濾料級(jí)配過(guò)濾含聚污水?dāng)?shù)值模擬研究

蔣鴻建

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)

0 引 言

含聚污水深度處理效率的提高和回注水質(zhì)控制,在油田水資源利用與處理中至關(guān)重要。一方面,改善污水回注水質(zhì)、提高回注水利用效率,可為油田節(jié)省大量寶貴清水資源,增加技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1-3];另一方面,深度處理復(fù)雜污水,可有效控制污水外排及回注過(guò)程中的設(shè)施污染與生態(tài)破壞。有助于持續(xù)貫徹低碳綠色油田可持續(xù)開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略[4-5]。

目前,在油田聚合物驅(qū)采出污水地面配套處理工程中,多介質(zhì)濾料級(jí)配過(guò)濾深度處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,以提高油滴和懸浮固體顆粒分離效率。以大慶油田為例,已形成以自然沉降、混凝沉降與過(guò)濾分離為主體的工藝運(yùn)行模式[5-6],為聚合物驅(qū)工藝技術(shù)的優(yōu)化提效提供了有力保障。然而,在濾料級(jí)配對(duì)含聚污水過(guò)濾處理過(guò)程中,由于含聚污水水質(zhì)體系復(fù)雜,尤其當(dāng)采出污水中含有穩(wěn)定乳化油珠和懸浮固體顆粒的不同濃度聚合物時(shí),污水處理難度進(jìn)一步增大[7-9]。雖然油田通過(guò)改變填設(shè)濾料級(jí)配比例的方式在一定程度上可改善含聚污水過(guò)濾性能,但這種由級(jí)配填設(shè)模式改變引起的濾料層結(jié)構(gòu)變化、污水含聚濃度升高帶來(lái)的水質(zhì)變化,對(duì)污水過(guò)濾性能的影響及規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍較為缺乏。本文基于懸浮粒子(包含懸浮固體顆粒和油滴)吸附、截留形成的聚集特征,針對(duì)以應(yīng)用石英砂濾料和磁鐵礦濾料為主的污水處理站的礦場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際,定量研究濾料級(jí)配情況對(duì)污水過(guò)濾效果的影響,揭示濾料級(jí)配對(duì)不同含聚濃度污水過(guò)濾處理的適應(yīng)性,旨在為含聚污水深度處理的提質(zhì)提效提供支持。

1 模型建立及數(shù)值計(jì)算

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

結(jié)合礦場(chǎng)污水處理站實(shí)際,以承托層為礫石墊料、濾料層為磁鐵礦濾料和石英砂濾料的Φ4 m規(guī)格壓力式過(guò)濾罐為原型,建立如圖1所示的含聚污水級(jí)配過(guò)濾工藝簡(jiǎn)化物理模型。該模型過(guò)濾罐高度為5 000 mm,填設(shè)濾料層厚度為800 mm,填充粒徑規(guī)格為0.40 mm的磁鐵礦濾料和0.60 mm的石英砂濾料。對(duì)于不同級(jí)配模式,根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾處理經(jīng)驗(yàn),以磁鐵礦濾料層厚度和石英砂濾料層厚度相同的級(jí)配模式為基礎(chǔ),將磁鐵礦濾料層厚度以等厚度值依次累加,進(jìn)而確定出填充高度比(磁鐵礦濾料層厚度與石英砂濾料層厚度之比)分別為1.00,1.28,1.67和2.20的4種不同濾料級(jí)配模式,并開(kāi)展濾料級(jí)配過(guò)濾含聚污水?dāng)?shù)值模擬研究。

圖1 雙層級(jí)配過(guò)濾工藝簡(jiǎn)化物理模型

在模型建立過(guò)程中,考慮到過(guò)濾罐濾料層屬于均勻的圓球顆粒構(gòu)成的濾床[10],以及濾料層區(qū)域不同濾料級(jí)配的過(guò)濾特性,引入Fluent軟件中的多孔介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬[5,11]。同時(shí)考慮物理模型結(jié)構(gòu)特征,以六面體單元與四面體單元進(jìn)行三維模型網(wǎng)格劃分[12](圖2),針對(duì)濾料層區(qū)域,根據(jù)不同的級(jí)配填充高度比例,可劃分相應(yīng)不同的濾料層區(qū)域網(wǎng)格模型。

圖2 物理模型網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮含聚污水過(guò)濾過(guò)程湍流流動(dòng)特性,對(duì)于湍流模型,可選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行模擬[11-12]。同時(shí),引入多孔介質(zhì)模型作用于濾料層區(qū)域,方便對(duì)通過(guò)其中的流體進(jìn)行清晰、準(zhǔn)確地表征流動(dòng)特性。多相流模型則選用DPM(Discrete Phase Model)模型進(jìn)行模擬含聚污水中所含油滴及懸浮固體顆粒的運(yùn)動(dòng)與過(guò)濾特征[5]。關(guān)于流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量守恒方程見(jiàn)式(1)、動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式(2)。

(1)

(2)

式中:ρ為來(lái)水的密度,kg/m3;u為來(lái)水在x方向上的速度,m/s;v為來(lái)水在y方向上的速度,m/s;w為來(lái)水在z方向上的速度,m/s;Sm為從分散的二級(jí)相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量,kg;u為來(lái)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;τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy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(包含了其他的模型相關(guān)源項(xiàng)),kg/(m2·s2)。

1.3 求解計(jì)算

以含聚污水一次過(guò)濾后、二次過(guò)濾前為節(jié)點(diǎn),選取含聚濃度分別為186.4,346.9,521.5 mg/L的低、中、高三種含聚濃度代表性含聚污水,進(jìn)行二次含聚污水深度過(guò)濾模擬。其中,來(lái)水油滴和懸浮固體顆粒含量可按照含聚污水普通處理工藝水質(zhì)指標(biāo)技術(shù)界限(含量≤20 mg/L)進(jìn)行取值,來(lái)水黏度、懸浮固體粒徑中值及油滴粒徑中值則根據(jù)室內(nèi)已有實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果參考取值[6],具體模擬工況方案及計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬工況及計(jì)算參數(shù)

2 懸浮粒子吸附與截留過(guò)程的適應(yīng)性分析

2.1 濾料填充高度比為2.20級(jí)配模式時(shí)懸浮粒子的吸附與截留

過(guò)濾運(yùn)行穩(wěn)定后,提取濾料填充高度比為2.20級(jí)配模式時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮固體顆粒、油滴的分布情況,構(gòu)建如圖3所示的懸浮粒子聚集分布特征云圖。

圖3 濾料填充高度比為2.20時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布

由圖3可以看出,在濾料層上方區(qū)域,來(lái)水中的懸浮固體顆粒和油滴均呈游離狀態(tài),且隨著來(lái)水含聚濃度的增加,這些游離狀態(tài)的懸浮固體顆粒和油滴數(shù)量均增加,其中以油滴居多。這是因?yàn)橄啾扔趹腋」腆w顆粒,油滴因自身密度小易于浮升,更易游離于濾料層上方區(qū)域。對(duì)于濾料層區(qū)域,粒徑較大的懸浮固體顆粒和油滴優(yōu)先被過(guò)濾,聚集于其上部;粒徑較小的則不斷聚集于其下部(濾料層深部),尤其隨著來(lái)水含聚濃度的升高,濾料層深部不斷聚集粒徑更小的懸浮粒子,該現(xiàn)象與含聚污水的水質(zhì)特性相符合。對(duì)于這些聚集的懸浮粒子,因?yàn)楹畚鬯畬?duì)懸浮固體顆粒與油滴不同的攜帶能力和粒徑變化的綜合影響,在含聚濃度較低時(shí)以油滴數(shù)量明顯居多,流出濾料層的粒子數(shù)量要少于懸浮固體顆粒;在含聚濃度較高時(shí)聚集的懸浮固體顆粒則與油滴數(shù)量相當(dāng),甚至多于油滴。

以濾料層底部邊界所在位置為起點(diǎn),沿軸線方向豎直向下1 m處為終點(diǎn),在該范圍內(nèi)截取若干水平平面,過(guò)濾工況穩(wěn)定后,某一時(shí)刻這些平面內(nèi)懸浮粒子質(zhì)量濃度的變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 濾料填充高度比2.20時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾某一時(shí)刻濾料層下方懸浮粒子質(zhì)量濃度變化

由圖4可以看出,在2.20的濾料填充高度比下,懸浮粒子在經(jīng)濾料層吸附與截留后,隨著含聚濃度升高,濾料層下方污水中懸浮粒子濃度亦隨之增加,在含聚濃度從186.4 mg/L上升到521.5 mg/L時(shí),懸浮粒子平均含量增加了近43.71%,這也體現(xiàn)出級(jí)配濾料層對(duì)懸浮粒子吸附與截留難度的進(jìn)一步增加。

2.2 濾料填充高度比為1.67級(jí)配模式時(shí)懸浮粒子的吸附與截留

濾料填充高度比為1.67時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布如圖5所示。

圖5 濾料填充高度比為1.67時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布

由圖5可以看出,在該級(jí)配模式過(guò)濾過(guò)程中,懸浮粒子的分布特征與2.20級(jí)配模式時(shí)相當(dāng),但對(duì)于含聚濃度相同的來(lái)水,在1.67級(jí)配模式時(shí),濾料層深部聚集懸浮固體顆粒及油滴的粒徑更小。也就是說(shuō),與級(jí)配模式為2.20相比,在級(jí)配模式為1.67的過(guò)濾過(guò)程中,更多較大粒徑的懸浮粒子能被吸附、截留在濾料層上部,這是因?yàn)樘畛涓叨缺葴p小帶來(lái)石英砂濾料層填設(shè)厚度的增加,使較大尺寸的濾層孔隙空間有所增多,懸浮粒子被流體施加的剪切作用降低,從而在一定程度上促進(jìn)懸浮粒子被集中聚集、吸附,且這種聚集特征也利于過(guò)濾性能的改善。

同上,繪制如圖6所示的填充高度比為1.67時(shí)懸浮粒子質(zhì)量濃度變化曲線,可以看出,隨著含聚濃度的升高,懸浮粒子質(zhì)量濃度隨之增加,但在含聚濃度從186.4 mg/L上升到521.5 mg/L時(shí),平均懸浮粒子含量約增加了38.23%,增幅小于2.20的濾料填充高度比,這亦顯示,在1.67的濾料填充高度比下,對(duì)于不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程,級(jí)配濾料層對(duì)懸浮粒子的吸附、截留性能更為穩(wěn)定,表現(xiàn)出更優(yōu)的過(guò)濾能力,這也與其懸浮粒子聚集分布特征相一致。

圖6 濾料填充高度比為1.67時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾某一時(shí)刻濾料層下方懸浮粒子質(zhì)量濃度變化

2.3 濾料填充高度比為1.28級(jí)配模式時(shí)懸浮粒子的吸附與截留

圖7為濾料填充高度比1.28時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布。

圖7 濾料填充高度比為1.28時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布

由圖7可以看出,不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程中懸浮粒子的分布特征與濾料填充高度比為2.20,1.67時(shí)相似。但在濾料層深部,相同含聚濃度污水過(guò)濾時(shí),填充高度比為1.28的級(jí)配模式聚集懸浮固體顆粒與油滴粒徑均要大于前兩種級(jí)配模式,尤其是以高含聚濃度污水過(guò)濾時(shí)較為明顯,也就是說(shuō),雖然濾料層中石英砂厚度的增大比較有助于懸浮粒子的聚集,但對(duì)小粒徑懸浮粒子的過(guò)濾能力反而下降,使小粒徑懸浮粒子未能被濾料層有效的吸附、截留而保留在出水中。

填充高度比為1.28時(shí)懸浮粒子質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖8?？梢钥闯?在該濾料填充高度比下,懸浮粒子質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)與上述兩種級(jí)配模式相同,但相比之下,曲線波動(dòng)程度更為顯著。在含聚濃度從186.4 mg/L上升到521.5 mg/L時(shí),懸浮粒子平均含量約增加了43.85%。表明在該級(jí)配模式下,較多大粒徑懸浮粒子可能被帶出濾料層,使濾料層對(duì)懸浮粒子的吸附、截留性能的穩(wěn)定性有所下降。

圖8 濾料填充高度比為1.28時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾某一時(shí)刻濾料層下方懸浮粒子質(zhì)量濃度變化

2.4 濾料填充高度比為1.00級(jí)配模式時(shí)懸浮粒子的吸附與截留

濾料填充高度比1.00時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布見(jiàn)圖9。

圖9 濾料填充高度比為1.00時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子分布

由圖9可以看出,懸浮粒子分布特征同樣相似于上述其他幾種級(jí)配模式。但對(duì)于相同含聚濃度來(lái)水,在1.00的濾料填充高度比下,濾料層中部聚集油滴、深部聚集懸浮固體顆粒的粒徑均顯著變大,這揭示出,相比于其他級(jí)配模式,小粒徑懸浮粒子在該級(jí)配濾料層中的吸附與截留特征削弱,降低了污水過(guò)濾性能,特別在含聚濃度較高時(shí),過(guò)濾罐集水區(qū)域也明顯體現(xiàn)出懸浮粒子數(shù)量增多的現(xiàn)象。

填充高度比1.00時(shí)懸浮粒子質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖10。可以看出,在該濾料填充高度比下,懸浮粒子質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)同樣與上述幾種級(jí)配模式相同。在含聚濃度從186.4 mg/L上升到521.5 mg/L時(shí),平均懸浮粒子含量增加了46.79%。且在高含聚濃度污水過(guò)濾時(shí),懸浮粒子質(zhì)量濃度普遍大于或約等于12 mg/L,遠(yuǎn)高于其他級(jí)配模式的懸浮粒子質(zhì)量濃度,表明在填充高度比為1.00的級(jí)配過(guò)濾模式下,濾料層對(duì)懸浮粒子的吸附與截留性能受污水含聚濃度的影響更為顯著,對(duì)懸浮粒子的過(guò)濾能力降低。

圖10 濾料填充高度比為1.00時(shí)不同含聚濃度污水過(guò)濾某一時(shí)刻濾料層下方懸浮粒子質(zhì)量濃度變化

3 含聚污水過(guò)濾出水水質(zhì)特性

針對(duì)整個(gè)污水過(guò)濾過(guò)程,以來(lái)水懸浮粒子總含量為基準(zhǔn),在過(guò)濾罐出口邊界建立采樣平面,統(tǒng)計(jì)過(guò)濾過(guò)程中通過(guò)該平面的懸浮固體顆粒與油滴,并據(jù)式(3)分別計(jì)算懸浮固體顆粒和油滴的去除率。

(3)

式中:ηf為懸浮固體顆?；蛴偷蔚娜コ?%;n0為來(lái)水中懸浮固體顆?；蛴偷蔚臐舛?mg/L;c為總來(lái)水量,L;Vfi為通過(guò)采樣平面的某一懸浮固體顆?；蛴偷蔚捏w積,m3;i為通過(guò)采樣平面的懸浮固體顆粒或油滴數(shù)量,個(gè);ρ為懸浮固體顆?；蛴偷蔚拿芏?kg/m3。

基于數(shù)值模擬結(jié)果,計(jì)算不同含聚濃度污水級(jí)配過(guò)濾出水水質(zhì)指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同含聚濃度污水級(jí)配過(guò)濾出水水質(zhì)指標(biāo)

分析表2可知:

1)對(duì)于懸浮粒子含量相同的來(lái)水,隨著含聚濃度升高,不同級(jí)配模式濾料層過(guò)濾出水懸浮固體顆粒含量和油滴量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),懸浮粒子去除率減小。濾料層填充高度比的增大對(duì)過(guò)濾效果的改善具有積極作用,但未呈正相關(guān)性。

2)在4種填充高度比級(jí)配模式下,隨著來(lái)水含聚濃度的升高,由于污水中乳化油滴本身粒徑的變小及含聚攜帶效應(yīng)帶來(lái)濾料層中聚集效應(yīng)的削弱,油滴去除率的減小幅度要大于懸浮固體顆粒去除率的減小幅度,平均為懸浮固體顆粒的2.5倍左右。

3)在含聚濃度為186.4,346.9 mg/L時(shí),以填充高度比1.28以上的級(jí)配模式過(guò)濾,均可使過(guò)濾后出水懸浮固體顆粒含量和油滴含量低于5 mg/L。其中,隨著含聚濃度的從186.4 mg/L升高至346.9 mg/L,出水中懸浮固體顆粒含量和油滴含量最低的級(jí)配過(guò)濾模式由填充高度比2.20轉(zhuǎn)變?yōu)樘畛涓叨缺?.67,在兩種含聚濃度污水過(guò)濾過(guò)程中,綜合要以1.67級(jí)配模式的懸浮粒子吸附與截留效果好于填充高度比為2.20時(shí)。

4)在含聚濃度521.5 mg/L時(shí),以1.67,2.20濾料填充高度比的級(jí)配模式過(guò)濾,均可使過(guò)濾后出水懸浮固體顆粒和油滴含量低于(或約等于)5 mg/L,但普遍以濾料填充高度比為1.67級(jí)配模式時(shí)的出水懸浮固體顆粒和油滴含量最低,分別為4.86 mg/L和4.92 mg/L,懸浮固體顆粒和油滴去除率平均為51.1%,表現(xiàn)出對(duì)懸浮粒子更優(yōu)的吸附與截留能力。

4 結(jié) 論

綜上不同含聚濃度污水濾料級(jí)配過(guò)濾過(guò)程懸浮粒子的吸附、截留及過(guò)濾出水水質(zhì)特性認(rèn)為:

1)以磁鐵礦濾料層填設(shè)厚度更大的級(jí)配模式過(guò)濾時(shí),對(duì)更小粒徑懸浮粒子的吸附與截留能力更強(qiáng),可有效去除污水中的懸浮粒子,但這種能力并不與填充高度比的增加呈正相關(guān),在濾料填充高度比與污水含聚濃度變化之間存在一定的適配性。

2)污水含聚濃度變化對(duì)以乳化性質(zhì)存在的油滴吸附與截留程度影響更大,隨著含聚濃度的升高,濾料層對(duì)油滴過(guò)濾能力的削弱顯著高于懸浮固體顆粒。

3)對(duì)含聚濃度較低的污水,推薦以1.28以上磁鐵礦濾料厚度較大的級(jí)配模式過(guò)濾;對(duì)含聚濃度較高污水,推薦以1.67以上磁鐵礦濾料厚度較小的級(jí)配模式過(guò)濾。以上推薦級(jí)配模式均可以使出水懸浮固體顆粒與油滴含量低于或約等于5 mg/L,滿足大慶油田含聚污水二級(jí)過(guò)濾出水回注水質(zhì)指標(biāo)要求。