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油田水处理工艺

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油田 水处理 工艺
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油田水处理工艺第一节 工艺流程简介 一、重力式流程 自然(或斜板)除油—混凝沉降—压力(或重力)过滤流程。 重力式流程在 20 世纪七八十年代国内各陆上油田较普遍采用。 1、该流程处理过程 脱水转油站来的原水,经自然收油初步沉降后,加入混凝剂进行混凝沉降,再经过缓冲、提升、进行压力过滤,滤后加杀菌剂,得到合格的净化水,外输用于回注。滤罐反冲洗排水用回收水泵均匀地加入原水中再进行处理。回收的油送回原油集输系统或者用作原料。2、流程特点 处理效果良好。 对原水含油量、水量变化波动适应性强。 自然除油回收油品好。 投加净化剂混凝沉降后净化效果好。 若处理规模较大时: 压力滤罐数量较多、操作量大。 处理工艺自动化程度稍低。 当对净化水质要求较低,且处理规模较大时,可采用重力式单阀滤罐提高处理能力。 二、压力式流程 立式除油罐)除油—聚结分离—压力沉降—压力过滤流程。压力式流程是 20 世纪 80 年代后期和 90 年代初发展起来的。它加强了流程前段除油和后段过滤净化。 1、流程处理过程 脱水站来的原水,若压力较高,可进旋流除油器 ;若压力适中,可进接收罐除油,为提高沉降净化效果,在压力沉降之前增加一级聚结(亦称粗粒化),使油珠粒径变大,易于沉降分离。或采用旋流除油后直接进入压力沉降。根据对净化水质的要求,可设置一级过滤和二级过滤净化。 2、流程特点 处理净化效率较高,效果良好,污水在处理流程内停留时间较短 旋流除油装置可高效去除水中含油,聚结分离使原水中微细油珠聚结变大,缩短分离时间,提高处理效率。 适应水质、水量波动能力稍低于重力式流程。 流程系统机械化、自动化水平稍高于重力式流程,现场预制工作量大大降低。 可充分利用原水来水水压,减少系统二次提升。 三、浮选式流程 接收(溶气浮选)除油—射流浮选或诱导浮选—过滤、精滤流程。 浮选式流程主要是借鉴 20 世纪 80 年代末、90 年代初从国外引进污水处理技术的基础上,结合国内各油田生产实际需要发展起来的。 程处理过程 流程首端采用溶气气浮,再用诱导气浮或射流气浮取代混凝沉降设施,后端根据净化水回注要求,可设一级过滤和精细过滤装置。 2、流程特点 处理效率高; 设备组装化、自动化程度高,现场预制工作量小; 广泛用于海上采油平台;陆上油田,尤其是稠油污水处理中有较多应用。 流程动力消耗大,维护工作量稍大。 四、开式生化处理流程 隔油—浮选—生化降解—沉降—吸附过滤流程。 该流程适用条件:针对部分油田污水采出量较大,但回用量不够大,必须处理达标外排而设计的。 1、流程处理过程 原水经过平流隔油池除油沉降,再经过溶气气浮池净化,然后进入曝气池、一级、二级生物降解池和沉降池,最后提升经砂滤或吸附过滤达标外排。 2、流程净化效果 一般情况,经过开式生物处理流程净化,排放水质可以达到《污水综合排放标准》996 要求。 部分油田污水水温过高,若直接外排,将引起受纳水体生态平衡的破坏—排放前淋水降温;少部分矿化度高的油田污水,进行除盐软化,降低含盐量,以免引起受纳水体盐碱化。 第二节 除油 一、自然除油 1、基本原理 物理法除油,根据油水密度不同,达到油水分离。该种方法: 忽略了进出配水口水流的不均匀性。 忽略油珠颗粒上浮中的絮凝等因素的影响,认为油珠颗粒是在理想状态下进行重力分离。 a、假定过水断面上各点的水流速度相等,且油珠颗粒上浮时的水平分速度等于水流速度; b、油珠颗粒以等速上浮; c、油珠颗粒上浮到水面即被去除。 式说明的问题: (1)颗粒与水的密度差(大,它的浮升速度愈大,成正比关系。当 rw>u>0,颗粒下沉;当 颗粒。 2、装置结构 自然除油设施一般兼有调储功能,油水分离效率不够高,通常工艺结构采用下向流设置。 二、斜板(管)除油 斜板(管)除油是目前最常用的高效除油方法之一,是一种物理法除油。 1、基本原理 斜板(管)除油基本原理是“浅层沉淀”,又称“浅池理论”。 若将水深为 H 的除油设备分隔为 n 个水深为 H/n 的分离池,当分离池长度为原除油区长度的 1/n 时,处理水量与原分离区相同,且分离效果完全相同。为便于浮升到斜板(管)上部油珠的流动和排除,把浅的分离池倾斜一定角度(一般为 45°~60°)。 2、斜板除油装置 立式和平流式两种,油田上常用的是立式斜板除油罐和平流式斜板除油罐。 (1)立式斜板除油罐 要区别是在普通除油罐中心反应筒外的分离区一定部位加设了斜板组。 对斜板材质要求:在污水中长期浸泡不软化、不变形、耐油、耐腐蚀。 工作过程: 含油污水从中心反应筒出来,在上部分离区进行初步的重力分离,较大油珠颗粒分离出来。 污水通过斜板区进一步分离 分离后的污水在下部集水区流入集水管,汇集后由中心柱管上部流出。 斜板区分离出的油珠颗粒上浮至水面,进入集油槽后由出油管排出到收油装置。 立式斜板除油罐的主要设计参数: 斜板间距 80~100板倾角 45°~60° 斜板水平投影负荷 0-4~10-4s﹒其它设计数据与普通除油罐基本相同。 实践证明:在除油效率相同条件下,与普通立式除油罐相比,同样大小的斜板除油罐的除油处理能力可提高 。 (2)平流式斜板隔油池 平流式斜板隔油池是在普通的隔油池中加设斜板构成。一般是由钢筋混凝土做成池体,池中波纹斜板大多呈 45°安装。 油池是用自然上浮法分离、去除含油废水中可浮油的处理筑物。 构造:废水从池的一端流入池内,从另一端流出。在流经隔油池的过程中,由于流速降低,密度小于 粒径较大的油类杂质得以上浮到水面上,密度大于 杂质则沉于池底。在出水一侧的水面上设集油管。 工作过程: 进入的含油污水通过配水堰、布水栅后均匀而缓慢地从上而下经过斜板区,油水泥在斜板中分离。 油珠颗粒沿斜板组的上层板下,向上浮升滑出斜板到水面,通过活动集油管槽收集到污油罐,再送去脱水; 泥砂沿斜板组下层斜板面滑向集泥区落到池底,定时排除; 分离后的水,从下部分离区进入折向上部的出水槽,然后排出或送去进一步处理,而由于高程布置的原因,污水进入下一步处理工序,往往需要用泵进行提升。 三、粗粒化(聚结)除油 粗粒化:含油污水流经装有填充物(粗粒化材料)的装置后,使油珠由小变大的过程。这样,更容易用重力分离法将油除去。 粗粒化处理的对象:水中的分散油。 1、理论依据 对于温度一定的特定污水,油珠上浮速度与油珠粒径平方成正比。若在污水沉降前设法使油珠粒径增大,可加大油珠上浮速度,可提高除油效率。粗粒化法(聚结)可达到增大油珠粒径的目的。 2、粗粒化的机理 有两种观点:润湿聚结;碰撞聚结 润湿聚结理论 建立在“亲油性”粗粒化材料的基础上。 当含油污水流经亲油性材料组成的粗粒化床时,分散油珠在材料表面润湿吸附,材料表面几乎全被油包住,再流来的油珠更容易润湿附着在上面,油珠不断聚结扩大并形成油膜,在浮力和反向水流冲击作用下,油膜开始脱落,在水相中仍形成油珠,但比聚结前的油珠粒径大,从而达到粗粒化的目的。 具有该种特性的聚结材料:聚丙烯塑料球,无烟煤等。 碰撞聚结理论 建立在疏油材料基础上。 由粒状的或纤维状的粗粒化材料组成的粗粒化床,其空隙均构成互相连续的通道,如无数根直径很小交错的微管。当含油污水流经该床时,由于粗粒化材料是疏油的,两个或多个油珠有可能同时与管壁碰撞或互相碰撞,其冲量足可以将它们合并为一个较大的油珠,达到粗粒化目的。 具有该种特性的聚结材料:蛇纹石,陶粒等。 需澄清的问题 无论是亲油的或是疏油的材料,两种聚结同时存在。 湿聚结”为主,也有碰撞聚结。原因是污水流经粗粒化床,油滴之间也存在碰撞。 疏油材料以“碰撞聚结”为主,也有润湿聚结。原因是当疏油材料表面沉积油泥时,该材料便有亲油性。 无论是亲油性材料还是疏油性材料,只要粒径合适,都有较好的粗粒化效果。 3、粗粒化材料(聚结板材)的选择 分类: 形状:粒状(重复使用);纤维状(一次性使用) 材质:天然的(无烟煤、蛇纹石、石英砂等)人造的(聚丙烯塑料球、陶粒等) 选用原则: 耐油性好,不能被油溶解或溶胀; 具有一定的机械强度,且不易磨损; 不易板结,冲洗方便; 一般主张用亲油性材料; 尽量采用相对密度大于 1 的材料; 粒径 3~5宜; 货源充足,加工运输方便,价格便宜。 常用聚结板材的特性: 聚丙烯、塑料钢塑料聚结板属润湿聚结范畴; 纯聚丙烯板材,当吸油接近饱和时,纤维周围会产生 油趋于平衡,影响聚结效果; 玻璃钢材质吸油时,对油水界面引起的分子膜状薄油摸影响较小,吸油功能可保持良好,但板材加工难度大; 碳钢、不锈钢聚结板材属碰撞聚结范畴,板材表面经过特殊处理后,亲水性能良好。不锈钢板聚结效果优于碳钢板,其运行寿命大于碳钢板,但不锈钢板造价远高于碳钢。 4、粗粒化(聚结)装置 单一式一般为立式结构: 下部配水, 中部装填粗粒化材料 上部出水 组合式一般为卧式结构: 前端为配水部分 中部为粗粒化部分 中后部为斜板(管)分离部分 后部为集水部分 聚结分离器 采用卧式压力聚结方式与斜板(管)除油装置结合除油。 工作过程: 原水进入装置前端,通过多喇叭口均匀布水,水流方式横向流经三组斜交错聚结板,使油珠聚结,悬浮物颗粒增大,然后再横向上移,斜板分离,油珠上浮聚集,固体悬浮物下沉集聚排除,净化水由斜板下方横向流入集水腔。 四、气浮除油 1、基本原理 气浮:在含油污水中通入空气(或天然气),使水中产生微细气泡,有时还需加入浮选剂或混凝剂,使污水中颗粒为 乳化油和分散油或水中悬浮颗粒粘附在气泡上,随气体一起上浮到水面并加以回收,从而达到含油污水除油除悬浮物的目的。 具体过程:通入空气→产生微细气泡→着在气泡上→上浮 应用:自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物,以及比重接近 1 的固体颗粒。 2 气浮的理论基础 水中颗粒与气泡粘附的条件水、气、固三相混合体系中,不同介质表面因受力不均衡而存在界面张力,气泡与颗粒或絮体一旦接触 ,由于界面张力存在会产生表面吸附作用。 2)润湿周边:三相间的吸附界面构成的交界线。与润湿接触角有关系。 3)亲水吸附与疏水吸附 泡沫的稳定性 (1)不稳定的后果:气泡浮到水面后,水分很快蒸发, 泡沫极易破灭,会使已经浮到水面的污染物又脱落回到水中。 )方法:投加起泡剂(表面活性物质)达到易起气泡的稳定的目的。改变疏水性能 向水中投加浮选剂,可以使颗粒由亲水性物质变为疏水性。 结合方式(气浮中气泡对絮体和颗粒单体的结合方式) 分为:气泡顶托;气泡裹携;气泡吸附 3、气浮除油(除悬浮物)装置 按气体被引入水中的方式分为两类: 溶解气气浮选装置;分散气气浮选装置 (1)溶解气气浮选装置 溶气气浮原理: 使空气在一定的压力作用下,溶解于水并到达过饱和状态,再减至常压释放,气体便以微小气泡的形式逸出。 A、容器真空气浮 常压空气溶于水,负压析出。 特点:整个气浮池在负压下操作,空气溶解容易,动力设备和电能消耗少。 缺点:所有设备均要密封在气浮池内,构造复杂,生产中使用不多。B、 加压溶气气浮 加压条件下,使空气溶于水,形成空气过饱和状态。然后减至常压,使空气析出,以微小气泡释放于水中,实现气浮,此法形成气泡小,约 20 ~ 100μm ,处理效果好,应用广泛。 其气浮工艺有三种形式: 全溶气法 电耗高,但气浮池溶积小。 部分溶气法(应用比较广泛) 省电,溶气罐小。但若溶解空气多,需加大压力 回流加压溶气法 适用于 的原水,但气浮池容积大。 组成:空气饱和设备、空气释放器、气浮池 加压溶气气浮法的特点: 加压条件下,空气的溶解度大,能提供足够的微气泡,确保气浮效果。 减压释放,产生气泡不仅微细( 20,粒径均匀, 密集度大,而且上浮稳定,对液体扰动小。 特别适合于疏松絮凝体,细小颗粒的固液分离。 工艺设备和流程较为简单,便于管理维护。 对回流加压,处理效果显著、稳定,节约能耗。 溶解气气浮选装置工艺过程:使气体在压力状态下溶于水中,再将溶气水引入浮选器首端或底部均匀配出,待压力降低后,被处理水中的油珠和悬浮物吸附到气泡上,上浮聚集被去除。 (2)分散气浮选装置 A、旋转型浮选装置 机械转子旋转,在气液界面上产生液体漩涡,漩涡气液界面随着转速升高,可扩展到分离室底部以上。在漩涡中心的气腔中,压力低于大气压,引起分离室上部气相空间的蒸气下移,通过转子与水相混合,形成气水混合体。在转子的旋转推动下向周边扩散,形成与油、悬浮物混合、碰撞、吸附、聚集、上浮被去除的循环过程。 大多数旋转式分散气浮选装置设有四个浮选单元室。含油污水依次流经四个浮选单元室,水中含油和悬浮物逐级被去除净化。 B、喷射型浮选装置 该装置每个浮选单元均设置一个喷射器,利用泵将净化水打入浮选单元的喷射器,喷射器内的喷嘴局部产生低气压,引起气浮单元上部气相空间的气体流向喷射器喷嘴,气、水在喷嘴出口后的扩散段充分混合,射流进入浮选单元中下部,与被处理的污水混合,形成油、悬浮物与气泡吸附、聚集,上浮被去除。生产实践证明:A 型比 B 型能耗高,气耗大。 五、旋流除油 1、基本原理 液流调整旋转时受到不等离心力的作用而实现油水分离。 2、旋流除油装置—水力旋流器 工作过程: 含油污水切向或螺旋向进入圆筒涡旋段,并沿旋流管轴向螺旋态流动,在同心缩径段,由于圆锥截面的收缩,使流体增速,并促使已形成的螺旋流态向前流动,由于油水的密度差,水沿着管壁旋流,油珠移向中心,流体进入细锥段,截面不断收缩,流速继续增大,小油珠继续移到中心汇成油芯。流体进入平行尾段,由于流体恒速流动,对上段产生一定的回压,使低压油芯向溢流口排出。水力旋流器分离效率的影响因素: 离心力和介质阻力 离心力:油旋流管中心向器壁辐射的力。 流量 随着流量的增加,离心力也相应增加。 对特定的旋流器,在保证分离效率的前提下,存在最大流量和最小流量的工作范围。 流量过小,离心力不足,影响油滴聚集;流量过大,油芯容易不稳定。进出口压差过大,对油滴产生剪切作用。 例如:一根直径 35旋流管,最佳流量范围 100~200m3/d。 密度 两种液体的密度差越大,旋流产生的离心力越大,分离效率越高。 旋流除油的要求 应产生非常强烈的旋流,使分散相有足够的径向迁移; 旋流器直径要小,并有足够大的长径比; 油芯附近的液流层必须稳定,避免油水两相重混; 旋流器应具有很小的圆锥角,导流口能使液流产生好的旋转,且旋转轴与旋转器几何轴线重合。 第三节 混凝沉降 一、基本概念 混凝:水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝,是凝聚和絮凝的总称。 凝聚过程:水中胶体失去稳定性的过程,即脱稳。 絮凝过程:脱稳胶体中粒子及微小悬浮物聚集过程。 混凝过程涉及:①水中胶体的性质;②混凝剂在水中的水解;③胶体与混凝剂的相互作用。 二、水中胶体的稳定性 1、概念 胶体稳定性:是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。 2、胶体稳定性分类 动力学稳定性:无规则的布朗运动强,对抗重力影响的能力强。 聚集稳定性:①胶体带电相斥(憎水性胶体);②水化膜的阻碍(亲水性胶体) 集稳定性对胶体 稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒双电层结构。 3、论 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能,分别由静电斥力与范德华引力产生。 胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。 当胶体距离 ,吸引势能占优势;当 x< ,排斥势能占优势;当 x=,排斥势能最大,称为排斥能峰。 胶体的布朗运动能量 其大于排斥能峰时,胶体颗粒能发生凝聚。 以上称为 论,只适用于憎水性胶体,由德加根(兰道(苏联,1938 年独立提出〕,伏维(奥贝克(荷兰,1941 年独立提出)。 三、 混凝机理 1.电性中和作用机理 电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理。 (1)压缩双电层 随着电解质加入,形成与反离子同电荷离子,产生压缩双电层作用,使 ξ 电位降低,从而胶体颗粒失去稳定性,产生凝聚作用。 压缩双电层机理适用于叔采-哈代法则,即:凝聚能力离子价数6。 该机理认为£电位最多可降至 0。因而不能解释以下两种现象: 凝剂投加过多,混凝效果反而下降; ②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。 (2)吸附-电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等,来降低 z 电位。 其特点是:当药剂投加量过多时,z 电位可反号。 总之,要使胶体颗粒通过布朗运动相互碰撞聚集,必须消除颗粒表面同性电荷的排斥作用,即“排斥能峰”。 降低排斥能峰的办法:降低或消除胶体颗粒的£电位,即在水中投入电解质。 含油污水中胶体颗粒大都带负电荷,故投入的电解质为带正电荷的离子或聚合离子,如 。 2.吸附架桥 不仅带异性电荷的高分子物质(即絮凝剂)与胶体颗粒具有强烈的吸附作用,不带电的甚至带有与胶粒同性电荷的高分子物质与胶粒也有吸附作用。 “吸附架桥”:高分子链的一端吸附了某一胶粒后,另一端又吸附了另一胶粒,形成“胶粒—高分子—胶粒”的絮体。高分子物质起到了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用。 起架桥作用的高分子都是线性高分子且需要一定长度 ,当长度不够时,不能起到颗粒间的架桥作用,只能吸附单个胶粒 。 高分子絮凝剂投加后,通常可能出现以下两个现象: 分子投量过少,不足以形成吸附架桥; ②但投加过多,会出现“胶体保护”现象。 3.网捕或卷扫作用(网扫作用) 水中投加混凝剂量足够大→形成大量絮体。 成絮体的线性高分子物质 具有一定长度; 有一定量的支链; 混凝过程中,在相对短的时间内,水体中形成大量絮体,趋向沉淀,便可以网铺,卷扫水中的胶体颗粒,产生净化沉淀分离。是一种机械作用。 四、混凝工艺 1、混合 若使加入的混凝剂与水急剧、充分混合,关键是投药口的位置和混合设备的选择。 投加两种及两种以上混凝剂或助凝剂时,应事先进行配伍性试验: 几种药剂投入污水后必须有利于沉降处理,且不能起相反的作用。药剂投入还要考虑先后顺序。 投药口位置:根据采用流程不同而异。受污水处理站工艺限制,两种药剂的投入口不可能相隔太远,但至少应有 10s 左右混 合时间。油田投药口大部分设在压力管线上。 混合设备的选择 各油田为保证投加药剂的充分混合,采用的混合器 ① 静态简易管式混合器喷嘴流速 3~4m/s。 ② 静态叶片涡流管式混合器 两种混合器混合时间一般为 10~20s 左右,s。 当原水投加絮凝剂或助凝剂后,要求水流在剧烈的紊流流态下进行快速混合,为絮凝创造良好条件。 80 年代初,开发应用了多种新型快速混合设备,如网格、多孔隔板、弯管以及管式静态混合器等,不仅节省投药量,缩短了混合时间,而且提高了效率。 管式静态混合器是利用在管道内设置的多节固定分流板,使水流成对分流,同时又产生交叉旋涡起反向旋转作用,实现快速混合。快速混合器有二种结构型式,一种是在原水进水管内设固定叶片,而另一种是借助外部动力,带动管内叶片运动而扩散的。 目前国内有三种型式,即螺旋浆片混合器、混合器及 中 管式混合器又可分为成对分流式、交流混合式、涡流反应旋流式等。 采用静态混合器,可在瞬间完成被处理液和中和剂的混合,因而能缩短处理时间。 由于没有可动部分,所以不会发生故障; 因为能给 流体以有效的搅拌,所以动能消耗也少。 2、反应 都是反应分离(沉降)合建在一起的卧式或立式混凝沉降设施。 反应部分从反应的水力原理来看,分为: 旋流式中心反应器 涡流式中心反应器 旋流涡流组合式反应器 旋流式中心反应器:有效反应时间 8~15嘴进口流速2~3m/s。也可根据原水水质情况、投加的混凝剂性能通过实验确定。五、沉降分离工艺 经重力除油或其它除油设备初步净化后的污水加入混凝剂,通过进水管道混合后分别进入两种型式的中心反应筒,反应后形成矾花的污水经布水管进入混凝沉降罐沉降分离部分。 混凝沉降过程包括:上浮除油和部分悬浮物 下沉部分悬浮物 污水中油是主要污染指标、固体悬浮物次要污染指标凝除油罐 固体悬浮物主要污染指标、油是次要污染指标凝沉降罐 1、下向流混凝沉降罐 反应器采用上配水式,污水自上而下流动,污油携带大部分悬浮物上浮至油层,经出油管流出;部分密度较大的悬浮物沉至罐底。 2、上向流混凝沉降罐 重力式上向流混凝沉降罐为立式装配。 工艺结构简介: 设备中心的中下部为混凝反应部分; 环空底部为集泥、排污和冲洗系统, 中部为下向逆流配水系统, 上部为逆流斜板(管)分离部分; 设备中上部为周向斜挡板集水部分; 设备上部为浮渣污油加热收除系统。 3、压力式混凝逆流沉降罐 压力式混凝逆流沉降罐为卧式装配。 工艺结构简介: 设备首段为混凝反应部分 中段为整流过渡和配液区 上部为浮渣、污油收除内件 中后段为逆流斜板(管) 中部为配水分离内件 沉降分离区 下部为污泥集聚和排除内件后段为集水出流部分 第四节 过滤 过滤:水体流过有一定厚度(一般为 700右)且多孔的粒状物质的过滤床,杂质被截留在这些介质的孔隙里和介质上,从而使水得到进一步净化。 水中的悬浮物和胶体物质; 细菌、藻类、病毒; 油类; 铁和锰的氧化物; 放射性颗粒; 预处理中加入的化学药品; 重金属; 一、基本原理 采用过滤方式去除水中杂质,所包括的机理很多。 从过滤性质来说,一般可分为物理作用和化学作用。 过滤机理分为:吸附,絮凝,沉淀,截留等。 1、吸附 滤池功能之一是把悬浮颗粒吸附到滤料颗粒表面。 2、絮凝 得到水的最佳过滤性的基本方法 (1)按取得最佳过滤性而不是产生最易沉淀的絮凝体,来确定混凝剂的最初投药量; (2)在沉淀后的水进入滤池时,投加作为助滤剂的二次混凝剂。 污水预处理的目的:生成小而致密的絮粒而不是大而松散的絮状体,穿透表面进入滤床,从而提高絮粒与滤料颗粒表面间的接触机率。要依靠絮体颗粒与滤料颗粒表面或先前已沉积的絮凝体相接触产生吸附。 3、沉降 小于孔隙空间的颗粒的过滤去除,同一个布满着极大数目浅盘的水池中的沉淀作用是类似的。 颗粒的沉降速度和直径可用 式计算。 慢速砂滤池同沉淀池比较:预期可去除掉沉降速度为 1/4000 的和直径小于 1/60 的那些颗粒。 4、截留 也称筛滤,是最简单的过滤,发生在滤层的表面,即水进入滤床的孔隙之处。 筛滤过程:开始时只能去除比孔隙大的物质,随着筛滤过程的进行,筛滤出的物质在滤料的表面形成一层面膜,水必须先通过它才能到达过滤介质。杂质的去除被限制在滤层的表面。 当被过滤的水中含有有机物质时,外来的生物—腐生菌会利用这些物质作为能量来源而繁育在滤层表面的面膜上—使面膜具有粘性,增强筛滤过程的效率。 滤池的成熟或突破:由胶团性生物的繁殖造成的过滤效率的逐渐增长。 高浓度、高营养价值、高温度有助于细菌的繁育并产生一层厚的面膜;富有藻类或类似生物的水,可能形成一层很厚的面膜,表面膜有破裂的危险时,必须把这层面膜和支承它的滤料表面层加以清理。 二、过滤工艺设计 1、滤速 单位过滤面积上的过滤流量,即为滤速。 当滤速超过 400m/d 时,常使用高分子絮凝剂提高净化效果。 滤速的确定是设计中最重要的问题之一。 滤速的确定:必须在综合考虑经济性、过滤持续时间、滤过水质的基础上,参照上述的滤速范围,并根据经验确定。 2、过滤阻力 水体通过滤层时,滤层的上下两侧产生水头差,称为过滤水头损失或过滤阻力—随过滤时间延长而增大。 过滤阻力在设计上是决定构筑物高低的一个指标,在运行上是停止过滤的时间指标。 重力式过滤采用的最大过滤阻力: 范围:柱 一般:柱 过滤阻力并非一层不变,不同时期过滤阻力不同。 堵塞滤层的过滤阻力 过滤阻力 h 随截留悬浮物的增加而增大。但截留方式不同,过滤阻力增加的程度有所差异。 浮物多被截留在滤层表面,过滤阻力增加快;悬浮物到达滤层深处被截留,过滤阻力增加较慢。 不同研究者给出的过滤阻力的计算公式,都是微分厚度△Z 滤层中的微分过滤阻力△h。全滤层的过滤阻力需在 Z=0 至 Z=L 上积分求得。过滤阻力的一般规律 滤料粒径愈粗,过滤阻力的绝对值增大愈慢; 对悬浮物截留量及截留模式都相同的滤层,过滤阻力与滤速成比例变化; 滤速增加,初期过滤阻力增大;但悬浮物进入滤层的深度大,对相同的截留悬浮物数量而言,此时过滤阻力增加缓慢。 对一定浓度的原水进行等速过滤时,过滤阻力在开始时按比例上升,随后则急剧加大。 3、反冲洗 影响滤料反冲洗效果的最重要因素:反冲洗强度(必须维持必要的反冲洗压力) 反冲洗方式 ①水冲洗 依靠从滤层下部喷出的压力水使滤层处于流态化,利用滤料颗粒相互碰撞将截留的悬浮物冲洗下来。日美广泛应用。 ②气—水冲洗 悬浮物自滤料颗粒上脱落下来,再用水将其冲走。用于欧洲式滤池。采用粗滤的滤池中使用气—水法比较经济。 (1)反冲洗水头(水冲洗方式) 滤层无流态化前,当反冲洗强度由零开始逐渐增大时,反冲洗水头直线增大。 当滤层开始流态化后,即使再增大流速,水头也不随反冲洗强度的增大而增大。此时的水头,即流态化滤层中的水头损失,在数值上等于单位面积滤层上滤料在水中的重量。 (2)最佳反冲洗强度 滤料颗粒相互碰撞最多,其反冲洗效果最好。 (3)最佳膨胀率 滤层的膨胀率常用来作为反冲洗操作的控制指标。 (4)反冲洗时间 反冲洗时间因滤层污染程度而异。一般为 5~10反冲洗操作包括启闭阀门的时间和表面冲洗时间,总计需15~30排除截留悬浮物的 99%和 90%所需时间 T/uB T/T≈0ε0 (5)气—水冲洗 流态化冲洗相比: ① 滤层不产生分层现象; ② 不必担心由于滤层膨胀而导致滤料流失,所以排水槽到滤层表面高度可以减小,槽间间距可以加大; ③ 即使使用粗重的滤料,也无需增大反冲洗强度; ④ 为使空气和水在滤层中均匀分布,需设特殊的集水装置。目前为止,还没有从理论上推以有效粒径为 层厚度为 用空 气—水冲洗过程如下: 第一阶段:以 水冲洗 4~6第二阶段:以水 空气 1m/洗 8~10第三阶段:以水 洗 5~6导出气—水冲洗最佳空气流量和冲洗水量的大小。 三、滤料及垫层 1、滤料 (1)滤料的性能 滤料的种类 常用滤料:石英砂,无烟煤等; 其它滤料:核桃壳,石榴石,钛铁矿砂,磁铁矿砂,金刚砂,铝矾土等; 人工优质滤料:陶粒,活性炭,聚苯乙烯球粒,聚氯乙烯球粒。 作为滤料的要求 有足够的机械强度 在冲洗过程中,机械强度低的颗粒由于摩擦会破碎,破碎的细颗粒容易进入过滤水中。摩擦与破碎使颗粒粒径变小,增加了“干净滤层的水头损失”; 破碎的细粒在冲洗时会被水流带出滤池,增加滤料的损耗。 ② 具有足够的化学稳定性 过滤过程中,滤料与水发生化学反应会恶化水质。 滤料尤其不能含有对人体健康和生产有害的物质。 例如:常用的石英砂滤料有微量溶解于水,生活用水对 量没有严格要求,作为滤料没有问题;而某些工业用水(如锅炉补充用水),对 量有严 格要求时,用无烟煤代替石英砂为滤料较合适。 ③ 就地能取材,货源充足,价格合理; ④ 具有一定的颗粒级配和适当的孔隙度; ⑤ 外形接近于球形,表面比较粗糙且有棱角。 球状颗粒间的孔隙较大;表面粗糙的颗粒,其比表面较大;棱角处吸附力量强。 (2)滤料的颗粒级配 滤料颗粒的大小用“粒径”表示。因为滤料不一定是球形,所以粒径指的是:能把滤料颗粒包围在内的一个假想的球面直径。 通常用不同网孔的筛子确定滤料粒径。如:一般快滤池中的滤料,能通过 18 目/英寸(孔径为 1网孔,但截留在 36 目/径为 筛上,则滤料最大粒径为 1滤料的级配 定义:滤料粒径大小不同的颗粒所占的比例。 具有适当的滤料级配,才能有良好的过滤效果。 滤料级配的表示方法 规定最大、最小两种粒径和 我国现行规范即采用这种表示方法。 目前国内采用的普通快滤池以单层滤料滤池和双层滤池为多,根据国内水厂运行经验,单层、双层滤料过滤的水头 损失较大,宜采用 能保证滤池在 12h~24h 的工作周期。 快速滤池常见的问题及解决办法 气阻: 滤料层内积聚了大量空气,特别是当滤料层内出现负水头时,这部分滤料层内呈现真空状态,使水中的溶解气体逸出并积聚在滤层中,以致滤水量显著减少。冲洗时,气泡会冲出滤层表面,因而出现大量空气,它是形成滤料层裂缝、水质恶化的原因。这中现象叫气阻或气闭。 解决办法: 池深已定的情况下,可采取调换表面层滤料,增大滤料粒径的方法;有时可适当加大滤速,促使整个滤料层内积污比较严重。 (3)滤料空隙率 定义:指某一体积滤层中空隙的体积与其总体积(即滤料颗粒的体积与滤粒间隙体积的和)的比值。 测量方法:取一定量的滤料,在 105℃下烘干称重,用比重瓶测出相对密度。然后放入过滤筒中,用清水过滤一段时间后,量出滤层体积,按下式求出滤料空隙率 ε: (4)滤料形状 滤料形状影响滤层中水头损失和滤层孔隙率。 不规则颗粒的实际表面积、有关形状系数还没有满意的计算方法。以“颗粒球形度系数”作为参考。 设某一形状不规则的颗粒粒径为 与其同体积的球体直径为颗粒的球形度系数 Φ 为: (5)滤层规格 滤层的材料 滤料的粒度 滤料的粒度比较小,一般在 小粒度的滤料比表面积大,有利于过滤。 滤层的厚度:滤层厚度为矾花所穿透的深度与保护厚度的和。 透深度约为 400应的保护厚度约 为200~300层总厚度为 600~700对于石英砂和煤构成的双层滤料滤池,由于煤粒间的孔隙较大,矾花可以穿透得更深,较好发挥了整个滤层表面积的吸附能力。 双层滤料滤池,煤和砂的粒度选择是关键问题。 根据煤、砂相对密度差,选配适当的粒径级配,可形成良好的上粗下细的分层状态;如煤、砂粒径选配不当,滤池反冲洗时会引起煤粒、砂粒的互相掺混,小颗粒的砂掺在大颗粒煤粒的孔隙间,导致颗粒间的孔隙甚至会小于单层石英砂孔隙,双层滤料的优点就不存在了。 煤、砂双层滤料在反冲洗后,能分层的主要原因: 两种不同相对密度的滤料,在反冲洗上升水流中形成悬浮体(煤—水悬浮体、砂—水悬浮体),相对密度大的趋向下层,相对密度小的趋向上层。反冲洗一旦停止,两种滤料便保持分层状态。 接触滤池常识 接触滤池是原水投加凝聚剂后,不经沉淀而直接进行微絮凝过滤的滤池。 国内接触滤池以双层滤料居多。由于双层滤料层截污能力高,滤层中水流阻力及水头损失的增加缓慢,工作周期可延长。 接触滤池适用于原水浑浊度长年低于 20理效果较稳定。滤池滤速宜采用 6m/h~8m/h,因原水投加凝聚剂后,微絮凝主要在上层无烟煤孔隙中完成,故滤速不宜过高。 根据三种滤料相对密度的不同,选配适当的粒径,以防滤层混杂。 三层滤料选用最多的形式是: 在无烟煤、石英砂两层滤料的下面,加一层比石英砂细的磁铁矿薄层。设计滤速可达 30~40m/h。 2、垫层(承托层) 作用 A、防止过滤时滤料从配水系统中流失; B、冲洗过程中保证均匀布水 。 垫层(承托层)的材料要求 对于单层或双层滤料滤池,采用大阻力配水时,承托层均用天然卵石。 颗粒最小直径 2滤料的最大直径确定); 颗粒最大直径 32冲洗时孔隙射流产生最大冲击力确定)。 配水系统的主要作用:保证进入滤池的冲洗水,能够均匀分布在整个滤池面积上;过滤时,也起了均匀集水的作用。 当配水系统不能均匀配水时,会产生两个不利的现象: 一是由于冲洗水没有均匀分布在整个滤池面积上,在冲洗水量小的地方就冲洗得不干净,这些不干净的滤料,逐渐会胶结起来,长大成团,形成“泥球”或“泥饼”。“泥球”和“泥饼”又进一步影响冲洗的效果,将会影响过滤的水质,甚至被迫将整个砂层运出滤池进行清洗。 速很大,会使承托层发生冲动,引起滤料和承托层混合现象,使砂子漏入过滤水中,产生“走砂”现象。这个现象还同样会对水的不均匀分布起恶性循环的作用。 因此,配水系统的设计必须考虑冲洗时配水均匀的条件。在满足冲洗的配水要求后,过滤时集水均匀就会同时得到解决。 四、过滤设施的分类 非均质滤层下向过滤 缺点: A、截留的杂质集中在滤层表面几厘米内,造成表面堵塞,不利于滤床整个深度的利用; B、过滤速度受到限制。 注意的问题: 反冲洗开始时,必须用小强度冲洗,然后逐渐加大,以免冲跑较轻的滤料。 均质滤层下向过滤 滤池的滤床从上到下,个个剖面都有大、中、小粒径的颗粒,它们各自的量相等或接近。 优点:滤床上下方向的滤料孔隙率相同,而使滤床水的流态也相同,使滤池能更好地克服表面阻塞,絮体深入滤床,以达到滤出水量多、水质好的效果。 为了达到上述目的,最主要的一个因素是滤床不允许膨胀或是稍有膨胀,使其始终保持原有填料时滤床滤料的原有状态,种滤池采用较粗的砂滤料,可减
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