王志華 李鐵陽 許云飛 鄭博文

(東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室)

0 引 言

聚合物驅(qū)油技術(shù)在提高原油采收率的同時，也帶來了產(chǎn)出水特性復(fù)雜、凈化處理難度增大的問題，這種含聚合物的油田采出污水稱之為含聚污水。大慶油田經(jīng)過多年實踐，將含聚污水所含聚合物的質(zhì)量濃度界限定為20 mg/L[1-5]。相比于常規(guī)水驅(qū)采出污水，含聚污水本身黏度升高，其中懸浮固體顆粒粒徑小，油滴的乳化傾向性和穩(wěn)定性強，為含聚污水凈化處理過程中以懸浮固體去除為核心的高效過濾帶來了挑戰(zhàn)[6-8]。

目前，油田基于水驅(qū)采出污水特性及規(guī)模規(guī)劃設(shè)計的“兩級過濾模式”深度處理工藝與運行參數(shù)尚不能適應(yīng)含聚污水水質(zhì)變化的需要。因此，在含聚污水過濾過程中，所選型過濾層濾料的性能好壞就顯得尤為重要，污水過濾中往往要求所選型濾料層應(yīng)具備足夠的機械強度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、外形接近于球狀但表面粗糙有棱角[9-10]。這是因為若機械強度足夠，則可以減輕運行中因顆粒間互相摩擦造成的過度磨損和破碎現(xiàn)象；若其化學(xué)穩(wěn)定性強，則可以降低濾料層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或濾料的板結(jié)概率；若外形不接近于球狀、表面粗糙度低、棱角不顯現(xiàn)，則濾料層的孔隙率小、比表面積小、對粒子的吸附能力有限[11-15]。筆者以石英砂、磁鐵礦、金剛砂及陶瓷等潛在濾料為選型，考慮水質(zhì)特性及濾料層孔隙率、濾料比表面積、濾料球形度等特征參數(shù)，數(shù)值模擬研究了過濾過程不同濾料表面含聚污水中懸浮粒子的聚集、吸附特征，定量表征了懸浮粒子的吸附、截留效果，系統(tǒng)評價了石英砂、磁鐵礦、金剛砂及陶瓷濾料對含聚污水的過濾性能，為過濾濾料層的物理性能要求提供了科學(xué)解釋；同時，對于指導(dǎo)含聚污水提效過濾處理工藝優(yōu)化設(shè)計中濾料的選型與填設(shè)模式構(gòu)建、改善含聚污水凈化處理效果具有重要意義和應(yīng)用價值。

1 模型建立

1.1 物理模型

過濾器基礎(chǔ)物理模型如圖1所示。本文以直徑為4 m的過濾器為原型，對過濾器內(nèi)部進行合理簡化，僅保留出入口結(jié)構(gòu)部件，罐內(nèi)設(shè)有填充的濾料層，且假定各濾料顆粒結(jié)構(gòu)為規(guī)則球形，構(gòu)建過濾器基礎(chǔ)物理模型。

圖1 過濾器基礎(chǔ)物理模型

在濾料表面對懸浮粒子的吸附過程中，濾料粒徑、濾層孔隙率、濾料比表面積及球形度等物理結(jié)構(gòu)特征均對濾料吸附性能具有一定影響。對此，將根據(jù)下式計算圓球顆粒任意排列時的孔隙率，排列方式如圖2所示，進而對不同濾料的濾層內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行三維建模[9,16]。

圖2 圓球顆粒排列方式

(1)

式中：θ為顆粒中心連線平面角的二面角，(°)；?為排列顆粒的孔隙率。

選擇石英砂、磁鐵礦、金剛砂、陶瓷等4種潛在的過濾濾料，其相關(guān)的理化性質(zhì)見表1。

表1 不同濾料的理化性質(zhì)

1.2 數(shù)學(xué)模型

含聚污水過濾過程屬于液固、液液兩相的分離過程，且被分離相以顆粒狀態(tài)存在，因此選用離散相模型[17-18]。同時，考慮到流體在濾層孔隙中流動復(fù)雜多變以及壁面曲率較大的影響，筆者選擇適用于高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大流動的RNGk-ε湍流模型[19-22]。模型質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程分別為：

(2)

(3)

式中：ρ為來水的密度，kg/m3；ux為來水在X方向上的速度，m/s；uy為來水在Y方向上的速度，m/s；uz為來水在Z方向上的速度，m/s；u為來水的速度，m/s；p為流體微元上的壓力，Pa；τxx、τyy和τzz為作用于流體微元上的正應(yīng)力，Pa；τij為作用于流體微元上的切應(yīng)力，Pa；Fx、Fy和Fz為作用于流體微元上的質(zhì)量力，kg/(m2·s2)。

2 數(shù)值計算

2.1 網(wǎng)格剖分

截取過濾器中布水口以下部位對物理模型進行流體域抽取和網(wǎng)格剖分，考慮到濾料顆粒所在區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所劃分網(wǎng)格均為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格[23-24]。該網(wǎng)格模型可區(qū)分為上方布水、中部濾料層及下方集液排水等3個區(qū)域，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖3所示。

圖3 物理模型網(wǎng)格剖分

2.2 邊界條件

在含聚污水過濾過程數(shù)值模擬研究中，對于過濾器物理模型中外壁面邊界設(shè)為靜止壁面；來液給定入口速度，出口邊界采用壓力出口，環(huán)境操作壓力為工況壓力。

2.3 求解計算

考慮4種濾料的理化性質(zhì)及生產(chǎn)運行實際，分別以來水含聚質(zhì)量濃度小于100 mg/L、濾速8 m/h和來水含聚質(zhì)量濃度大于450 mg/L、濾速6 m/h的過濾運行工況進行模擬計算。來水含油量、懸浮固體含量按照含聚污水普通處理工藝水質(zhì)指標(biāo)技術(shù)界限進行取值，來水黏度、懸浮固體粒徑中值及油滴粒徑中值根據(jù)已有室內(nèi)試驗測試結(jié)果進行取值[5]，具體相關(guān)模擬計算參數(shù)見表2。

表2 模擬計算參數(shù)設(shè)置

3 石英砂濾料對懸浮粒子的吸附性能

3.1 懸浮粒子聚集、分布特征

圖4和圖5分別為低、高含聚質(zhì)量濃度污水中懸浮粒子在石英砂濾料表面的吸附特性。

圖4 低含聚質(zhì)量濃度污水石英砂濾料過濾過程懸浮粒子分布

圖5 高含聚質(zhì)量濃度污水石英砂濾料過濾過程懸浮粒子分布

由圖4和圖5可以看出，對于低含聚質(zhì)量濃度污水石英砂濾料過濾，懸浮粒子的吸附主要集中在濾料層上部，其中，以對懸浮固體顆粒的吸附量居多，油滴吸附量顯示較少，但在油滴的被吸附區(qū)域內(nèi)，吸附質(zhì)量則要更大。這是因為油滴自身具有可流動特性，與懸浮固體顆粒相比，更易在濾料表面發(fā)生聚并行為，使得吸附區(qū)域內(nèi)的吸附質(zhì)量顯著增加。對于高含聚質(zhì)量濃度污水石英砂濾料過濾，懸浮粒子呈現(xiàn)與低含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程相似的吸附特征。懸浮粒子的吸附位點均集中在濾料層上部，但受液相黏度升高引起攜帶效應(yīng)和懸浮粒子粒徑變小的影響，濾料層吸附懸浮粒子的難度增加，致使濾料層中的可動性懸浮固體顆粒和流動性油滴數(shù)量明顯增多，吸附量減小，而油滴的碰撞、聚并、附著特征也隨之減弱，這揭示出高含聚質(zhì)量濃度污水過濾對濾料層的吸附與納污能力要求進一步提高。

3.2 懸浮粒子吸附效果

將石英砂濾料層自上至下分成若干截面，利用面積加權(quán)平均法求解獲取過濾結(jié)束時,各截面上被濾料層表面所吸附懸浮粒子的總質(zhì)量，繪制如圖6所示的石英砂濾料過濾過程中所吸附的懸浮粒子質(zhì)量隨濾料層深度變化的曲線。

圖6 石英砂濾料過濾過程濾料表面吸附懸浮粒子量分布

由圖6可以看出，對于懸浮粒子含量相同的來水，隨著濾料層深度的增加，低、高含聚質(zhì)量濃度污水被吸附懸浮粒子質(zhì)量均不斷減小。但相比之下，低含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程中的懸浮粒子吸附量居高，在0.3 m濾料層深度以上，吸附量較高含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程平均高出41.07%。這是因為，污水含聚質(zhì)量濃度升高，使得懸浮粒子粒徑變小和對粒子的攜帶效應(yīng)增強，增加了吸附難度，使得高含聚質(zhì)量濃度污水過濾時的吸附效果較差，這也與不同含聚質(zhì)量濃度污水在石英砂濾料過濾過程的懸浮粒子分布特征相符合。

4 磁鐵礦濾料對懸浮粒子的吸附性能

4.1 懸浮粒子聚集、分布特征

圖7和圖8分別為低、高含聚質(zhì)量濃度污水中懸浮粒子在磁鐵礦濾料表面的吸附特性。從圖7和圖8可以看出，對于低含聚質(zhì)量濃度污水磁鐵礦濾料過濾，磁鐵礦濾料層對懸浮固體顆粒的吸附量明顯居高，且與石英砂濾料過濾相比，懸浮固體顆粒的吸附量更多、吸附位點分布更廣，遍布于整個濾料層，但是油滴的分布顯示出其被濾料層吸附的概率進一步減小，濾料層中可流動性油滴顯著增多。分析認為，磁鐵礦濾料與其他濾料相比，粒徑小、比表面積大，由此創(chuàng)設(shè)了懸浮固體顆粒能被大量吸附的概率及位點。而相反，對于油滴，在相同過濾壓差、相同過濾速度下，磁鐵礦濾料層孔隙尺寸減小，使得過濾流在單個孔隙中的速度相對增大，這便增加了油滴在濾料表面的附著、聚并難度。對于高含聚質(zhì)量濃度污水磁鐵礦濾料過濾，在濾料層孔隙較大過濾流速和水相攜帶效應(yīng)的協(xié)同作用下，油滴被吸附量明顯減少，相應(yīng)地，懸浮固體顆粒的吸附更集中于濾料層上部，且懸浮固體顆粒在重力、慣性力及水動力等多重作用下,向濾料顆粒表面遷移的過程中發(fā)生明顯聚集，以聚集吸附特征吸附于濾料層上部，說明磁鐵礦濾料對懸浮粒子具備較高的吸附性能。

圖7 低含聚質(zhì)量濃度污水磁鐵礦濾料過濾過程懸浮粒子分布

圖8 高含聚質(zhì)量濃度污水磁鐵礦濾料過濾過程懸浮粒子分布

4.2 懸浮粒子吸附效果

同樣，繪制如圖9所示的磁鐵礦濾料過濾過程中所吸附的懸浮粒子質(zhì)量隨濾料層深度變化的曲線。

圖9 磁鐵礦濾料過濾過程濾料表面吸附懸浮粒子量分布

從圖9可以看出，與石英砂濾料層相似，在0.2 m濾料層深度以下，低含聚質(zhì)量濃度污水過濾時的吸附量要高出高含聚質(zhì)量濃度污水4倍左右。不過，在0.2 m濾料層深度以上，高含聚質(zhì)量濃度污水過濾時的懸浮粒子吸附量反而更高，占其本身吸附總量的73.56%。這說明在高含聚質(zhì)量濃度過濾時，被吸附的懸浮粒子主要聚集在濾料層上部。這也揭示出盡管含聚質(zhì)量濃度升高，磁鐵礦濾料的吸附性能也下降，但磁鐵礦濾料對于高含聚質(zhì)量濃度污水懸浮粒子的前期吸附更高效。

5 金剛砂濾料對懸浮粒子的吸附性能

5.1 懸浮粒子聚集、分布特征

圖10和圖11分別為低、高含聚質(zhì)量濃度污水中懸浮粒子在金剛砂濾料表面的吸附特性。

從圖10和圖11可以看出，對于低含聚質(zhì)量濃度污水金剛砂濾料過濾，對懸浮固體顆粒的吸附與磁鐵礦濾料過濾過程具有相似特征，其吸附量均要明顯高于油滴吸附量，且具有較廣的吸附位點，而對油滴的吸附效果則要略好于磁鐵礦濾料的吸附效果。這是因為，受金剛砂濾料結(jié)構(gòu)特性的影響，其濾料層孔隙尺寸要高于磁鐵礦濾料，一定程度上降低了對濾料表面懸浮粒子造成的脫落效應(yīng)，所以使得油滴的分布表現(xiàn)出了較廣的吸附位點，對油滴的吸附效果有所改善。金剛砂濾料對高含聚質(zhì)量濃度污水中懸浮固體顆粒及油滴的前期吸附具有高效吸附特性。

圖10 低含聚質(zhì)量濃度污水金剛砂濾料過濾過程懸浮粒子分布

5.2 懸浮粒子吸附效果

圖12為金剛砂濾料過濾過程中所吸附的懸浮粒子質(zhì)量隨濾料層深度變化曲線。

圖12 金剛砂濾料過濾過程濾料表面吸附懸浮粒子量分布

從圖12可以看出，金剛砂濾料表面的懸浮粒子吸附質(zhì)量變化規(guī)律與磁鐵礦濾料具有相似的特征。但在0.2 m濾料層深度以下，低含聚質(zhì)量濃度污水過濾的懸浮粒子吸附量則是高含聚質(zhì)量濃度污水過濾吸附量的2倍，要低于相同濾料層過濾深度范圍的磁鐵礦濾料。這也表明在高含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程中，金剛砂濾料的前期吸附效果要低于磁鐵礦濾料。

6 陶瓷濾料對懸浮粒子的吸附性能

6.1 懸浮粒子聚集、分布特征

圖13和圖14分別為低、高含聚質(zhì)量濃度污水陶瓷濾料過濾過程懸浮粒子分布。從圖13和圖14可以看出，對于低含聚質(zhì)量濃度污水陶瓷濾料過濾，其懸浮粒子分布特征與磁鐵礦濾料過濾過程相似，但一方面由于陶瓷濾料粒徑較大、濾料比表面積較小;另一方面由于陶瓷濾料表面微孔發(fā)達、易于懸浮粒子附著，共同作用下使得陶瓷濾料在與磁鐵礦濾料具有相同的過濾條件時，表現(xiàn)出對懸浮固體顆粒吸附顯少和對油滴吸附量略多的吸附效果。對于高含聚質(zhì)量濃度污水陶瓷濾料過濾，受懸浮粒子聚集特性的影響，懸浮固體顆粒和油滴在被吸附區(qū)域內(nèi)的吸附質(zhì)量增大，但濾料層中的可動性懸浮固體顆粒和流動性油滴數(shù)量也明顯增多。這是因為，盡管陶瓷濾料的表面微孔結(jié)構(gòu)有利于懸浮粒子吸附，但含聚質(zhì)量濃度的升高使得污水體系黏度上升，對懸浮粒子的攜帶效應(yīng)增加了其自身的吸附難度，表現(xiàn)出在懸浮固體顆粒及油滴的吸附性能方面均下降。

圖13 低含聚質(zhì)量濃度污水陶瓷濾料過濾過程懸浮粒子分布

圖14 高含聚質(zhì)量濃度污水陶瓷濾料過濾過程懸浮粒子分布

6.2 懸浮粒子吸附效果

圖15所示為陶瓷濾料過濾過程中所吸附的懸浮粒子質(zhì)量隨濾料層深度變化的曲線。

圖15 陶瓷濾料過濾過程濾料表面吸附懸浮粒子量分布

從圖15可以看出，在0.2 m濾料層深度以下，相比于磁鐵礦濾料和金剛砂濾料過濾，陶瓷濾料在高、低含聚質(zhì)量濃度污水過濾時的被吸附量相差較小。表明含聚質(zhì)量濃度升高對陶瓷濾料過濾污水的影響較小，也反映出了陶瓷濾料具有較強的吸附和納污能力。

7 不同濾料對過濾過程的定量表征

7.1 吸附性能

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對比相同含聚質(zhì)量濃度、不同濾料類型時的含聚污水過濾性能，如圖16和圖17所示。

圖16 低含聚質(zhì)量濃度污水過濾濾料表面吸附懸浮粒子量分布

圖17 高含聚質(zhì)量濃度污水過濾濾料表面吸附懸浮粒子量分布

從圖16可以看出：當(dāng)含聚質(zhì)量濃度較低時，在0.2 m濾料層以上，以石英砂濾料層中懸浮粒子吸附量居高；而對于0.2 m濾料層以下，磁鐵礦濾料層對懸浮粒子的吸附量最多，石英砂濾料最少。這是因為石英砂濾料粒徑大、孔隙寬，相同來水時孔隙內(nèi)流速較緩，從而在過濾初期對大粒徑懸浮物粒子更易優(yōu)先吸附，表現(xiàn)出較好的吸附效果；而隨著過濾的進行，石英砂濾料受小比表面積和表面棱角較為光滑的影響，對后續(xù)小粒徑懸浮粒子吸附效果不佳。所以，粒徑小、比表面積大的磁鐵礦濾料便具有對后續(xù)小粒徑懸浮粒子優(yōu)先吸附的優(yōu)勢，并且粒徑最小的磁鐵礦濾料必然具有更強的懸浮粒子截留能力。也就是說，相比之下磁鐵礦濾料的過濾性能最優(yōu)。

由圖17可以看出：當(dāng)含聚質(zhì)量濃度升高時，污水中懸浮粒子的被吸附難度增加，且懸浮粒子粒徑變小，致使石英砂濾料優(yōu)先吸附的優(yōu)勢不再明顯；同時，陶瓷濾料雖然比表面積小于金剛砂濾料和磁鐵礦濾料，但由于其表面微孔較多，所以使得其吸附性能與金剛砂濾料相當(dāng)，甚至更好；而比表面積略大于金剛砂濾料、表面棱角又較為明顯的磁鐵礦濾料，便凸顯出更優(yōu)的吸附性能。因此，基于對4種濾料的吸附性能從高到低進行排序，依次為：磁鐵礦>陶瓷>金剛砂>石英砂。

7.2 過濾效果

分別提取低、高含聚質(zhì)量濃度污水過濾時出口粒子質(zhì)量，建立過濾處理量與出水中懸浮粒子質(zhì)量濃度的關(guān)系，如圖18和圖19所示。

圖18 低含聚質(zhì)量濃度污水不同濾料過濾處理效果

圖19 高含聚質(zhì)量濃度污水不同濾料過濾處理效果

基于不同濾料對含聚污水過濾效果的定量表征，對4種濾料的過濾效果從高到低進行排序，依次為：磁鐵礦>金剛砂>陶瓷>石英砂。

顯然，基于吸附性能描述的濾料排序與基于過濾效果定量的濾料排序并不完全一致，這是因為含聚污水過濾效果并不是濾料層吸附懸浮粒子的唯一貢獻。也就是說除了濾料層對懸浮物粒子的吸附外，濾料層還會在吸附帶來比表面積改變、棱角變化等作用下發(fā)揮機械截留效應(yīng)，進一步除污。前者可定義為吸附效果，后者可定義為包含吸附效果在內(nèi)的過濾效果。

為此，以來水懸浮粒子總質(zhì)量為基準(zhǔn)，對粒子軌跡進行追蹤，獲取濾料層表面吸附粒子的總質(zhì)量，計算濾料對懸浮粒子的吸附效果：

(4)

設(shè)置過濾器模型出口粒子為逃逸，結(jié)合對出口粒子質(zhì)量的提取，計算過濾效果：

(5)

式中：ηa為吸附效果，%；ηf為過濾效果，%；N0為過濾一定時段內(nèi)來水懸浮粒子總質(zhì)量，kg；Na為過濾一定時段內(nèi)濾料層表面吸附懸浮粒子總質(zhì)量，kg；Ne為過濾一定時段內(nèi)出口流出懸浮粒子的總質(zhì)量，kg。

表3為4種不同濾料對低、高含聚質(zhì)量濃度污水中懸浮粒子吸附效果和過濾效果的計算結(jié)果。

表3 不同濾料對懸浮粒子的吸附、過濾效果

由表3可知：對低、高含聚質(zhì)量濃度污水，均以磁鐵礦濾料的吸附效果和過濾效果最優(yōu)，表現(xiàn)出的截污性能最好；而石英砂濾料的吸附效果和過濾效果則最差，截污能力最小，且對于不同含聚質(zhì)量濃度污水，石英砂濾料與磁鐵礦濾料的過濾效果相差7.56%～11.25%；而陶瓷濾料因其表面微孔發(fā)達，易于懸浮物粒子吸附，吸附效果則要高于金剛砂濾料；因金剛砂濾料的粒徑小，截污能力強，最終過濾效果則要略高出陶瓷濾料1.5%左右。

同時，在一定的過濾時段內(nèi)，不同濾料對高含聚污水(含聚質(zhì)量濃度>450 mg/L)中懸浮物粒子的吸附、過濾效果高于對低含聚污水(含聚質(zhì)量濃度<100 mg/L)中懸浮物粒子的吸附、過濾效果。這是因為污水含聚質(zhì)量濃度高、粒子尺寸小、被吸附概率大，而此時濾料層的吸附作用占據(jù)主導(dǎo)，且濾層吸附性能又是最佳時段，所以帶來初期過濾時段內(nèi)過濾效果的提升，然而，隨著過濾時間的延長，這種吸附帶來的過濾壓差增大及二次污染不斷體現(xiàn)，導(dǎo)致高含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程中吸附、過濾效果下降。

8 結(jié) 論

(1)含聚污水過濾處理效果并不僅僅決定于濾料層對懸浮粒子的吸附，還會帶來由于比表面積改變、棱角變化而產(chǎn)生的機械截留效應(yīng)，在過濾工藝優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮濾料本身吸附性能、納污能力及過濾水質(zhì)特性，以保障含聚污水過濾效果。

(2)以磁鐵礦為代表的小粒徑、大比表面積、棱角明顯、表面微孔較多的濾料，對含聚污水中懸浮粒子的截留能力強，吸附、過濾性能最優(yōu)；以石英砂為代表的大粒徑、小比表面積濾料，截污性能相對較弱，吸附、過濾效果相對低一些，但其納污能力較強，在一定程度上能夠緩解過濾壓差的增大及二次污染對過濾出水水質(zhì)的影響。

(3)受含聚質(zhì)量濃度升高而帶來污水黏度增大的影響，高含聚質(zhì)量濃度污水在過濾過程中，對懸浮粒子的攜帶效應(yīng)增強，對于相同粒徑的油滴和懸浮固體顆粒，其過濾效果要低于低含聚質(zhì)量濃度污水過濾過程。