震动膜处理油田采出水的试验研究

孙满

大庆油田设计院有限公司

大庆油田近年来先后开展过多种材质（包括双层膨胀膜、中空纤维膜、陶瓷膜[1]以及MT 线盒式纤维膜等精细过滤材质）的膜精细过滤的试验研究[2]，并取得了不同的试验结果，部分研究成果目前已经在油田地下清水处理工艺中得到应用，但在含油污水[3]处理上却没有得到广泛地应用，试验结果表明其他材质的过滤形式应用于油田含油污水处理，还存在过滤通量衰减过快、膜材质再生困难、使用寿命短等问题。因此，开发一种处理效果好，过滤精度高，以及使用寿命长和容易再生的精细膜过滤材质及技术，才可以满足油田开发生产的需要。

1 震动膜过滤的试验装置

1.1 组成及工作原理

震动滤膜有一个震动体系，由扭力杆及其下端的偏心震动器、上端的膜组件构成。震动器上安装电动机和偏心轮，偏心运动产生一定的振幅，振幅可对膜表面流体产生剪切力。当污水进入震动膜过滤系统时，液体中的悬浮颗粒停留在膜组里，在剪切力的作用下，悬浮物质做震动运动，膜表面不会形成凝胶层，防止了悬浮物堵塞膜孔，增加了过滤效率，减少了膜清洗次数，并可延长膜使用寿命（图1、图2）。震动滤膜[4]的膜组件内包括多张膜，平行排列并以垫圈分隔，结构如图3 所示。

图1 震动膜过滤过程Fig.1 Vibrating membrane filtration process

图2 震动膜表面震动示意图Fig.2 Schematic diagram of surface vibration of vibrating membrane

图3 震动膜组件结构Fig.3 Assembly structure of vibrating membrane

1.2 再生工艺

震动滤膜再生采用酸、碱及处理后污水正向循环清洗。先将1.0%（质量分数）酸加入到循环水罐，经循环泵进行循环清洗，清洗完成后将废酸液排入回收水池；再加1.0%碱到循环水罐，清洗方法与酸清洗相同；然后加次氯酸钠到循环水罐循环清洗，次氯酸钠清洗完成后进行过滤。

2 震动膜精细过滤试验

为了进一步验证震动膜材质精细过滤的处理效果和适应性，本次试验装置首先选择五厂含油污水处理站二次过滤出水作为膜的进水进行处理试验。依据试验分析数据评价震动膜精细过滤技术适应性；其次进行该膜操作技术参数的优化试验；最后再选择最佳操作参数进行膜精细过滤技术稳定运行试验。震动膜精细过滤试验装置工艺流程见图4，技术参数见表1。

图4 震动膜过滤试验工艺流程Fig.4 Process flow of vibrating membrane filtration experiment

表1 震动膜过滤设计技术参数及再生运行参数Tab.1 Design technical parameters and regeneration operation parameters of vibrating membrane filtration

3 震动膜过滤装置现场试验

3.1 膜通量确定

为了进一步确定震动膜的最佳膜通量[5-7]，在膜通量0.023 dm3/min·dm2（处理量3.5 dm3/min）的试验基础上，进行增大膜通量至0.03 dm3/min·dm2（处理量4.5 dm3/min）的过滤试验，分析数据见表2。

表2 震动膜通量试验分析数据Tab.2 Data for flux test analysis of vibrating membrane

由试验发现，震动膜在膜通量0.03 dm3/min·dm2（4.5 dm3/min）时，经膜过滤后出水含油质量浓度、悬浮固体质量浓度及粒径中值都达到了特低渗透油层回注水水质SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》中的相关规定，但过滤运行时间较短，只有36 h，而在膜通量0.023 dm3/min·dm2时过滤时间达到48 h。因此，从经济角度选择震动膜通量为0.023 dm3/min·dm2最佳。

3.2 过滤周期确定试验

震动膜过滤周期[8]是以处理量衰减来衡量的。在运行压力0.40 MPa，初始处理量3.5 dm3/min 的情况下，当膜运行处理量衰减到初始处理量40%时，即可认为运行了1 个过滤周期，共进行了4 个过滤周期的试验，试验数据见表3。

由表3 可知，震动膜运行48h 时，处理量达到1.4 dm3/min 左右，处理量衰减达到40%，即达到了处理量的衰减设计值。因此，震动膜过滤周期确定为48 h 。

表3 震动膜过滤周期试验处理量数据Tab.3 Throughput data of vibrating membrane filtration cycle test

3.3 排污周期确定

排污周期[9]的长短直接影响震动膜的过滤周期。排污周期短，膜自耗水量大；排污周期长，膜堵塞快，过滤周期短。在运行压力0.40 MPa 时，一次排污量按6 L 进行不同排污周期试验，记录膜处理量变化的试验数据（图5）。由图5 可知，排污周期6 min 及12 min 时过滤周期都达到48 h。排污周期6 min 的排污量为2.88 m2，而排污周期12 min 的排污量为1.44 m2。因此，确定排污周期为12 min。

图5 膜过滤时间与衰减率试验变化曲线Fig.5 Experimental change curve of membrane filtration time and attenuation rate

3.4 排污量确定

排污量的多少同样也影响着震动膜过滤周期。试验在运行压力0.40 MPa 时，排污周期12 min 情况下，进行不同排污量试验，记录膜处理量变化的试验结果（图6）。由图6 可知，当排污量为6 L 或7 L时，膜运行周期能够达到48 h。因此，确定排污量为6 L。

图6 膜过滤时间与排污量试验变化曲线Fig.6 Experimental variation curve of membrane filtration time and discharge amount

3.5 清洗液浓度及时间确定

震动膜再生清洗方法[10-11]的先后顺序是：酸（HNO3）清洗→碱（NaOH）清洗→次氯酸钠（Na-ClO）清洗。酸、碱及次氯酸钠各18 L，清洗液采用三种配方。其中配方A：酸1.0%，碱1.0%，次氯酸钠3.0%；配方B：酸0.5%，碱1.0%，次氯酸钠3.0%；配方C：酸1.0%，碱0.5%，次氯酸钠3.0%（均为质量浓度）。每次清洗后起始流量达到初始流量（3.5 dm3/min），即可认为达到清洗效果。试验数据见表4。

表4 再生清洗后起始过滤流量数据Tab.4 Start filtering traffic data after regeneration cleaning

由表4 可知：采用“A”清洗90 min 和105 min，清洗后起始处理量能够恢复到初始处理量（3.5 dm3/min），因此，清洗酸、碱浓度确定为1.0%，次氯酸钠浓度确定为3.0%。清洗时间为：碱清洗30 min→酸清洗30 min→次氯酸钠清洗30 min，总计90 min。

3.6 震动膜通量恢复率

保持膜起始运行压力不变（0.4 MPa），每个过滤周期的起始运行处理量与第一次过滤周期的比值就是这次再生恢复率。经过多次再生后，再生恢复率不变时，即为膜的稳定恢复能力（图7）。由图7可知，震动膜运行26 个周期后，膜通量恢复率稳定在98.6%。

图7 膜过滤排污量与衰减率试验变化曲线Fig.7 Experimental variation curve of sewage discharge and attenuation rate of membrane filtration

4 稳定运行试验

在确定出震动膜精细过滤技术处理含油污水适合的参数后，进行3.5 dm3/min（膜通量0.023 dm3/min· dm2）稳定运行试验，进一步考核膜处理后出水水质的稳定性。试验分析震动膜进出口含油质量浓度、悬浮固体质量浓度、悬浮固体颗粒粒径中值3 项水质指标，分析数据如图8、图9、图10 所示。

图8 膜过滤进出水含油量变化曲线Fig.8 Variation curve of oil content in membrane filtration inlet and outlet water

图9 膜过滤进出水悬浮固体含量变化曲线Fig.9 Variation curve of suspended solids content in membrane filtration inlet and outlet water

图10 膜过滤进出水粒径中值变化曲线Fig.10 Variation curve of median particle size in membrane filtration inlet and outlet water

由图8、图9、图10 中可知，经膜处理后出水含油质量浓度，悬浮固体质量浓度，悬浮固体颗粒粒径中值3 项指标均达到特低渗透率油层回注水水质指标的要求，水质合格率为100%。

5 结论

（1）震动膜具有膜表面悬浮固体颗粒杂质不易沉降堵塞膜孔的特点，在处理量为3.5 dm3/min 的条件下，当膜过滤进水含油质量浓度≤10 mg/L、悬浮固体质量度≤10 mg/L，粒径中值≤3.5 μm 时，经膜处理后，出水3 项水质指标均能够达到特低渗透率油层回注水水质指标SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》中的要求。

（2）优化的技术参数：膜通量参数为0.023 dm3/min·dm2；过滤周期为48 h；排污周期为12 min；排污量为6.0 dm3；酸碱清洗浓度为酸、碱均为1.0%，次氯酸钠3.0%；清洗时间为90 min；稳定恢复率为98.6%。

（3）为了能够满足油田大面积推广应用，建议在小型试验装置的基础上进一步开展震动膜精细过滤处理含油污水工业化放大验证试验，以确定工业化应用的设计参数。