申请日2015.07.20
公开(公告)日2015.11.18
IPC分类号C02F9/04
摘要
本发明公开了一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，包括以下步骤：污水首先进入斜板除油器进行处理，处理后的污水输送至下游的加气浮选器过滤，污水从加气浮选器输出后进入预过滤水罐，再经提升泵进入双介质过滤器和超声波过滤器处理;所述双介质过滤器内填充有锰砂和核桃壳滤料，所述锰砂的填充高度由下式确定：???????????????????????????????????????????????权利要求书
1.一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，包括以下步骤：污水首先进入斜板除油器进行处理，处理后的污水输送至下游的加气浮选器过滤，污水从加气浮选器输出后进入预过滤水罐，再经提升泵进入双介质过滤器和超声波过滤器处理;其特征在于：
所述双介质过滤器内填充有锰砂和核桃壳滤料，所述锰砂的填充高度由下式确定：
式中，Lb为反洗时滤器内部液面有效高度;L1为上层核桃壳填料高度;L2为下层锰砂填料高度;xb1为上层滤料反洗时膨胀率;xb2为下层滤料反洗时膨胀率;
此公式中需要首先分别确定上层和下层滤料的膨胀率xb1、xb2，才能进一步确定L1、L2;所述膨胀率由下式确定：
式中，εo为滤料正常情况下空隙度，由锰砂滤料的堆密度可以计算;εb为滤料在反洗情况下的空隙度;
此公式中若想确定εb，则必须计算反洗速度以及临界流化速度，所述临界流化速度由下式确定：
式中，uf为临界流化速度;D60为颗粒累计分布为60%的滤料粒径;ρp为滤料密度;ρ为反洗介质的密度;μ为反洗介质的动力粘度;根据上述公式可计算出上层滤料核桃壳的临界流化速度;
反洗速度与临界流化速度的关系由下式确定：
式中n为扩展系数：
式中，Ref为反洗介质在上部滤料核桃壳取得临界流化速度时的雷诺数;通过上述公式可以计算出扩展系数;
根据反洗速度与临界流化速度的公式，只要确定核桃壳滤料在自然状态下的空隙度即可确定核桃壳滤料在反洗状态下的空隙率;所述核桃壳滤料自然状态下的空隙率可以通过核桃壳的真密度和堆密度求得;
反洗速度由下式确定：
uh=Qh/A
式中，Qh为反洗泵排量;A为过滤器截面积;
得到uh后，通过公式：
即可计算出εb1;
同时，结合公式：
即可得出上部滤料核桃壳的反洗时膨胀率xb1;
根据同样的计算过程，可以计算出下层锰砂滤料的膨胀率xb2;
根据公式
以及滤器反洗时的有效高度值和滤料有效高度值，可得出方程组，两方程联立，即得出L1和L2。
2.根据权利要求1所述的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，其特征在于：所选锰砂滤料粒径规格为0.6-1.2mm，密度为3.6g/cm3，堆密度为2.6g/cm3锰，锰含量不低于35%，盐酸可溶率为0.03%，磨损率为0.003，化学成分为MnO2，孔隙率为48%。
3.根据权利要求1所述的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，其特征在于：所述核桃壳滤料的真密度为1.3g/cm3~1.4g/cm3，堆密度为0.8g/cm3~0.85g/cm3。
4.根据权利要求3所述的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，其特征在于：所述核桃壳滤料的真密度为1.3g/cm3，堆密度为0.8g/cm3。
5.根据权利要求1所述的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，其特征在于：所述过滤器反洗有效高度为2000mm。
6.根据权利要求1所述的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，其特征在于：所述滤料有效高度为1400mm。
说明书
一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，尤其是涉及一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法。
背景技术
在海上采油平台生产污水处理中，经常遇到污水中Fe2+和Fe3+声离子超标的问题。渤海某油田投产以来，处理后的水质中总铁和亚铁含量一直超标。经排查，发现地层产出物中已经含有较高的铁离子了。
目前，国内大部分除铁工程一般采用两种方法：一、曝气接触氧化法，也是最常用的方法，该方法通过曝气像水中充氧，使水中Fe2+形式存在的铁离子在接触氧化过程中得以氧化祛除。虽然曝气接触氧化法工艺简单，投资及运行费用低，但由于海上平台受空间限制，因为不适宜采用。二、接触氧化法，该方法通过装有滤料的过滤器时，滤料上包覆的铁质活性膜有自催化氧化作用，更适用于海上采油平台的污水处理。
但现有技术中的海上平台双介质过滤器填料为核桃壳滤料，核桃壳滤料具有较强的除油效果，但去除悬浮物的能力有限。核桃壳滤料是采用优质的山核桃壳作原料，经过破碎、抛光、蒸洗、药物处理、两次筛选加工而成的一种水处理滤料，表层具有大量微孔，依靠表层粘附和深床过滤，所以除油效率高。滤料在装填过程出压实程度低，填料过流孔隙较大无法对悬浮物进行有效截留，因此除悬浮物能力差。铁离子溶解在生产污水中，无法通过核桃壳滤器出去掉，而总铁和亚铁含量超标将会使污水中悬浮物固体含量上升，对水质造成二次污染，使得回注压力增高，最终导致注水困难;含铁超标的水质如果注入到生产层位后也会堵塞地层，对储层带来伤害。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种安全可靠、除铁效果理想的基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，包括以下步骤：污水首先进入斜板除油器进行处理，处理后的污水输送至下游的加气浮选器过滤，污水从加气浮选器输出后进入预过滤水罐，再经提升泵进入双介质过滤器和超声波过滤器处理;
所述双介质过滤器内填充有锰砂和核桃壳滤料，所述锰砂的填充高度由下式确定：
式中，Lb为反洗时滤器内部液面有效高度;L1为上层核桃壳填料高度;L2为下层锰砂填料高度;xb1为上层滤料反洗时膨胀率;xb2为下层滤料反洗时膨胀率;
此公式中需要首先分别确定上层和下层滤料的膨胀率xb1、xb2，才能进一步确定L1、L2;所述膨胀率由下式确定：
式中，εo为滤料正常情况下空隙度，由锰砂滤料的堆密度可以计算;εb为滤料在反洗情况下的空隙度;
此公式中若想确定εb，则必须计算反洗速度以及临界流化速度，所述临界流化速度由下式确定：
式中，uf为临界流化速度;D60为颗粒累计分布为60%的滤料粒径;ρp为滤料密度;ρ为反洗介质的密度;μ为反洗介质的动力粘度;根据上述公式可计算出上层滤料核桃壳的临界流化速度;
反洗速度与临界流化速度的关系由下式确定：
式中n为扩展系数：
式中，Ref为反洗介质在上部滤料核桃壳取得临界流化速度时的雷诺数;通过上述公式可以计算出扩展系数;
根据反洗速度与临界流化速度的公式，只要确定核桃壳滤料在自然状态下的空隙度即可确定核桃壳滤料在反洗状态下的空隙率;所述核桃壳滤料自然状态下的空隙率可以通过核桃壳的真密度和堆密度求得;
反洗速度由下式确定：
uh=Qh/A
式中，Qh为反洗泵排量;A为过滤器截面积;
得到uh后，通过公式：
即可计算出εb1;
同时，结合公式：
即可得出上部滤料核桃壳的反洗时膨胀率xb1;
根据同样的计算过程，可以计算出下层锰砂滤料的膨胀率xb2;
根据公式
以及滤器反洗时的有效高度值和滤料有效高度值，可得出方程组，两方程联立，即得出L1和L2。
所选锰砂滤料粒径规格为0.6-1.2mm，密度为3.6g/cm3，堆密度为2.6g/cm3锰，锰含量不低于35%，盐酸可溶率为0.03%，磨损率为0.003，化学成分为MnO2，孔隙率为48%。
所述核桃壳滤料的真密度为1.3g/cm3~1.4g/cm3，堆密度为0.8g/cm3~0.85g/cm3。
所述核桃壳滤料的真密度为1.3g/cm3，堆密度为0.8g/cm3。
所述过滤器反洗有效高度为2000mm。
所述滤料有效高度为1400mm。
由于采用上述技术方案，锰砂中含有大量的二氧化锰，二氧化锰是除铁反应中的催化剂，含Fe2+离子的污水在PH值大于6.0时，可发生如下催化-氧化反应：
4MnO2+3O2→2Mn2O7
Mn2O7+6Fe2++3H2O→2MnO2+6Fe3++OH-
Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓
Mn2++2OH-→Mn(OH)2↓
4Mn(OH)2+3O2→4MnO(OH)+2H2O
其中Fe(OH)3是胶体，MnO(OH)是沉淀物质，生产污水流经锰砂滤层时，这些胶体和沉淀物质吸附在锰砂颗粒间隙与滤层中，再利用双介质滤器反冲洗功能从滤料中清理出去，可以看出，二氧化锰是催化剂同时在反应中也会消耗一部分，锰砂滤料需要根据处理量定期更换;定期曝气和反洗是整个除铁过程中十分重要的环节，只有及时曝气补氧才能维持锰砂的除铁效果，同时要通过及时反洗将胶体沉淀物清理出滤料层，通过一系列的反应，将Fe2+转变成Fe(OH)3胶体过滤掉;
海上采油某平台生产污水处理中通过尝试在双介质滤器中增添锰砂滤料这一工艺改造，并确定了锰砂滤料最优的填充高度，使一直超标的总铁和亚铁下降到回注标准，取得了良好的试验效果。总铁和亚铁含量稳定，能够满足回注要求，只需定期更换滤料即可;锰砂除铁在该油田的尝试取得了成功并为其他油田治理生产污水含铁超标提供了经验参考。
本发明的有益效果是：具有安全可靠、除铁效果理想的优点。
具体实施方式
本发明一种基于锰砂滤料进行污水过滤除铁的方法，包括以下步骤：
污水首先进入斜板除油器进行处理，处理后的污水输送至下游的加气浮选器过滤，污水从加气浮选器输出后进入预过滤水罐，再经提升泵进入双介质过滤器和超声波过滤器处理;
所述双介质过滤器内填充有锰砂和核桃壳滤料，所述锰砂的填充高度由下式确定：
式中，Lb为反洗时滤器内部液面有效高度;L1为上层核桃壳填料高度;L2为下层锰砂填料高度;xb1为上层滤料反洗时膨胀率;xb2为下层滤料反洗时膨胀率;
此公式中需要首先分别确定上层和下层滤料的膨胀率xb1、xb2，才能进一步确定L1、L2;所述膨胀率由下式确定：
式中，εo为滤料正常情况下空隙度，由锰砂滤料的堆密度可以计算;εb为滤料在反洗情况下的空隙度;
此公式中若想确定εb，则必须计算反洗速度以及临界流化速度，所述临界流化速度由下式确定：
式中，uf为临界流化速度;D60为颗粒累计分布为60%的滤料粒径;ρp为滤料密度;ρ为反洗介质的密度;μ为反洗介质的动力粘度;
可计算出上层滤料核桃壳的临界流化速度为31.65m/h;
反洗速度与临界流化速度的关系由下式确定：
式中n为扩展系数：
式中，Ref为反洗介质在上部滤料核桃壳取得临界流化速度时的雷诺数;可计算出扩展系数n=2.028;
根据反洗速度与临界流化速度的公式，只要确定核桃壳滤料在自然状态下的空隙度即可确定核桃壳滤料在反洗状态下的空隙率;而核桃壳滤料自然状态下的空隙率可以通过核桃壳的真密度和堆密度求得，核桃壳滤料的真密度为1.3g/cm3~1.4g/cm3，堆密度为0.8g/cm3~0.85g/cm3，为了计算方便，我们取真密度为1.3g/cm3，堆密度为0.8g/cm3，那么核桃壳自然状态下的空隙率为εo为138%;
目前油田共有两台反洗泵，排量均为350m3/h，核桃壳滤器的直径为2800mm;
反洗速度由下式确定：
uh=Qh/A
式中，Qh为反洗泵排量;A为过滤器截面积;得到uh为56.84m/h;
得到uh后，通过公式：
即可计算出εb1为45%;
同时，结合公式：
即可得出上部滤料核桃壳的反洗时膨胀率xb1为1.61;
根据同样的计算过程，可以计算出下层锰砂滤料的膨胀率xb2为1.25;
根据公式以及滤器反洗时有效高度值为2000mm，则=2000mm
即1.61L1+1.25L2=2000mm
同时L1+L2=1400mm
两方程联立，可得出L1=800mm，L2=600mm。
同时我们查阅相关资料后得出结论：根据行业标准，滤料的填料高度一般为滤料直径的800至1000倍以上。经过验证，所得结果满足行业标准。
综上所述，理论上上层核桃壳滤料高度应为800mm，下部锰砂滤料高度应为600mm;
其中，所选锰砂滤料粒径规格为0.6-1.2mm，密度为3.6g/cm3，堆密度为2.6g/cm3锰，锰含量不低于35%，盐酸可溶率为0.03%，磨损率为0.003，化学成分为MnO2，孔隙率为48%;所述过滤器反洗有效高度为2000mm;所述滤料有效高度为1400mm。
通过对过滤压降的计算来验证填料高度是否满足流程需要：由粒状材料组成的滤床内部有无数孔隙通道，水流通过滤层的过滤过程，就是水流在滤床孔隙内的流动过程，因此可将滤床看成是有无数条毛细管道组成的管束，过滤过程就是水流在这些毛细管道中的流动过程，为了使水流在毛细管道中的过滤条件与实际滤床中的过滤条件相同。当反洗速度接近40m/h时，水流在滤层中的流动仍为层流流动，利用同样的方法我们计算锰砂的流动状态，结果是当反洗速度接近48m/h时，水流在锰砂中的流动为层流流动。目前平台反洗泵流量为350m3/h，核桃壳滤器直径为2800mm，所以反洗时理想速度为56.3m/h，基本上可以满足反洗时水流在滤器中湍流流动，综合考虑此种充填方案即可满足除铁需求。