不同滤料对含聚污水过滤过程的影响研究*

2022-02-13王志华李铁阳许云飞郑博文

石油机械 2022年12期

王志华李铁阳许云飞郑博文

(东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室)

0 引言

聚合物驱油技术在提高原油采收率的同时，也带来了产出水特性复杂、净化处理难度增大的问题，这种含聚合物的油田采出污水称之为含聚污水。大庆油田经过多年实践，将含聚污水所含聚合物的质量浓度界限定为20 mg/L[1-5]。相比于常规水驱采出污水，含聚污水本身黏度升高，其中悬浮固体颗粒粒径小，油滴的乳化倾向性和稳定性强，为含聚污水净化处理过程中以悬浮固体去除为核心的高效过滤带来了挑战[6-8]。

目前，油田基于水驱采出污水特性及规模规划设计的“两级过滤模式”深度处理工艺与运行参数尚不能适应含聚污水水质变化的需要。因此，在含聚污水过滤过程中，所选型过滤层滤料的性能好坏就显得尤为重要，污水过滤中往往要求所选型滤料层应具备足够的机械强度、良好的化学稳定性、外形接近于球状但表面粗糙有棱角[9-10]。这是因为若机械强度足够，则可以减轻运行中因颗粒间互相摩擦造成的过度磨损和破碎现象；若其化学稳定性强，则可以降低滤料层结构失稳或滤料的板结概率；若外形不接近于球状、表面粗糙度低、棱角不显现，则滤料层的孔隙率小、比表面积小、对粒子的吸附能力有限[11-15]。笔者以石英砂、磁铁矿、金刚砂及陶瓷等潜在滤料为选型，考虑水质特性及滤料层孔隙率、滤料比表面积、滤料球形度等特征参数，数值模拟研究了过滤过程不同滤料表面含聚污水中悬浮粒子的聚集、吸附特征，定量表征了悬浮粒子的吸附、截留效果，系统评价了石英砂、磁铁矿、金刚砂及陶瓷滤料对含聚污水的过滤性能，为过滤滤料层的物理性能要求提供了科学解释；同时，对于指导含聚污水提效过滤处理工艺优化设计中滤料的选型与填设模式构建、改善含聚污水净化处理效果具有重要意义和应用价值。

1 模型建立

1.1 物理模型

过滤器基础物理模型如图1所示。本文以直径为4 m的过滤器为原型，对过滤器内部进行合理简化，仅保留出入口结构部件，罐内设有填充的滤料层，且假定各滤料颗粒结构为规则球形，构建过滤器基础物理模型。

图1 过滤器基础物理模型

在滤料表面对悬浮粒子的吸附过程中，滤料粒径、滤层孔隙率、滤料比表面积及球形度等物理结构特征均对滤料吸附性能具有一定影响。对此，将根据下式计算圆球颗粒任意排列时的孔隙率，排列方式如图2所示，进而对不同滤料的滤层内部孔隙结构进行三维建模[9,16]。

图2 圆球颗粒排列方式

(1)

式中：θ为颗粒中心连线平面角的二面角，(°)；ø为排列颗粒的孔隙率。

选择石英砂、磁铁矿、金刚砂、陶瓷等4种潜在的过滤滤料，其相关的理化性质见表1。

表1 不同滤料的理化性质

1.2 数学模型

含聚污水过滤过程属于液固、液液两相的分离过程，且被分离相以颗粒状态存在，因此选用离散相模型[17-18]。同时，考虑到流体在滤层孔隙中流动复杂多变以及壁面曲率较大的影响，笔者选择适用于高应变率以及流线弯曲程度较大流动的RNGk-ε湍流模型[19-22]。模型质量守恒方程和动量守恒方程分别为：

(2)

(3)

式中：ρ为来水的密度，kg/m3；ux为来水在X方向上的速度，m/s；uy为来水在Y方向上的速度，m/s；uz为来水在Z方向上的速度，m/s；u为来水的速度，m/s；p为流体微元上的压力，Pa；τxx、τyy和τzz为作用于流体微元上的正应力，Pa；τij为作用于流体微元上的切应力，Pa；Fx、Fy和Fz为作用于流体微元上的质量力，kg/(m2·s2)。

2 数值计算

2.1 网格剖分

截取过滤器中布水口以下部位对物理模型进行流体域抽取和网格剖分，考虑到滤料颗粒所在区域的结构复杂性，所划分网格均为非结构性网格[23-24]。该网格模型可区分为上方布水、中部滤料层及下方集液排水等3个区域，网格剖分结果如图3所示。

图3 物理模型网格剖分

2.2 边界条件

在含聚污水过滤过程数值模拟研究中，对于过滤器物理模型中外壁面边界设为静止壁面；来液给定入口速度，出口边界采用压力出口，环境操作压力为工况压力。

2.3 求解计算

考虑4种滤料的理化性质及生产运行实际，分别以来水含聚质量浓度小于100 mg/L、滤速8 m/h和来水含聚质量浓度大于450 mg/L、滤速6 m/h的过滤运行工况进行模拟计算。来水含油量、悬浮固体含量按照含聚污水普通处理工艺水质指标技术界限进行取值，来水黏度、悬浮固体粒径中值及油滴粒径中值根据已有室内试验测试结果进行取值[5]，具体相关模拟计算参数见表2。

表2 模拟计算参数设置

3 石英砂滤料对悬浮粒子的吸附性能

3.1 悬浮粒子聚集、分布特征

图4和图5分别为低、高含聚质量浓度污水中悬浮粒子在石英砂滤料表面的吸附特性。

图4 低含聚质量浓度污水石英砂滤料过滤过程悬浮粒子分布

图5 高含聚质量浓度污水石英砂滤料过滤过程悬浮粒子分布

由图4和图5可以看出，对于低含聚质量浓度污水石英砂滤料过滤，悬浮粒子的吸附主要集中在滤料层上部，其中，以对悬浮固体颗粒的吸附量居多，油滴吸附量显示较少，但在油滴的被吸附区域内，吸附质量则要更大。这是因为油滴自身具有可流动特性，与悬浮固体颗粒相比，更易在滤料表面发生聚并行为，使得吸附区域内的吸附质量显著增加。对于高含聚质量浓度污水石英砂滤料过滤，悬浮粒子呈现与低含聚质量浓度污水过滤过程相似的吸附特征。悬浮粒子的吸附位点均集中在滤料层上部，但受液相黏度升高引起携带效应和悬浮粒子粒径变小的影响，滤料层吸附悬浮粒子的难度增加，致使滤料层中的可动性悬浮固体颗粒和流动性油滴数量明显增多，吸附量减小，而油滴的碰撞、聚并、附着特征也随之减弱，这揭示出高含聚质量浓度污水过滤对滤料层的吸附与纳污能力要求进一步提高。

3.2 悬浮粒子吸附效果

将石英砂滤料层自上至下分成若干截面，利用面积加权平均法求解获取过滤结束时,各截面上被滤料层表面所吸附悬浮粒子的总质量，绘制如图6所示的石英砂滤料过滤过程中所吸附的悬浮粒子质量随滤料层深度变化的曲线。

图6 石英砂滤料过滤过程滤料表面吸附悬浮粒子量分布

由图6可以看出，对于悬浮粒子含量相同的来水，随着滤料层深度的增加，低、高含聚质量浓度污水被吸附悬浮粒子质量均不断减小。但相比之下，低含聚质量浓度污水过滤过程中的悬浮粒子吸附量居高，在0.3 m滤料层深度以上，吸附量较高含聚质量浓度污水过滤过程平均高出41.07%。这是因为，污水含聚质量浓度升高，使得悬浮粒子粒径变小和对粒子的携带效应增强，增加了吸附难度，使得高含聚质量浓度污水过滤时的吸附效果较差，这也与不同含聚质量浓度污水在石英砂滤料过滤过程的悬浮粒子分布特征相符合。

4 磁铁矿滤料对悬浮粒子的吸附性能

4.1 悬浮粒子聚集、分布特征

图7和图8分别为低、高含聚质量浓度污水中悬浮粒子在磁铁矿滤料表面的吸附特性。从图7和图8可以看出，对于低含聚质量浓度污水磁铁矿滤料过滤，磁铁矿滤料层对悬浮固体颗粒的吸附量明显居高，且与石英砂滤料过滤相比，悬浮固体颗粒的吸附量更多、吸附位点分布更广，遍布于整个滤料层，但是油滴的分布显示出其被滤料层吸附的概率进一步减小，滤料层中可流动性油滴显著增多。分析认为，磁铁矿滤料与其他滤料相比，粒径小、比表面积大，由此创设了悬浮固体颗粒能被大量吸附的概率及位点。而相反，对于油滴，在相同过滤压差、相同过滤速度下，磁铁矿滤料层孔隙尺寸减小，使得过滤流在单个孔隙中的速度相对增大，这便增加了油滴在滤料表面的附着、聚并难度。对于高含聚质量浓度污水磁铁矿滤料过滤，在滤料层孔隙较大过滤流速和水相携带效应的协同作用下，油滴被吸附量明显减少，相应地，悬浮固体颗粒的吸附更集中于滤料层上部，且悬浮固体颗粒在重力、惯性力及水动力等多重作用下,向滤料颗粒表面迁移的过程中发生明显聚集，以聚集吸附特征吸附于滤料层上部，说明磁铁矿滤料对悬浮粒子具备较高的吸附性能。

图7 低含聚质量浓度污水磁铁矿滤料过滤过程悬浮粒子分布

图8 高含聚质量浓度污水磁铁矿滤料过滤过程悬浮粒子分布

4.2 悬浮粒子吸附效果

同样，绘制如图9所示的磁铁矿滤料过滤过程中所吸附的悬浮粒子质量随滤料层深度变化的曲线。

图9 磁铁矿滤料过滤过程滤料表面吸附悬浮粒子量分布

从图9可以看出，与石英砂滤料层相似，在0.2 m滤料层深度以下，低含聚质量浓度污水过滤时的吸附量要高出高含聚质量浓度污水4倍左右。不过，在0.2 m滤料层深度以上，高含聚质量浓度污水过滤时的悬浮粒子吸附量反而更高，占其本身吸附总量的73.56%。这说明在高含聚质量浓度过滤时，被吸附的悬浮粒子主要聚集在滤料层上部。这也揭示出尽管含聚质量浓度升高，磁铁矿滤料的吸附性能也下降，但磁铁矿滤料对于高含聚质量浓度污水悬浮粒子的前期吸附更高效。

5 金刚砂滤料对悬浮粒子的吸附性能

5.1 悬浮粒子聚集、分布特征

图10和图11分别为低、高含聚质量浓度污水中悬浮粒子在金刚砂滤料表面的吸附特性。

从图10和图11可以看出，对于低含聚质量浓度污水金刚砂滤料过滤，对悬浮固体颗粒的吸附与磁铁矿滤料过滤过程具有相似特征，其吸附量均要明显高于油滴吸附量，且具有较广的吸附位点，而对油滴的吸附效果则要略好于磁铁矿滤料的吸附效果。这是因为，受金刚砂滤料结构特性的影响，其滤料层孔隙尺寸要高于磁铁矿滤料，一定程度上降低了对滤料表面悬浮粒子造成的脱落效应，所以使得油滴的分布表现出了较广的吸附位点，对油滴的吸附效果有所改善。金刚砂滤料对高含聚质量浓度污水中悬浮固体颗粒及油滴的前期吸附具有高效吸附特性。

图10 低含聚质量浓度污水金刚砂滤料过滤过程悬浮粒子分布

5.2 悬浮粒子吸附效果

图12为金刚砂滤料过滤过程中所吸附的悬浮粒子质量随滤料层深度变化曲线。

图12 金刚砂滤料过滤过程滤料表面吸附悬浮粒子量分布

从图12可以看出，金刚砂滤料表面的悬浮粒子吸附质量变化规律与磁铁矿滤料具有相似的特征。但在0.2 m滤料层深度以下，低含聚质量浓度污水过滤的悬浮粒子吸附量则是高含聚质量浓度污水过滤吸附量的2倍，要低于相同滤料层过滤深度范围的磁铁矿滤料。这也表明在高含聚质量浓度污水过滤过程中，金刚砂滤料的前期吸附效果要低于磁铁矿滤料。

6 陶瓷滤料对悬浮粒子的吸附性能

6.1 悬浮粒子聚集、分布特征

图13和图14分别为低、高含聚质量浓度污水陶瓷滤料过滤过程悬浮粒子分布。从图13和图14可以看出，对于低含聚质量浓度污水陶瓷滤料过滤，其悬浮粒子分布特征与磁铁矿滤料过滤过程相似，但一方面由于陶瓷滤料粒径较大、滤料比表面积较小;另一方面由于陶瓷滤料表面微孔发达、易于悬浮粒子附着，共同作用下使得陶瓷滤料在与磁铁矿滤料具有相同的过滤条件时，表现出对悬浮固体颗粒吸附显少和对油滴吸附量略多的吸附效果。对于高含聚质量浓度污水陶瓷滤料过滤，受悬浮粒子聚集特性的影响，悬浮固体颗粒和油滴在被吸附区域内的吸附质量增大，但滤料层中的可动性悬浮固体颗粒和流动性油滴数量也明显增多。这是因为，尽管陶瓷滤料的表面微孔结构有利于悬浮粒子吸附，但含聚质量浓度的升高使得污水体系黏度上升，对悬浮粒子的携带效应增加了其自身的吸附难度，表现出在悬浮固体颗粒及油滴的吸附性能方面均下降。

图13 低含聚质量浓度污水陶瓷滤料过滤过程悬浮粒子分布

图14 高含聚质量浓度污水陶瓷滤料过滤过程悬浮粒子分布

6.2 悬浮粒子吸附效果

图15所示为陶瓷滤料过滤过程中所吸附的悬浮粒子质量随滤料层深度变化的曲线。

图15 陶瓷滤料过滤过程滤料表面吸附悬浮粒子量分布

从图15可以看出，在0.2 m滤料层深度以下，相比于磁铁矿滤料和金刚砂滤料过滤，陶瓷滤料在高、低含聚质量浓度污水过滤时的被吸附量相差较小。表明含聚质量浓度升高对陶瓷滤料过滤污水的影响较小，也反映出了陶瓷滤料具有较强的吸附和纳污能力。

7 不同滤料对过滤过程的定量表征

7.1 吸附性能

结合数值模拟结果，对比相同含聚质量浓度、不同滤料类型时的含聚污水过滤性能，如图16和图17所示。

图16 低含聚质量浓度污水过滤滤料表面吸附悬浮粒子量分布

图17 高含聚质量浓度污水过滤滤料表面吸附悬浮粒子量分布

从图16可以看出：当含聚质量浓度较低时，在0.2 m滤料层以上，以石英砂滤料层中悬浮粒子吸附量居高；而对于0.2 m滤料层以下，磁铁矿滤料层对悬浮粒子的吸附量最多，石英砂滤料最少。这是因为石英砂滤料粒径大、孔隙宽，相同来水时孔隙内流速较缓，从而在过滤初期对大粒径悬浮物粒子更易优先吸附，表现出较好的吸附效果；而随着过滤的进行，石英砂滤料受小比表面积和表面棱角较为光滑的影响，对后续小粒径悬浮粒子吸附效果不佳。所以，粒径小、比表面积大的磁铁矿滤料便具有对后续小粒径悬浮粒子优先吸附的优势，并且粒径最小的磁铁矿滤料必然具有更强的悬浮粒子截留能力。也就是说，相比之下磁铁矿滤料的过滤性能最优。

由图17可以看出：当含聚质量浓度升高时，污水中悬浮粒子的被吸附难度增加，且悬浮粒子粒径变小，致使石英砂滤料优先吸附的优势不再明显；同时，陶瓷滤料虽然比表面积小于金刚砂滤料和磁铁矿滤料，但由于其表面微孔较多，所以使得其吸附性能与金刚砂滤料相当，甚至更好；而比表面积略大于金刚砂滤料、表面棱角又较为明显的磁铁矿滤料，便凸显出更优的吸附性能。因此，基于对4种滤料的吸附性能从高到低进行排序，依次为：磁铁矿>陶瓷>金刚砂>石英砂。

7.2 过滤效果

分别提取低、高含聚质量浓度污水过滤时出口粒子质量，建立过滤处理量与出水中悬浮粒子质量浓度的关系，如图18和图19所示。

图18 低含聚质量浓度污水不同滤料过滤处理效果

图19 高含聚质量浓度污水不同滤料过滤处理效果

基于不同滤料对含聚污水过滤效果的定量表征，对4种滤料的过滤效果从高到低进行排序，依次为：磁铁矿>金刚砂>陶瓷>石英砂。

显然，基于吸附性能描述的滤料排序与基于过滤效果定量的滤料排序并不完全一致，这是因为含聚污水过滤效果并不是滤料层吸附悬浮粒子的唯一贡献。也就是说除了滤料层对悬浮物粒子的吸附外，滤料层还会在吸附带来比表面积改变、棱角变化等作用下发挥机械截留效应，进一步除污。前者可定义为吸附效果，后者可定义为包含吸附效果在内的过滤效果。

为此，以来水悬浮粒子总质量为基准，对粒子轨迹进行追踪，获取滤料层表面吸附粒子的总质量，计算滤料对悬浮粒子的吸附效果：

(4)

设置过滤器模型出口粒子为逃逸，结合对出口粒子质量的提取，计算过滤效果：

(5)

式中：ηa为吸附效果，%；ηf为过滤效果，%；N0为过滤一定时段内来水悬浮粒子总质量，kg；Na为过滤一定时段内滤料层表面吸附悬浮粒子总质量，kg；Ne为过滤一定时段内出口流出悬浮粒子的总质量，kg。

表3为4种不同滤料对低、高含聚质量浓度污水中悬浮粒子吸附效果和过滤效果的计算结果。

表3 不同滤料对悬浮粒子的吸附、过滤效果

由表3可知：对低、高含聚质量浓度污水，均以磁铁矿滤料的吸附效果和过滤效果最优，表现出的截污性能最好；而石英砂滤料的吸附效果和过滤效果则最差，截污能力最小，且对于不同含聚质量浓度污水，石英砂滤料与磁铁矿滤料的过滤效果相差7.56%～11.25%；而陶瓷滤料因其表面微孔发达，易于悬浮物粒子吸附，吸附效果则要高于金刚砂滤料；因金刚砂滤料的粒径小，截污能力强，最终过滤效果则要略高出陶瓷滤料1.5%左右。

同时，在一定的过滤时段内，不同滤料对高含聚污水(含聚质量浓度>450 mg/L)中悬浮物粒子的吸附、过滤效果高于对低含聚污水(含聚质量浓度<100 mg/L)中悬浮物粒子的吸附、过滤效果。这是因为污水含聚质量浓度高、粒子尺寸小、被吸附概率大，而此时滤料层的吸附作用占据主导，且滤层吸附性能又是最佳时段，所以带来初期过滤时段内过滤效果的提升，然而，随着过滤时间的延长，这种吸附带来的过滤压差增大及二次污染不断体现，导致高含聚质量浓度污水过滤过程中吸附、过滤效果下降。