摘要：開展了核桃殼濾料粒徑與濾層各參數(shù)的關(guān)系，以及粒徑對(duì)過濾過程影響的研究，得出如下結(jié)論：

1 采用較小核桃殼濾料粒徑對(duì)保證濾后水質(zhì)有利，但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快，產(chǎn)生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產(chǎn)水量小等問題，一般對(duì)過濾不利；

2 在保證過濾水質(zhì)的條件下，宜選擇較大粒徑的核桃殼濾料；

3 濾層的厚度隨核桃殼濾料粒徑的增加而加大；

4 核桃殼濾料的平均粒徑越小，不均勻系數(shù)可以越大，平均粒徑越大，不均勻系數(shù)要越小。

引言

目前我國(guó)各大油田的采油廢水處理中，以核桃殼過濾工藝應(yīng)用為廣泛，成為油田污水過濾處理技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。與石英砂濾料過濾比較，核桃殼濾料過濾有更為突出的優(yōu)點(diǎn)：吸附截污能力強(qiáng)，親水性好，抗油浸；密度略大于水，反沖洗容易。核桃殼濾料密度較石英砂濾料輕，對(duì)過濾罐進(jìn)行反沖洗時(shí)，不僅能沖洗掉濾層表面上的油污及雜質(zhì)，而且核桃殼過濾罐的攪拌機(jī)構(gòu)還能讓濾料通過反洗時(shí)的攪拌、翻動(dòng)使濾料內(nèi)層的油污及雜質(zhì)翻移到濾層表面而隨水沖出，濾料清洗更完全。

近幾年來(lái)，人們對(duì)油田含油污水核桃殼過濾反洗再生方面進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)過濾機(jī)理研究很少，特別是核桃殼濾料粒徑對(duì)過濾的影響方面研究幾乎為空白，在粒徑的選擇上存在一些明顯的誤區(qū)。事實(shí)上，濾料粒徑對(duì)過濾的影響，對(duì)過濾工藝的發(fā)展以及對(duì)在實(shí)際工程中合理選擇過濾的方式，有著非常重要的意義。較小核桃殼濾料粒徑對(duì)保證濾后水質(zhì)有利，但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快，濾層的納污量低，過濾周期短，濾速低，產(chǎn)水量小等問題。而粒徑過大，則難以保證過濾水質(zhì)。

一般石英砂過濾采用均質(zhì)濾料，均質(zhì)濾料不同于均粒濾料。當(dāng)石英砂新裝入時(shí)，這種濾層稱為均質(zhì)濾層，濾料則稱為均質(zhì)濾料，這就是說(shuō)，均質(zhì)濾料并不要求所有的濾料粒徑相同，而是要求整個(gè)濾料層自上而下的組成條件都相同，滿足均質(zhì)濾料反沖洗時(shí)不出現(xiàn)水力分級(jí)現(xiàn)象。由于核桃殼在反洗再生時(shí)，須通過水力反沖和機(jī)械攪拌使濾床充分流態(tài)化，這種再生反洗方式容易出現(xiàn)水力分級(jí)現(xiàn)象。為避免這種情況，核桃殼濾料應(yīng)盡可能選擇單一粒徑，而不是同石英砂一樣滿足均質(zhì)濾料就可以。換言之，在核桃殼過濾中，對(duì)粒徑的選擇不能停留在原有認(rèn)識(shí)上，應(yīng)該引起人們的重視。

一、核桃殼濾料粒徑與濾層各參數(shù)的關(guān)系

1 核桃殼濾料粒徑與清潔濾層的孔隙率

假定核桃殼濾料顆粒是球形的，大小都一樣，可以證明，此時(shí)清潔濾層的孔隙率只與濾料顆粒的排列方式有關(guān)，而與濾料的粒徑無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，對(duì)于不同粒徑濾料的濾層，清潔濾層的孔隙率都相差不大，例如，石英砂濾料濾層的孔隙率一般在42%左右。實(shí)際濾層的濾料是由大小不同的顆粒組成的，并且也不是嚴(yán)格球形的，盡管如此，實(shí)際工程中使用的濾床，其濾層的孔隙率也基本在42%左右。粒狀濾料濾層濾料顆粒的大小對(duì)濾層孔隙率的影響是不大的。

2 核桃殼濾料粒徑與濾層孔隙尺寸

濾層的孔隙可以看作是由很多相互連通的孔構(gòu)成的，如果把所有的孔按照長(zhǎng)度和體積不變的原則換算成等截面的圓形孔，其直徑稱作孔隙的當(dāng)量直徑，記為d_e，清潔濾層的孔隙當(dāng)量尺寸記為d_e0，則d_e與濾料粒徑d_e0成正比關(guān)系，即：

d_e0=kd

式中k—比例系數(shù)，無(wú)量綱；

d_e0—-清潔濾層孔隙當(dāng)量尺寸，×10^-6m；

d—濾料粒徑，×10^-6m。

3 核桃殼濾料粒徑與濾層濾料的總比表面積設(shè)濾層的體積為V，則有如下圖式（2）所示：

式中：A—濾料總比表面積，m²；

V—濾層的體積，m³；

V_p—孔隙的體積，m³；

V_s—單個(gè)濾料顆粒的體積，m³；

a_s—單個(gè)濾料顆粒比表面積，m²；

n—濾料顆�？倲�(shù)；

m_o—清潔濾層的孔隙率。

由式(2)可知，對(duì)于給定處理量的過濾器，其濾層的體積一定，而且濾層孔隙率一般也變化不大，所以，濾層顆粒總比表面積這時(shí)主要取決于濾料粒徑d_，且與d呈反比關(guān)系。

4 核桃殼濾料粒徑對(duì)濾料顆粒與水中懸浮顆粒接觸的影響

懸浮顆粒要被濾層截留，須與濾料表面接觸。假定某一懸浮顆粒穿過濾層而不被濾層截留，其與濾料顆粒所具有的接觸次數(shù)稱作為懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù)，懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù)越多，被濾層截留的可能性越大。設(shè)懸浮顆粒穿過單位濾層與濾層可能的接觸次數(shù)為f，f與很多因素有關(guān)，濾層的比表面積越大，f越大；濾層的孔隙尺寸越小，f越大。此外，f與濾速、溫度、懸浮顆粒本身的特性等因素也有關(guān)。由于在容積不變的條件下，濾料的比表面積隨著濾料粒徑的減小而加大，濾層的孔隙尺寸隨著濾料粒徑的減小而減小，所以，在其它條件不變的情況下，懸浮顆粒與濾層可能的接觸次數(shù)隨著濾料粒徑的減小而加大。

二、核桃殼濾料粒徑對(duì)過濾過程的影響

1 對(duì)水流剪力的影響

過濾過程中的水流剪力可簡(jiǎn)化表示如下式（3）：

τ=k₁(μυ/mde)

式中：τ—水流剪力，N；

k₁—系數(shù)，無(wú)量綱；

μ—水的運(yùn)動(dòng)粘度，Pa·s；

υ—空床流速，m/s；

m—濾層孔隙率，百分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱。

從式（3）可以看出，其它條件不變時(shí)，水流剪力的大小和濾層孔隙率與孔隙當(dāng)量直徑的乘積成反比，假定濾層的孔隙率不變，則水流剪力τ與孔隙當(dāng)量直徑de關(guān)系如圖1所示。

水流剪力的大小與濾層孔隙當(dāng)量直徑成反比關(guān)系。以τ₀和d_e0分別表示清潔濾層的水流剪力和孔隙尺寸，以τ₁和d_e1分別表示被吸附的懸浮顆粒從核桃殼濾料表面脫附時(shí)的水流剪力和孔隙尺寸。當(dāng)核桃殼濾料顆粒的尺寸較小時(shí)，清潔濾層的孔隙尺寸比較小，清潔濾層的水流剪力大。根據(jù)反比關(guān)系的特點(diǎn)，在d_e比較小時(shí)，d_e的減小，將引起τ的快速增加，會(huì)很快使得τ超過τ₁，過濾失效。如果核桃殼濾料尺寸過小，在保持一定的濾速的條件下，可能一開始水流剪力就會(huì)超過τ₁，過濾不能進(jìn)行。因此，如果核桃殼濾料的顆粒尺寸較小，清潔濾層的水流剪力大，并且，隨著過濾的進(jìn)行，水流剪力增加很快。

2 對(duì)濾層水頭損失的影響

核桃殼濾料顆粒尺寸對(duì)水頭損失的影響比對(duì)水流剪力的影響還要大。即：濾料顆粒尺寸小，將使得清潔濾層的水頭損失大，而且，隨著過濾的進(jìn)行，濾層的水頭損失增加很快，會(huì)導(dǎo)致過濾很快終止。

3 對(duì)含污層厚度與濾層含污量的影響

核桃殼濾料顆粒尺寸越小，懸浮顆�？赡艽┻^的濾層深度就越小，從而，濾層含污層厚度就越小，濾層的納污量也越小。

4 對(duì)過濾周期、濾速、產(chǎn)水量的影響

在濾速、水質(zhì)等條件不變的情況下，核桃殼濾料粒徑越小，水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)越快，濾層的含污量越低，過濾周期就越短。如果要求的水頭損失一定，核桃殼濾料粒徑越小，就要降低濾速。由于濾料粒徑越小，濾層的納污量越低，在進(jìn)水水質(zhì)一定的條件下，可過濾的水量越小，也就是產(chǎn)水量越小。

5 對(duì)濾后水質(zhì)的影響

在其它條件一定的情況下，懸浮顆粒被濾層截留的可能性與懸浮顆粒與濾層可能的接觸總次數(shù)是相關(guān)的，因此，在濾層厚度一定的條件下，減小核桃殼濾料粒徑，有助于保證濾后水質(zhì)。

三、核桃殼濾料粒徑的選擇與濾層厚度的確定

1 核桃殼濾料粒徑的選擇

由上述討論可知，從保證濾后水質(zhì)的角度出發(fā)，較小的濾料粒徑是有利的。但濾料粒徑較小，對(duì)提高濾速、延長(zhǎng)過濾周期、提高濾層的產(chǎn)水量、減緩水頭損失的增長(zhǎng)都是不利的。因此波濤小編認(rèn)為，盡管目前均質(zhì)大粒徑濾料過濾受到關(guān)注，但小粒徑濾料有它的優(yōu)點(diǎn)，不能無(wú)條件地強(qiáng)調(diào)使用大粒徑濾料。選擇濾料粒徑的原則是在保證水質(zhì)的條件下，盡量選擇較大粒徑的濾料。采用較大粒徑的濾料可能出現(xiàn)濾后水質(zhì)問題，可以采取適當(dāng)增加濾層厚度的辦法來(lái)彌補(bǔ)。就濾層從上至下濾料粒徑大小的分布而言，濾料粒徑沿水流方向由大趨小比較好，這也是目前一致公認(rèn)的看法，盡管由于實(shí)際工程中這樣做還存在一些問題，濾料粒徑的這種分布是有它的優(yōu)勢(shì)的。這樣做有利于懸浮顆粒進(jìn)入濾層的較深處，并且，由于大部分懸浮顆粒被截留在上部孔隙尺寸比較大的濾層，有利于減緩水頭損失的增長(zhǎng)。

此外，較小粒徑的濾料分布在下層，也有利于保證濾后水質(zhì)。就濾料的均勻性而言，當(dāng)所采用的濾料粒徑比較小時(shí)，過分強(qiáng)調(diào)粒徑的均勻意義不是很大。因?yàn)檫@種核桃殼濾料在反沖時(shí)，表層的濾料粒徑小，過濾時(shí)，只需表層不太厚的濾層發(fā)揮作用。波濤小編認(rèn)為，所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越小，不均勻系數(shù)可以越大，所選擇的核桃殼濾料平均粒徑越大，不均勻系數(shù)要越小。

2 濾層厚度

從前面的討論可看出，濾層厚度與濾料粒徑的關(guān)系很大。一般濾料粒徑越大，由于單位厚度的濾料與懸浮顆�？赡艿慕佑|次數(shù)越小，要求濾層的厚度就越大。濾料粒徑越小，濾層的厚度可以越小。盡管從理論上講，采用較大粒徑的濾料，可以采取增加濾層厚度的方法來(lái)保證濾后水質(zhì)，但濾料粒徑過大，含污層過深，反沖洗困難，并且造成濾罐高度過高，沒有多大的實(shí)際意義。目前，較大粒徑的均勻?yàn)V料粒徑大多在0.8~1.2mm之間，不均勻系數(shù)k80在1.1-1.3之間，濾層厚1m左右。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過以上的討論，可得出以下幾點(diǎn)看法：

1 較小核桃殼濾料粒徑對(duì)保證濾后水質(zhì)有利，但可能導(dǎo)致水流剪力、水頭損失增長(zhǎng)過快，產(chǎn)生濾層的含污量低、過濾周期短、濾速低、產(chǎn)水量小等問題，一般不利于過濾的進(jìn)行；

2 在保證濾后水質(zhì)的條件下，宜選擇較大粒徑的核桃殼濾料；

3 濾層的厚度隨核桃殼濾料粒徑的加大而增加；

4 核桃殼濾料的平均粒徑越小，不均勻系數(shù)可以越大，核桃殼濾料的平均粒徑越大，不均勻系數(shù)要越��；

5 提高濾層的孔隙率對(duì)過濾過程是有利的，但核桃殼粒狀濾料的孔隙率在粒徑均勻的前提下，主要取決于濾料顆料粒的排列方式，與粒徑的關(guān)系不大。