 机理进行分离的膜过程。 在分离过程中，小于膜孔径的颗粒通过膜、大于膜孔径的颗粒被截留【1 0 】。除膜孔 径的截留作用外，膜表面化学性质以及膜的荷电性也会对分离产生一定的影响。 总体讲，膜分离大体可分为表面截留和内部截留。 膜表面截留主要表现为物理截留、机械截留、架桥作用和孔口封堵等。膜内 部截留是指被截留微粒吸附膜孔壁上。膜表面截留导致的污染在膜表层发生，可 以通过料液流动产生的剪切作用或其它剪切外力得到缓解。即膜表面截留导致的 污染是可消除的。膜内部截留导致的污染为不可恢复性污染，将造成膜失效。 微滤膜操作方式分为静态过滤方式和横向流过滤方式【1 l 】。静态过滤方式随着 时间增长，截留物质在膜表面形成污染层，随着污染层增厚和压实，膜过滤阻力 增加、通量下降。因此该方式为间歇式，适用于小规模使用。横向流过滤中，料 液流动方向平行于膜表面方向，流体的流动剪切力能使膜表面污染层返回主体料 液，可有效防止污染，因此该方式为连续式。 2 1 2 膜污染机理 微滤属于深层过滤，即流体通过多孔介质的渗流，该过程遵循达西定律【1 2 】。 当过滤介质被污染堵塞时，过滤压力降会比通过新介质时高很多倍，但仍遵循达 西定律【1 3 】： 一生：七鱼二垡丝 ( 2 1 ) l s 。d ； 式中，“为液体通过介质表面速度，单位m s ；三为膜厚；p 为孔隙率；磊为悬浮 液颗粒粒径。 深层过滤基本过程分为输送阶段和附着阶段两个阶段。输送阶段表现为悬浮 液中的颗粒向过滤介质表面的靠近；附着阶段表现为颗粒在过滤介质表面的捕 获、截留以及从过滤介质表面的脱落。深层过滤污染发生受到两方面因素的影响： 一方面为过滤介质的类型、形状、孔隙率、荷电性等。另一方面为悬浮液颗粒的 粒度、电性和表面光滑和规则程度。过滤过程中，悬浮液中颗粒由于被过滤介质 3 第2 章研究现状 捕获引起污染发生。这种捕获机理主要分为扩散引起的捕获、截留引起的捕获、 重力和惯性力引起的捕获和流体动力一伦敦引力捕获。 布朗扩散决定于颗粒半径，颗粒半径越大其扩散系数越小【1 4 】。而对于流体其 黏度较大，扩散捕获仅对于小于1 岫的颗粒才有作用。单位时间内在扩散作用 下，球形颗粒介质捕获的悬浮固体质量为： l = 7 8 4 2 0 a 3 d 3 u3 ( 2 2 ) 式中，知为悬浮液初始浓度，单位k 咖3 ；“为流速；a 为过滤介质半径。则捕获 效率为： 乞= 疏i q - v 2 2 _ c z p 帮2 归) - 2 ( 2 3 ) 其中么呐为介质固体体积分数： = j 生 ， 2 - 3 # 3 斗3 痧3 2 矽2 厂= 1 峨即过滤介质颗粒的体积分数。式( 2 3 ) 反映了捕获效率随颗粒粒度的增 针对悬浮液中粒径较大的颗粒，其不会产生扩散作用，只能随流线流动直到 与过滤介质接触从而发生截留捕获。单位时间内被介质捕获的颗粒质量为： 气= 专砜馓，2 ( 2 5 ) 截留捕获效率为： 气专2 协6 ) 从式( 2 6 ) 可以看出，截留捕获与颗粒粒度平方呈正比关系。 随着颗粒粒度的进一步增加，其重力引起的惯性捕获作用逐减占优势。当颗 粒粒度较大时，重力作用会引起颗粒穿越流线沉降到过滤介质表面。颗粒由于重 力引起的捕获概率为： s ：1 2 1 ：2 兰2 墨( 2 7 ) 1 8 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从式( 2 7 ) 看出，颗粒粒度平方和密度与颗粒捕获概率呈正比。 当颗粒不受表面力作用时，其捕获作用主要由流体动力和伦敦引力引起【1 5 1 。 由于悬浮液颗粒相对介质颗粒粒度很小，介质表面可视为平面，此时作用于颗粒 上的流体流动为平面驻点流动和剪切流动，平面驻点流动在颗粒上形成径向力 r 。颗粒与介质非常靠近则产生伦敦力凡，二者在径向的合力为，n 。通过量纲 分析得到径向合力为表达式为： 只= 6 z c p a p v ，f ( h a p ) ( 2 8 ) v r 为颗粒径向速度；f ( 无a p ) 为无量纲间隙宽度函数。当颗粒距离介质表面较远 时，f ( h a p ) 1 。当颗粒离介质表面较近时，厂( h a p ) j j l 唧。其中伦敦引力为： 瓦= 一詈昙厶( 丢) c 2 - 9 ， 颗粒距介质较远知( ) ( 办讳) - 4 当颗粒距介质较近向( h a p ) ( 唧) 之，伦敦引力和流体动力比为： 争：蜉业型 ( 2 1 0 ) 瓦 ”c o s 0 p 旧= 丽a a 2 ( 2 1 1 ) 其中o p 为流动方向和颗粒床表面的夹角；a 为颗粒面在流动方向的截面积；姚啦 为黏附群数。从上述分析可以看出，小颗粒主要以扩散黏附于介质表面从而形成 污染，大颗粒则以截留、沉降被过滤介质截留。 2 1 3 膜过滤强化机理 微滤膜横向过滤过程中，料液中悬浮固体受到流动剪切力和垂直流动方向的 渗透流的拖曳力作用，剪切力使悬浮固体离开膜表面，而渗流拖曳力使颗粒沉积 膜表面，这两种力的作用机理可通过惯性提升机理和剪切诱导扩散机理进行描述 【1 6 】 一 。 在惯性提升机理研究中，将悬浮液以层流流动方式通过矩形和环形管道，固 体颗粒在惯性升力作用下，沿流动方向会发生穿越流线的横向迁移，从而导致料 液中浓度不均。c o x 和b r e n n e r 全面分析了无渗透光滑边界层流中的球形粒子在 惯性力作用下的迁移，h o 和l e e d 在此基础上得到矩形狭逢和圆形管流中的悬浮 5 第2 章研究现状 颗粒的横向力和横向迁移速度。a l t e r 和b e l f o r 将悬浮液固体颗粒横向迁移机理 运用到膜过滤中，用于解释滤液流对颗粒拖曳力和惯性升力之间的平衡。在考虑 渗流边界条件时，得到颗粒向膜面的运移速率为： 1 1 p - - v ( 9 6 e ) + kj j l ) ) ( 2 1 2 ) 式中 k = l p m b g ( f 1 ) = - ( 2 , 8 + 1 x 1 一) 2 ( 2 1 3 ) 乃) = 1 4 6 一2 ) 7 0j 式中占为流道几何尺寸；讳为颗粒直径；为渗流速度。少= y b 为流道无量纲宽 度；h ( ) 为惯性升力系数。 在惯性提升力的作用下，颗粒的横向迁移速率为： = 尺叩p ，2 b ) 2 v , f ( f 1 ) ( 2 1 4 ) 由于惯性升力作用平衡了渗流液对颗粒的拖曳力，颗粒向膜面移动降低，保 证了膜高通量运行。实际中要获得稳定的流动截面非常困难，因此无法对式 ( 2 1 4 ) 进行有效验证。 d r e w 等人将惯性升力模型扩展到膜面和高雷诺数范围，他认为颗粒在曳力 作用下靠近膜面时，剪切滑移作用使惯性升力减弱，这种剪切滑移作用在膜过滤 过程中表现为流体剪切作用【1 7 1 。，d r e w 等人考虑颗粒和流体的在短s t o k e s 区、长 s t o k e s 区和惯性粘性区的相互作用后，提出了颗粒横向迁移速率： v ，= o 5 7 7 r e pd p 2 b ) 2 v , , ( 2 1 5 ) 此式将b e l f o r 的约束条件扩展到r e = 1 5 0 0 。将颗粒的横向迁移速率表示为剪切力 形式为： v ，= 嘛九2 ( 1 6 r o ) ( 2 1 6 ) 其中九= 2 u 。b ，b 为以6 ) 在膜面附近系数，为颗粒半径。 惯性升力模型是在流体稳定不可压缩连续流动、充分发展的层流、沿过滤流 道渗透率均匀、物料参数恒定的假设条件下推导求解的。该理论能够有效分析影 响颗粒沉积、滤饼形成影响因素。 剪切诱导扩散机理认为，在膜面附近的浓差极化边界层内，由于剪切流动和 渗透流动的共同作用，使固体颗粒旋转并对临近的颗粒产生曳力，处于不同流线 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 具有不同速度的颗粒发生碰撞胶结成颗粒团，这些颗粒和颗粒团以滑移和反向迁 移的方式发生运动。 b a k s t a t i o n 根据两同向旋转圆筒的剪切流实验，提出了剪切诱导系数d 。关系 式： d s = 0 1 r p ：尹o ，c o0 c o 0 2 ( 2 - 1 7 ) 皿= 0 0 2 5 r ，2 九0 2 c o 0 5 f 式中c o 为料液颗粒浓度。z y d e n y 和c o l t o n 提出用剪切诱导扩散系数代替布朗扩 散系数，对式( 2 1 7 ) 修正得到： 皿= o 0 3 r 2 九 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 得到的结果和实验吻合较好，从该式看出剪切诱导扩散系数与剪切率 和颗粒半径平方成正比，利用剪切扩散系数代替布朗扩散系数，得到膜通量预测 式为： ，：o 0 7 s , p 4 三y 坞1 1 1 ( c ，c 。) c w - - c b c w i 圳胞6 九悟 1 ，3 一。，q 。1 ” d a v i s 和a e r i v o s 等人对该机理进行了深入、系统的分析。l e i g h t o n 和a e w i v o s 测 定了库特流中颗粒的径向位移，修正了b a k s t a t i o n 的结果，得到高浓度的剪切诱 导扩散系数为： 口= o 3 3 九名2 c 2 ( 1 + o 5 e 8 勘) ( 2 2 0 ) 此时膜通量可以表示为： 圳肿8 九斛3 协2 ， 之后r o m e r o 和d a 访s 用管式膜和平板膜过滤聚乙烯胶体颗粒对式( 2 2 1 ) 进行 了实验验证。 2 2 膜分离应用研究现状 膜分离技术是一种新兴的分离技术，其分离过程具有能耗低、效率高、无二 次污染等特点。针对油田污水矿化度高、悬浮物含量高、聚合物含量高、细菌含 量高、腐蚀速率高、p h 值低和油水密度差低的特点，经过膜处理后的污水能达 到水质稳定、无悬浮物、腐蚀性小和地质配伍性好的要求，因此膜分离技术在油 第2 章研究现状 田的应用逐渐受到重视。 2 2 1 膜处理油田污水研究现状 s s o l t a n i 等研究了膜生物反应器处理含油量为2 9 l ，矿化度1 5 0 9 几的油田 污水，实验表明滤液中含油量的去除率几乎达到1 0 0 ，但是嗜盐细菌的存在会 使膜含油量去除率降低【1 8 】。当污水中t d s 和c o d 含量升高时，需要延长污水在 反应器中的停留时间以达到较高的含油量去除率。 s a r e hr e z a e i 等采用陶瓷微滤膜对水包油乳液进行了过滤研究，其中该乳化 液含油量为钿1 9 l ，过滤压差为0 1 2 5 m p a ，错流速度为2 2 5 m s ，过滤温度为 3 2 5 c ，膜处理后滤液t o c 降低9 5 ，其余指标都达到了国际排放标准1 9 1 。当 膜通量下降时可通过反冲洗使其恢复。 b c h a k r a b a r t y 等采用聚砜微滤膜，以错流过滤方式处理水包油乳化液，研究 表明错流速度增加膜通量增加，但膜含油量截留率下降。当膜材料改为聚乙二醇 和聚乙烯吡咯烷酮时，随着膜分子截留率的改变，其膜通量和油截留率发生改变 【2 0 1 。微滤膜对实验室生成的水包油乳液油的截留率达到9 0 以上，在处理采出 水时，膜通量变化不大，含油量截留率降到8 0 以下，因此需要通过膜改性实现 截留率的提高。 大庆油田采用改性p v c 合金超滤膜，以四段过滤方式，运行时间为1 2 r a i n ， 入口速度为0 4 m s ，进口压力o 1 m p a ，对油田采出水进行处理，处理后水质达 到低渗透油层回注水质要求【2 1 1 。膜物理清洗压力为o 1 m p a ，分别以0 2 m s 和 0 4 m s 的正冲线速度，冲洗时间分别为3 0 s 和1 0 s 。化学清洗采用表面活性剂、 酸洗和碱洗可以使膜通量恢复9 0 。 江苏油田针对管式超滤膜处理油田采出水的污染问题，采用阻塞模型分析得 出凝胶层是主要影响因素瞄】。通过扫描电镜、红外光谱f t - i r 、x 射线能谱e d s 等手段，得出污染主要为有机污染物，因此提出了软化水冲洗、革酸酸洗和n a o h 碱洗的方式，可使膜通量达到1 2 5 6 l m 2 h ( 新膜通量1 3 0 0l m 2 h ) 。 大庆油田对超滤和电渗析联合方式降低常规处理后油田采出水矿化度进行 了中试研究，系统连续运行3 0 0 0 h ，出水水质浊度 1 0 n t u ，悬浮物与含油量 1 0 m g l ，z 度 4 0 0 0 ) 时 觑= 0 0 2 3 r e o 8 & o 3 3( 3 1 5 ) 在层流区( r e 1 8 0 0 ) 时 鼬= 1 8 6 r e 0 3 3s c 0 3 3 ( 以l ) 0 3 3( 3 1 6 ) 第3 章实验设计与测试结果 在过渡区( 1 8 0 0 r e 1 5 智1 0 趟 5 0 o 2 04 06 0 过滤时间( m i n ) ( a ) 过滤压力o 1 3 m p a 8 0 o2 04 06 0 过滤时间( m i n ) ( b ) 过滤压力0 1 5 m p a 2 9 8 0 第4 章实验结果与分析 8 0 上 6 0 翟 j 、7 4 0 删 蚓 婺2 0 o 2 04 0 6 08 0 过滤时间( m i n ) ( c ) 过滤压力0 1 7 m p a o 2 04 06 0 8 0 过滤时间( m i n ) ( d ) 过滤压力0 2 0 m p a o 2 04 06 0 过滤时间( m i n ) ( e ) 过滤压力0 2 2 m p a 图4 1 振动剪切作用对膜通量的影响 f i 9 4 - 1e f f e c to fv i b r a t i o ns h e e r f o r c eo nm e m b r a n ef l u x 3 0 8 0 如 加 o 11眦1v删删毯 们 加 印印 们 约 o 上暑1v嘲赠型 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 振动剪切作用能够提高膜动态通量。从图4 1 可看出，水平轴为时间轴，纵 轴为膜动态通量，图( a ) 中动态通量曲线显示，振动频率为2 0 h z 和3 0 h z 时， 膜动态通量曲线高于无振动时膜动态通量曲线；对于图( b ) 振动频率为1 0 h z 和5 0 h z 条件下膜动态通量曲线高于无振动时动态通量曲线；图( c ) 显示3 0 h z 条件下膜动态通量较高；图( d ) 显示4 0 i - - i z 条件下动态通量曲线较高；图( e ) 显示2 0 h z 条件下膜动态通量较高。从膜动态通量曲线可以看出，在不同过率压 力下，总能找出一个振动频率使动态通量曲线高于无振动工况下的动态通量曲 线，因此表明在合适的频率下，振动作用可以提高膜动态通量。 振动剪切作用过于强烈会降低动态膜通量。从图4 1 ( a ) 看出，o 1 5 m p a 时， 5 0 h z 条件下稳态通量曲线低于0 i - i z 时动态通量曲线，即此时振动剪切作用阻碍 了膜通量的增加。由于振动剪切作用直接作用于流体边界上( 过滤膜) ，对流体 边界层产生影响，当这种扰动作用非常强烈时，膜表面附近颗粒在扭转剪切力作 用下产生振荡，导致滤液向膜面运动受到阻碍造成膜通量下降。因此，在剪切过 滤过程中，低压条件下振动频率不宜太高。 在低压过滤范围，膜截留物质在其表面积聚形成松散的凝胶层，此时振动剪 切力对污染层产生的破坏作用和振动引起的反向传质作用起主导作用，因此可以 有效破坏该凝胶层并使污染物回到主体料液中，减轻了膜表面污染发生。因此动 态通量曲线出现整体上移现象。当振动频率过高时，剪切作用产生的反向传质过 于强烈，使滤液向膜表面的正向运移受到影响，因而出现动态通量曲线整体下移 并低于无振动时动态通量曲线的现象。 过滤压力较高时，污染物沉积形成的凝胶层被压实，此时振动剪切对污染层 的破坏能力降低。同时，过滤压力较高时会将油滴压入膜孔形成内部污染，而振 动剪切作用无法消除膜内部污染。因此振动频率改变对动态通量产生影响较小， 表现为滤压力较高时不同频率动态通量曲线之间纵向差异缩小。 振动频率最佳范围应选择在3 0 , - , 4 0 h z 之间。从图4 1 ( a ) ( e ) 中振动剪 切作用与膜动态通量关系变化趋势得出，对于所有实验压力条件下，振动剪切频 率在3 0 , - , 4 0 h z 范围时，膜通量动态曲线高于无振动时动态通量曲线，且在该频 率范围，相对于其它频率工况，该范围频率产生的通量加强作用更明显。因此为 保证动态通量较高，应将频率控制在3 0 - - 4 0 h z 范围之间。 过滤压力对膜动态通量的影响主要体现在动态通量曲线从初始状态达到稳 3 】 第4 章实验结果与分析 定所耗时间的长短。从图4 1 ( a ) ( e ) 变化可以看出，过滤压力增加膜达到稳 态所需时间增加。过滤压力为o 1 3 m p a 时，过滤进行2 0 r a i n 时所有频率条件下 膜动态通量曲线基本保持水平，膜通量变化基本达到稳定状态。随着过滤压力升 高，动态通量曲线达到稳态所需要时间不断增加，在0 2 2 m p a 时，3 0 r a i n 后动态 通量曲线才基本趋于水平。 过滤压力升高，膜动态通量曲线上移。微滤膜过滤以压力为驱动力，随着压 力升高，过滤驱动力增加，因此通量曲线上升。同时，粒径小于膜孔径的颗粒形 成的架桥堵塞由于压力作用出现坍塌破坏，因此使过滤通道保持畅通。 4 1 2 振动剪切膜动态通量实验关联式建立 为更有效分析振动频率与膜通量的内在联系，可通过建立不同压力下振动频 率与膜通量的关联式进行进一步分析。对于过滤压力为0 1 3 m p a ，频率为1 0 h z 时动态通量的软件计算结果如表4 1 所示： 表4 - l 动态通量关联式软件计算结果 t a b l e 4 - 1r e s u l t so fm e m b r a n ed y n a m i cf l u xb yd a t a f i t 根据计算结果得到实验关联式为： j = 1 9 9 7 t - o 工2 1( 4 1 ) 式中f 为时间，单位为m i n 。 将得到的实验关联式和实验值进行比较，如图4 2 所示。从图4 2 结果看 出，膜动态通量关联式与实验值吻合程度较高，其变化趋势与实验得到趋势基 本相同。采用同样方法，对各压力条件下膜动态通量进行拟合，得到关联式如 表4 2 所示。 实际过滤过程中膜通量下降由污染层变化引起，污染层在过滤过程中随时 间增加而变厚，过滤阻力也随之增加，从而导致膜总阻力增加，过滤通量下降。 而污染层厚度的变化既和振动频率有关，同时还受到被过滤物料以及膜包结构 等很多因素的影响f 4 1 1 。 为了更真实的反映动态通量和这些因素之间的关系，文中对动态通量幂指数 形式，= j o r ”( n o ) 进行了改造，引入了可能的影响因素得到动态通量模型， 3 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如式( 4 2 ) 所示。 j 连 e 2 5 i 5 蓬1 0 蒸5 0 02 04 06 08 0 过滤时间( 1 i n ) 图4 2 膜动态通量实验值与模拟值比较( 过滤压力o 1 3 m p a 、振动频率3 0 h z ) f i 9 4 2e x p e r i m e n ta n da n a l o gv a l u eo fm e m b r a n ed y n a m i cf l u x ( p r e s s u r eo 1 3 m p a ， f r e q u e n c y3 0 h z ) 表4 - 2 膜动态通量关联式 t a b l e 4 - 2e q u a t i o n so fm e m b r a n ed y n a m i cf l u x 实验号过滤压力振动频率关联式 1030j = o9 0 9 t u撑1 w 。 2 撑 3 撑 群 5 撑 6 撑 7 存 8 拌 9 # 1 渊 o 1 3 o 1 5 o 1 5 0 1 7 o 1 7 0 2 0 2 0 2 2 0 2 2 3 = 19 9 7 r o 2 2 1 j = 1 9 1 0 1 ，3 4 8 j = 2 8 6 9 2 t 0 档2 j = 8 6 7 1 ，o 2 1 3 1 = 2 1 4 0 5 5 ：6 2 3 j - - - 9 7 4 8 ，4 7 6 d = 17 7 f o 7 6 j = 6 2 6 9 4 ：4 6 1 j = 11 0 。9 4 3 产i 艄 j = 跹o v 却c t “ ( 4 - 2 ) 式中，为膜实际通量；3 0 为膜清水通量；f 为振动频率；v 为入口流速；却为 过滤压力；玎为衰减系数。其中a 、b 、c 、n 、k 由实验数据确定。 对式( 4 2 ) 两边取对数得到 l n j = l n k + a l n f + b h a v + c l n 卸+ n i n t ( 4 - 3 ) 令尸h 认a o = l n k 、x 1 = m 、x 2 = l n v 、x 3 = l n d p 、x 4 = i n t ，得到式： y 2 a o + a x l + b x 2 + c x 3 - i - q x 4 ( 4 - 4 ) 根据膜通量随时间变化实验结果，对式( 4 _ 4 ) 进行多元线性回归得到结果如表 3 3 如o如oo如o如 第4 章实验结果与分析 4 3 所示： 表4 3 多元线性回归结果 t a b l e 4 - 3r e s u l t so fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na r i a l y s i s 回归统计 复相关系数r 决定系数r 2 自由度决定系数良 标准误差 观测值 0 9 9 8 0 9 9 7 0 9 7 3 0 0 8 8 1 4 5 根据多元回归分析【4 2 】，得到膜动态通量表达式： ，= 8 1 3 9 8x1 0 - 5 f 3 5 1 ，卸工0 6 ，卸。4 0 3( 4 ，5 ) 该式适用条件为压力0 1 o 2 a ，频率2 0 6 0 h z ，流速0 0 6 9 - 0 1 5 7 m s 。通过 公式( 4 5 ) 模拟得到的结果与实验结果比较如图4 3 所示。 从图4 3 中曲线可以看出，理论式计算得到膜通量随时间变化曲线与实验 测得的曲线变化趋势相同，在o 1 m p a 和o 1 5 m p a 条件下，实验值和理论值基 本重合，其吻合度较高。在0 2 0 m p a 时，通量变化实验曲线在下降段存在一定 的波动，模拟得到的理论曲线穿过实验曲线。 造成该变化的主要原因是实验过程中，振动剪切作用受到外界干扰，以及人 为测量的误差导致曲线上下波动，随着过滤进行，在稳定段实验曲线与理论曲线 基本吻合，偏离误差减小。总体讲，该理论式在实验压力等条件范围内，较好的 描述了膜动态通量变化。 4 1 3 振动剪切膜稳态通量实验结果与分析 振动剪切作用对膜稳态通量的影响如表4 4 所示。 3 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 o2 04 06 0 过滤时间r a i n 图4 - 3 膜动态通量实验值与模拟值 f i 9 4 - 3s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tv a l u eo fm e m b r a n ed y n a m i cf l u x 过滤压力增加，稳态通量达到最佳值所需振动频率降低。根据表4 - 4 得到的 稳态通量实验结果，0 1 5 m p a 时稳态通量最大值出现在5 0 h z ，o 1 7 m p a 时稳态 通量最大值出现在3 0 h z ，0 2 2 m p a 时稳态通量最大值出现在2 0 h z ，从这三个压 力条件下振动频率与最大稳态通量的对应关系可以看出，稳态通量最大值所在工 况的变化规律为：振动频率升高，过滤压力降低。 表4 - 4 振动频率对膜稳态通量的影响 t a b l