摘要：开展了核桃壳滤料粒径与滤层各参数的关系，以及粒径对过滤过程影响的研究，得出如下结论：
1 采用较小核桃壳滤料粒径对保证滤后水质有利，但可能导致水流剪力、水头损失增长过快，产生滤层的含污量低、过滤周期短、滤速低、产水量小等问题，一般对过滤不利；
2 在保证过滤水质的条件下，宜选择较大粒径的核桃壳滤料；
3 滤层的厚度随核桃壳滤料粒径的增加而加大；
4 核桃壳滤料的平均粒径越小，不均匀系数可以越大，平均粒径越大，不均匀系数要越小。
引言
目前我国各大油田的采油废水处理中，以核桃壳过滤工艺应用为广泛，成为油田污水过滤处理技术发展的一种趋势。与石英砂滤料过滤比较，核桃壳滤料过滤有更为突出的优点：吸附截污能力强，亲水性好，抗油浸；密度略大于水，反冲洗容易。核桃壳滤料密度较石英砂滤料轻，对过滤罐进行反冲洗时，不仅能冲洗掉滤层表面上的油污及杂质，而且核桃壳过滤罐的搅拌机构还能让滤料通过反洗时的搅拌、翻动使滤料内层的油污及杂质翻移到滤层表面而随水冲出，滤料清洗更完全。
近几年来，人们对油田含油污水核桃壳过滤反洗再生方面进行了大量的研究，但对过滤机理研究很少，特别是核桃壳滤料粒径对过滤的影响方面研究几乎为空白，在粒径的选择上存在一些明显的误区。事实上，滤料粒径对过滤的影响，对过滤工艺的发展以及对在实际工程中合理选择过滤的方式，有着非常重要的意义。较小核桃壳滤料粒径对保证滤后水质有利，但可能导致水流剪力、水头损失增长过快，滤层的纳污量低，过滤周期短，滤速低，产水量小等问题。而粒径过大，则难以保证过滤水质。
一般石英砂过滤采用均质滤料，均质滤料不同于均粒滤料。当石英砂新装入时，这种滤层称为均质滤层，滤料则称为均质滤料，这就是说，均质滤料并不要求所有的滤料粒径相同，而是要求整个滤料层自上而下的组成条件都相同，满足均质滤料反冲洗时不出现水力分级现象。由于核桃壳在反洗再生时，须通过水力反冲和机械搅拌使滤床充分流态化，这种再生反洗方式容易出现水力分级现象。为避免这种情况，核桃壳滤料应尽可能选择单一粒径，而不是同石英砂一样满足均质滤料就可以。换言之，在核桃壳过滤中，对粒径的选择不能停留在原有认识上，应该引起人们的重视。
一、核桃壳滤料粒径与滤层各参数的关系
1 核桃壳滤料粒径与清洁滤层的孔隙率
假定核桃壳滤料颗粒是球形的，大小都一样，可以证明，此时清洁滤层的孔隙率只与滤料颗粒的排列方式有关，而与滤料的粒径无关，也就是说，对于不同粒径滤料的滤层，清洁滤层的孔隙率都相差不大，例如，石英砂滤料滤层的孔隙率一般在42%左右。实际滤层的滤料是由大小不同的颗粒组成的，并且也不是严格球形的，尽管如此，实际工程中使用的滤床，其滤层的孔隙率也基本在42%左右。粒状滤料滤层滤料颗粒的大小对滤层孔隙率的影响是不大的。
2 核桃壳滤料粒径与滤层孔隙尺寸
滤层的孔隙可以看作是由很多相互连通的孔构成的，如果把所有的孔按照长度和体积不变的原则换算成等截面的圆形孔，其直径称作孔隙的当量直径，记为de，清洁滤层的孔隙当量尺寸记为de0，则de与滤料粒径de0成正比关系，即：
de0=kd
式中k—比例系数，无量纲；
de0—-清洁滤层孔隙当量尺寸，×10-6m；
d—滤料粒径，×10-6m。
3 核桃壳滤料粒径与滤层滤料的总比表面积设滤层的体积为V，则有如下图式（2）所示：
式中：A—滤料总比表面积，m2；
V—滤层的体积，m3；
Vp—孔隙的体积，m3；
Vs—单个滤料颗粒的体积，m3；
as—单个滤料颗粒比表面积，m2；
n—滤料颗粒总数；
mo—清洁滤层的孔隙率。
由式(2)可知，对于给定处理量的过滤器，其滤层的体积一定，而且滤层孔隙率一般也变化不大，所以，滤层颗粒总比表面积这时主要取决于滤料粒径d，且与d呈反比关系。
4 核桃壳滤料粒径对滤料颗粒与水中悬浮颗粒接触的影响
悬浮颗粒要被滤层截留，须与滤料表面接触。假定某一悬浮颗粒穿过滤层而不被滤层截留，其与滤料颗粒所具有的接触次数称作为悬浮颗粒与滤层可能的接触次数，悬浮颗粒与滤层可能的接触次数越多，被滤层截留的可能性越大。设悬浮颗粒穿过单位滤层与滤层可能的接触次数为f，f与很多因素有关，滤层的比表面积越大，f越大；滤层的孔隙尺寸越小，f越大。此外，f与滤速、温度、悬浮颗粒本身的特性等因素也有关。由于在容积不变的条件下，滤料的比表面积随着滤料粒径的减小而加大，滤层的孔隙尺寸随着滤料粒径的减小而减小，所以，在其它条件不变的情况下，悬浮颗粒与滤层可能的接触次数随着滤料粒径的减小而加大。
二、核桃壳滤料粒径对过滤过程的影响
1 对水流剪力的影响
过滤过程中的水流剪力可简化表示如下式（3）：
τ=k1(μυ/mde)
式中：τ—水流剪力，N；
k1—系数，无量纲；
μ—水的运动粘度，Pa·s；
υ—空床流速，m/s；
m—滤层孔隙率，百分数，无量纲。
从式（3）可以看出，其它条件不变时，水流剪力的大小和滤层孔隙率与孔隙当量直径的乘积成反比，假定滤层的孔隙率不变，则水流剪力τ与孔隙当量直径de关系如图1所示。
水流剪力的大小与滤层孔隙当量直径成反比关系。以τ0和de0分别表示清洁滤层的水流剪力和孔隙尺寸，以τ1和de1分别表示被吸附的悬浮颗粒从核桃壳滤料表面脱附时的水流剪力和孔隙尺寸。当核桃壳滤料颗粒的尺寸较小时，清洁滤层的孔隙尺寸比较小，清洁滤层的水流剪力大。根据反比关系的特点，在de比较小时，de的减小，将引起τ的快速增加，会很快使得τ超过τ1，过滤失效。如果核桃壳滤料尺寸过小，在保持一定的滤速的条件下，可能一开始水流剪力就会超过τ1，过滤不能进行。因此，如果核桃壳滤料的颗粒尺寸较小，清洁滤层的水流剪力大，并且，随着过滤的进行，水流剪力增加很快。
2 对滤层水头损失的影响
核桃壳滤料颗粒尺寸对水头损失的影响比对水流剪力的影响还要大。即：滤料颗粒尺寸小，将使得清洁滤层的水头损失大，而且，随着过滤的进行，滤层的水头损失增加很快，会导致过滤很快终止。
3 对含污层厚度与滤层含污量的影响
核桃壳滤料颗粒尺寸越小，悬浮颗粒可能穿过的滤层深度就越小，从而，滤层含污层厚度就越小，滤层的纳污量也越小。
4 对过滤周期、滤速、产水量的影响
在滤速、水质等条件不变的情况下，核桃壳滤料粒径越小，水流剪力、水头损失增长越快，滤层的含污量越低，过滤周期就越短。如果要求的水头损失一定，核桃壳滤料粒径越小，就要降低滤速。由于滤料粒径越小，滤层的纳污量越低，在进水水质一定的条件下，可过滤的水量越小，也就是产水量越小。
5 对滤后水质的影响
在其它条件一定的情况下，悬浮颗粒被滤层截留的可能性与悬浮颗粒与滤层可能的接触总次数是相关的，因此，在滤层厚度一定的条件下，减小核桃壳滤料粒径，有助于保证滤后水质。
三、核桃壳滤料粒径的选择与滤层厚度的确定
1 核桃壳滤料粒径的选择
由上述讨论可知，从保证滤后水质的角度出发，较小的滤料粒径是有利的。但滤料粒径较小，对提高滤速、延长过滤周期、提高滤层的产水量、减缓水头损失的增长都是不利的。因此波涛小编认为，尽管目前均质大粒径滤料过滤受到关注，但小粒径滤料有它的优点，不能无条件地强调使用大粒径滤料。选择滤料粒径的原则是在保证水质的条件下，尽量选择较大粒径的滤料。采用较大粒径的滤料可能出现滤后水质问题，可以采取适当增加滤层厚度的办法来弥补。就滤层从上至下滤料粒径大小的分布而言，滤料粒径沿水流方向由大趋小比较好，这也是目前一致公认的看法，尽管由于实际工程中这样做还存在一些问题，滤料粒径的这种分布是有它的优势的。这样做有利于悬浮颗粒进入滤层的较深处，并且，由于大部分悬浮颗粒被截留在上部孔隙尺寸比较大的滤层，有利于减缓水头损失的增长。
此外，较小粒径的滤料分布在下层，也有利于保证滤后水质。就滤料的均匀性而言，当所采用的滤料粒径比较小时，过分强调粒径的均匀意义不是很大。因为这种核桃壳滤料在反冲时，表层的滤料粒径小，过滤时，只需表层不太厚的滤层发挥作用。波涛小编认为，所选择的核桃壳滤料平均粒径越小，不均匀系数可以越大，所选择的核桃壳滤料平均粒径越大，不均匀系数要越小。
2 滤层厚度
从前面的讨论可看出，滤层厚度与滤料粒径的关系很大。一般滤料粒径越大，由于单位厚度的滤料与悬浮颗粒可能的接触次数越小，要求滤层的厚度就越大。滤料粒径越小，滤层的厚度可以越小。尽管从理论上讲，采用较大粒径的滤料，可以采取增加滤层厚度的方法来保证滤后水质，但滤料粒径过大，含污层过深，反冲洗困难，并且造成滤罐高度过高，没有多大的实际意义。目前，较大粒径的均匀滤料粒径大多在0.8~1.2mm之间，不均匀系数k80在1.1-1.3之间，滤层厚1m左右。
四、结束语
通过以上的讨论，可得出以下几点看法：
1 较小核桃壳滤料粒径对保证滤后水质有利，但可能导致水流剪力、水头损失增长过快，产生滤层的含污量低、过滤周期短、滤速低、产水量小等问题，一般不利于过滤的进行；
2 在保证滤后水质的条件下，宜选择较大粒径的核桃壳滤料；
3 滤层的厚度随核桃壳滤料粒径的加大而增加；
4 核桃壳滤料的平均粒径越小，不均匀系数可以越大，核桃壳滤料的平均粒径越大，不均匀系数要越小；
5 提高滤层的孔隙率对过滤过程是有利的，但核桃壳粒状滤料的孔隙率在粒径均匀的前提下，主要取决于滤料颗料粒的排列方式，与粒径的关系不大。
