无机炭膜在处理含油污水中的应用研究

闫旭涛，马庆伟，刘亮，许砚城，朱瑞龙

(1.陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安 710054；2.延长油田股份有限公司 定边采油厂，陕西 定边 718600)

油田开发过程中产生的大量污水经过处理后要回注地层[1]，常规的处理工艺为自然沉降+气浮混凝+多介质过滤，能量消耗大，水的回用率低，且存在水的二次污染等问题。随着膜技术的发展，国内外都开展了利用膜分离技术处理含油污水的研究[2]。膜分离技术具有流程简单、操作方便、分离效率高和节能环保等优点，越来越受到人们的重视，也成为含油污水处理的一个发展方向[3-8]，但膜的抗污染程度制约着膜技术在含油污水中的应用。

无机炭膜是近年来发展起来的一种新型分离膜，采用了新型复合碳材料，具有极强的亲水性、过滤通量大、化学稳定性高、热稳定性强和耐磨损性好等特点，在处理含油污水方面表现的技术优势是其他膜无法比拟的，具有广阔的应用前景[9]。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

油田采出污水，取自延长油田某联合站，经过自然除油，混凝沉降，进入无机炭膜处理装置，水质指标见表1。

表1 无机炭膜进水的水质

无机炭膜(外形尺寸865 mm×146 mm，单支膜面积0.8 m2，过滤孔径0.04 μm，通道尺寸φ3 mm)。

1.2 实验方法

无机炭膜精细过滤装置为撬装式设备，装置自制，配备有双支无机炭膜，膜面积1.6 m2，装置可以在自动和手动两种模式下运行，通过错流过滤截留水中的所有非溶性油污、乳化油污及悬浮颗粒，截留的杂质通过浓水口直接排污。

无机炭膜精细过滤装置位于油田采出水混凝沉降预处理后的出口、采出水净化水罐的入口之间，工艺流程见图1。

图1 无机炭膜精细过滤系统工艺流程图

在进水流量4.5 m3/h的条件下，经过炭膜的错流过滤，得到产水和浓水，调节浓水端的调节阀控制产水流量，测得不同产水流量下跨膜压差，通过跨膜压差的变化情况，反映膜通量的变化，并确定该水质条件下最佳水的回收率(产水流量/进水流量)。

跨膜压差=(进水端压差+产水端压差)/2

2 结果与讨论

2.1 水的回收率对跨膜压差的影响

在进水流量为4.5 m3/h，水质变化不大，水温度22 ℃的条件下，通过浓水端调节阀对浓水流量进行控制，进而调整水的回收率，考察回收率对跨膜压差的影响，结果见图2。

由图2可知,在水的回收率分别为65%，70%，75%条件下，跨膜压差比较平稳，无明显上升趋势，表明水的回收率保持在75%以下，系统都能稳定运行；水的回收率为80%时，系统的跨膜压差有一定的起伏，但起伏的幅度能够保持稳定，说明系统也能够正常运行；而当回收率上升到85%后，跨膜压差随着时间的推移，上升趋势明显，表明在此回收率下，污垢在膜表面沉积比较严重，已经导致膜过滤通道堵塞，通量无法完全恢复。综合考虑系统反洗要求和水的回收率等因素，确定系统回收率为75%。

图2 水回收率对跨膜压差的影响

2.2 温度对跨膜压差的影响

在进水流量为4.5 m3/h，水的回收率为75%时，考察处理水的温度对跨膜压差的影响，结果见图3。

图3 温度对跨膜压差的影响

由图3可知，随着时间的延长，水温10～40 ℃下的跨膜压差波动不大，基本保持稳定。水温为40 ℃时的跨膜压差较水温为10 ℃时的跨膜压差有所下降，这可能与水温升高，经过膜表面的富含有机物、无机物及油的油田水的粘度有所下降，通过膜过滤时的阻力降低有关，适当地提高待处理水的温度有利于膜的分离效果。由于原油采出液油水分离后的水温也较高，综合考虑能源成本，无机炭膜处理装置的操作温度为20～25 ℃最佳。

2.3 反洗对跨膜压差的影响

无机炭膜精细过滤系统采用错流方式运行，由于水中含有较高的油及悬浮物，随着时间的延长，这些物质在膜表面的沉积不可避免，造成膜通量下降和跨膜压差的升高，影响了膜的处理效果，也成为制约膜技术推广的瓶颈。因此，研究无机炭膜的反洗方式及反洗频率，降低膜的污染程度，保持膜的高通量尤为重要。

2.3.1 脉冲反洗对跨膜压差的影响 连续脉冲式膜再生技术是通过压缩空气在膜表面产生高频脉冲式冲击水波，冲击剥离膜进水侧表面截留污染物，使膜表面坚实的滤饼无法形成，保持了膜通道的畅通，避免了膜污染程度的不断加深，从而实现了膜的在线连续再生，保证了膜长周期稳定运行。

在进水流量为4.5 m3/h，水的回收率为75%，水温为20 ℃，系统开启脉冲反洗与关闭脉冲反洗功能，考察脉冲反洗对膜通量的影响，结果见图4。

图4 脉冲反洗对跨膜压差的影响

由图4可知，在脉冲反洗功能关闭条件下，系统的跨膜压差呈现缓慢上升趋势，从测试初始的18.7 kPa 逐渐升至24.0 kPa左右。表明在系统脉冲反洗功能关闭的情况下，膜表面存在污染物沉积，且不能得到及时的清理，导致膜的过滤功能不能得到恢复。在脉冲反洗开启条件下，系统跨膜压差保持稳定，基本保持在19.5～21.0 kPa，无明显的上升趋势，表明经过脉冲反洗使膜系统得到完全再生。

2.3.2 反洗周期对跨膜压差的影响 无机炭膜材料具有良好的亲水性，耐油污染能力强，在最佳的运行参数下，可以较长时间内保持稳定运行。由于油田采出水的复杂性，膜表面污染物的沉积不可避免，本实验采取通用的反冲洗对膜功能进行恢复，在进水流量为4.5 m3/h，水的回收率为75%，水温为20 ℃，20，30，40，50 min的时间间隔对膜进行反冲洗，考察反洗周期对跨膜压差的影响，结果见图5。

图5 反洗时间间隔对跨膜压差的影响

由图5可知，系统在反洗时间间隔分别为20，30，40 min条件下运行，跨膜压差的差值波动范围基本维持在1.5～2.7 kPa，系统运行比较平稳，说明随着运行时间的延长，反洗能够及时地将炭膜表面污堵物冲洗出来，跨膜压差维持稳定；将反洗时间间隔上升至50 min后，系统跨膜压差稳定一段时间后明显上升，差值为11 kPa，表明反洗时间间隔过长，通过反洗无法使膜的过滤性能得到完全恢复。综合系统运行的稳定性，系统反洗周期为30 min比较合适。

2.4 膜处理水质效果

膜过滤端产水的外观为无色，清澈透明，各项指标见表2。

表2 膜滤后产水水质[10]

由表2可知，膜过滤后，产水含油量不大于3.0 mg/L，悬浮物不大于1.0 mg/L，粒径中值也不大于1.0 μm，水质符合低渗透油田回注水的要求。

3 结论

(1)含油量25～30 mg/L，悬浮物含量15～35 mg/L 的油田采出水，采用孔径0.04 μm的无机炭膜处理，在水温20～25 ℃、水的回收率75%及反洗周期30 min的运行条件下，处理后水质稳定，含油量和悬浮物含量均满足《SY/T 5329—2012 碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》中低渗透油田回注水水质标准。

(2)无机炭膜表面污染物可通过水的反冲洗并结合脉冲反洗予以清除，使膜的过滤功能得到恢复，反洗周期30 min。