油田含油污水的污泥沉降及油液上浮模型

王 妍 曹柏寒 Sam REIFSNYDER 高 胜 Diego ROSSO

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.加利福尼亚大学欧文分校土木与环境工程系）

注水注聚采油是我国油田开发的主要方式，这使得采出液中含有大量的颗粒物、油液及化学药剂等［1］。油田污水处理就是将转油站、脱水站和联合站处理后的含油污水通过沉降、过滤等手段净化处理，以达到水质指标的要求，回注地下再利用［2］。显然，其处理效果直接影响到油田的开采和环境保护［3］。开展含油污水沉降机理研究，建立污水全系统沉降模型并进行模拟分析，将揭示污水处理的过程和规律，对提高油田污水处理效果意义重大。

目前，国内对于沉降系统的研究，主要是通过流场分析的方法优化沉降系统的结构工艺来达到一定的净化效果。 李杏杏利用数值模拟、流场实验等方式的结合，优化改进了混凝沉降罐的内部结构［4］。韩海仓等利用Fluent对沉降罐内配液管不同开孔方式的流场进行研究，分析沉降罐的油水分离效果［5］。 虽然沉降系统的研究取得了一定的进展和效果，但学者们大多将城市污水的沉降理论和分析方法转用于含油污水，没有针对含油的特殊性研究油液的上浮机理，更鲜有建立系统整体的数学模型进行模拟，整个含油污水的精确建模和模拟研究仍远落后于其他领域。 笔者通过与美国加利福尼亚大学欧文分校城市水研究中心合作， 首次将Takacs沉降模型改进用于油液上浮的模拟， 力求建立完善的系统整体沉降模型，并结合现场和实验数据，深入分析仿真结果，验证模型对污水净化的描述性。

1 模型依据

1.1 模型应用依据

沉降是油田含油污水处理的首要环节，核心为重力沉降［6］。 Takacs模型是重力沉降的经典模型，可用于模拟在稳态或动态下污水中各物质的分布和沉降速度［7，8］。含油污水的沉降过程总体上为基本稳态， 故Takacs模型对此具有适应性［9，10］。但由于油田污水含油的特殊性，悬浮固体沉降与油液上浮同时发生， 两者独立进行又彼此干涉，而油田中除油率和除悬率是评价净化效果的两个重要指标。 显然，建立油液上浮的数学模型，并考虑物质间的彼此耦合和层间耦合特性，从整体上描述含油污水沉降过程和效果很有必要。

1.2 沉降系统的离散化

如图1所示，按照经验和实际沉降系统工况，将沉降罐划分为10层，第3层为进水口层，第1、7、10层分别为收油层、出水口层和污泥层，水流速度可根据各流量和沉降罐截面积计算得出。 污水流入后，分别向上和向下流动。 对于任一层，接受着上一层下沉的悬浮固体和下一层上升的油液的同时，本层中的悬浮固体也向下一层沉降且油液向上一层上升。 层与层间存在紧密的耦合关系（图2），在各层阈值浓度Xt干涉下，可以通过各层的通量J来描述，J是各物质的浓度和速度的函数。

图1 沉降罐离散化示意图

图2 模型层间耦合关系

2 模型建立

2.1 污泥沉降模型

2.2 油液上浮模型

油田含油污水有毒有害，不易降解且含油率高，将影响水质稳定剂的正常使用，阻止空气中的氧溶解于水，因此除油率亦是评价污水处理效果的重要参数。 油液的净化过程与悬浮固体的重力沉降刚好相反，一直处于上浮状态且具有聚合性——油液在上浮过程中，不同粒径的油滴不断发生碰撞和融合，使其粒径不断改变，致使上浮速度和扩散通量发生变化。 因此，必须综合考虑以上因素，才能建立准确的数学模型，描述油液的运动规律和耦合特性。

由于上浮和沉降的原理相似， 笔者仍将Takacs模型作为油液上浮模拟的基础， 在此前提下，改进Takacs模型，需引入油液聚集速度vc和油液聚集通量Jc：

在vc，i的计算中， 等号右侧的第1项反映颗粒中径较大且聚集快的油滴聚集速度， 第2项反映颗粒中径较小且聚集慢的油滴聚集速度。

最终，建立油液上浮模型如下：

由式（14）～（20）可见，各层油液上浮模型中不只包含油液上浮通量Js，亦包含油液聚集通量Jc，此时Js仍用来描述各层间由于重力作用油液的耦合关系，Jc用来描述油液的聚集性带来的层间耦合关系。

含油污水中还包含如盐、硫化物及挥发酚等可溶性有机物。 油田只要求处理悬浮固体与油液的污水全部回注地下，确保污水不外排亦不做他用， 对油和悬浮物以外的物质并无严格要求，笔者对此进行简化处理， 不做详细建模和仿真分析。

3 仿真分析

3.1 参数设置

采用Simulink建立仿真模型， 并进行GUI设计。 模型中最小沉降速度和最大上浮速度的取值直接决定悬浮固体、 油液的浓度和净化效果，与研究对象的理化性质密切相关，故理化数据基于大庆油田某污水处理厂实际技术参数和实验室样本实测数据：

污油含量 194g/m3

悬浮物含量 216g/m3

其他有机物含量 406g/m3

最大固体沉降速度 321m/d

最大油液上升速度 298m/d

最大Vesilind沉降速度 505m/d

最大Vesilind上升速度 411m/d

受阻沉降区固体沉降参数 5.76×10-4m3/g

受阻沉降区油液上升参数 5.76×10-4m3/g

悬浮固体阈值浓度 4 000g/m3

油液阈值浓度 5 000g/m3

不可沉降参数 0.002 3

最大油液浓度 840 000g/m3

最大油液聚集速度 6m/d

离散区沉降参数 0.002 9m3/g

离散区聚集参数 8×10-5g/m3

集合区聚集参数 9×10-5g/m3

3.2 仿真结果

3.2.1 实验设计

实验装置主要由量筒、烧杯、搅拌棍、分液漏斗、漏斗、电子天平、加热盘、真空抽滤瓶、滤纸、烘干炉、电磁搅拌器、激光粒度分析仪及高速摄影器等组成。 为了反映现场水质，保证实验数据真实有效，所有实验均在采样当天进行，具体过程为：

a. 测量各物质浓度。 取200mL污水原液进行实验。 初始称重之后，按时间梯度静置，并分别测量漂浮至顶部的油液浓度；利用真空抽滤管加滤纸，对污水原液进行过滤实验，测量悬浮固体浓度。

b. 测量油液沉降参数。 分别取20、80、120、160mL油液与净化后的污水样品混合， 充分搅拌后， 进行静置实验， 并在1、2、3、4、5、10、15、20、30、45、60min时用高速摄像机进行拍摄记录，测量油液在污水中的沉降参数。

c. 进行粒径分析。 利用激光粒度分析仪进行粒径分析，包括未经处理的污水原液和经过沉降后的样品，来获取悬浮固体与油液的部分粒径参数。

3.2.2 仿真结果

所有测量的参数作为数学模型的基础数据，建立悬浮固体和油液数学模型并进行仿真模拟。仿真结果见表1，可见，采用持续4h沉降过程，悬浮固体含量从第1～10层逐层递增，油液含量逐层递减，第3～9层中悬浮固体含量在68～70g/m3，第8层上/下的油液含量均达到20g/m3左右，各层模拟计算值与实测值的相对误差在6%以内。

表1 悬浮固体和油液的浓度仿真与实测值 g/m3

由表2可知， 沉降系统的油液去除率和悬浮固体去除率与实测值的偏差率的绝对值控制在1.50%以内。 因此，依据Takacs模型建立的油液上浮模型和污泥沉降模型能够反映油田含油污水的真实沉降状况，揭示沉降机理，而且悬浮固体的模拟效果稍优于油液的模拟。

表2 油液去除率与悬浮固体去除率 %

3.3 仿真分析

3.3.1 仿真曲线

图3为各层悬浮固体浓度变化曲线。 由图3可知，悬浮固体除第10层污泥层外，总体都呈现出下降，最终达到恒定的趋势。 第3层之上由于入水口影响了物质交换， 导致浓度的初期波动较大，其中第1、2层受到下方各层的油液上浮影响最大，悬浮固体含量逐渐降低；第3、4层先小幅升高随后下降，并趋于稳定，原因在于初期第1、2层下沉至第3层的悬浮固体含量多于第3层下沉至第4层的含量；第5～9层，由于位置比较靠下，受到上方各层的累积沉积效应有所延后，初期出现稳定期，层数越靠下，稳定期越长；作为污泥层的第10层， 其悬浮固体的含量随着时间一直在增加。

图3 第1～10层中悬浮固体浓度变换曲线

图4为各层油液浓度变化曲线。 由图4可知，油液浓度总体呈现下降并恒定的规律。 第3层及之上出现了浓度的初期波动，油液含量先小幅升高，随后趋于稳定，原因是第2、3层初期接受下层油液上浮的作用大于向第1层的上浮；第4～10层油液含量迅速下降，并在一定时间后趋于稳定。

图4 第1～10层中油液浓度变换曲线

对比可见，同样的沉降时间，由于油液上浮速度较悬浮物下沉速度慢，使得趋于稳态的油液净化周期较悬浮固体净化周期长。

3.3.2 非稳态层仿真分析

非稳态层由于与外界进行物质交换，物质上浮或沉降态势具有其特殊的变化规律。 分别针对4个非稳态层进行仿真分析。

第1层收油层， 主要受到下层油液的上浮作用，并将本层悬浮固体沉降至下层。 如图5所示，悬浮固体浓度总体呈现一直下降的趋势，因为没有上层污水的影响，短期内以指数级迅速达到稳态，初期的效果明显优于后期；该层的油液浓度呈现先上升后逐步下降趋于稳定的趋势，由于下面层数较多，初期接受下层油液上浮的累积效果起决定作用，含油率上升达到顶峰后油液溢流并逐步下降，最终达到稳定，且达到稳态的过程比较缓慢，这也是由于下面层数多和油液上浮速度慢所致。

图5 第1层各物质变换曲线

第3层进水层， 与上下邻层都存在悬浮固体和油液的双交换。 如图6所示，悬浮固体浓度曲线显示出急速上升随后下降的趋势，该层初期接受上两层悬浮固体的沉降量快于向下层的沉降，悬浮固体含量快速上升，上两层影响减弱后达到稳态，这个过程非常短，源于沉降速度较大和上面的层数较少，也可从图3可见，出水口层之上均具有类似趋势；油液浓度呈现先上升后逐步下降至稳定的趋势，初期下层油液的上浮作用大于向上两层上浮的作用，此趋势与第1层类似，但明显净化周期缩短很多，因为下层层数减少，而且本层油液亦可上浮至其他层。 另外，油液总体的净化时间较悬浮固体长，是油液的上浮速度比悬浮固体沉降速度小所致。

图6 第3层各物质变换曲线

第7层出水层， 同样与上下邻层都受到悬浮固体和油液的交换作用。 如图7所示，由于位置比较靠下， 受到上方各层的累积沉积效应有所延后。 此外，随时的出液和向下层沉降也会对悬浮固体浓度有影响，因此导致悬浮固体浓度在初期一段时间内，处于缓慢上升后趋于基本稳态的式样，从图3中亦可看出，越靠下的层，其达到稳态的处理周期将越长；油液浓度与第1层、第3层及其以上各层一样，均呈现先上升后逐步下降至稳定的趋势，但显然上升的幅度和达到稳态的时间都在逐步缩短，这是因为越往下层受更下层的影响将减少。

图7 第7层各物质浓度变换曲线

第10层污泥层，主要负责污泥沉降和收集处理，只与上层存在耦合交换，受上层悬浮固体的下沉作用，并将本层油液上浮至上层。 图8为该层的悬浮固体和油液浓度变化都不再波动，悬浮固体浓度呈持续增大趋势且增大速率稳定；油液浓度呈指数级下降趋势，相对其他各层都快。

图8 第10层各物质浓度变换曲线

3.4 综合评价

相对来看，油液上浮速度较悬浮固体沉降速度慢，稳态和非稳态层都体现出油液的净化周期长的特点。 此外，从各模拟曲线均可见，悬浮固体和油液浓度最终都将趋于稳态， 达到净化效果。沉降过程中，沉降罐结构、污水水质和净化时间都是影响净化效果的核心因素，但要保证净化效果，其中的时间因素仍然是影响净化效果的关键参数。

4 结束语

油田含油污水处理效果直接关系到回注地下的水质，影响油田的开采和环境保护。 在净化水系统模拟中，提高沉降系统油液和悬浮固体建模和计算的准确性，具有很大的实用价值。 通过分析研究， 笔者将Takacs模型应用于油液上浮的模拟，增加了油液凝聚速度参数，建立了油液上浮模型和污泥沉降模型。 计算结果表明，两种模型能够反映油田含油污水的真实状况，可揭示上浮和沉降机理。 并通过仿真模拟借助现场数据进行深入分析，准确预测污水净化效果，为寻求高效、绿色且智能化的油田污水处理系统提供一定的理论依据。