滤料级配过滤含聚污水数值模拟研究

蒋鸿建

(中国石油大庆油田有限责任公司第四采油厂)

0 引 言

含聚污水深度处理效率的提高和回注水质控制,在油田水资源利用与处理中至关重要。一方面,改善污水回注水质、提高回注水利用效率,可为油田节省大量宝贵清水资源,增加技术经济效益[1-3];另一方面,深度处理复杂污水,可有效控制污水外排及回注过程中的设施污染与生态破坏。有助于持续贯彻低碳绿色油田可持续开发战略[4-5]。

目前,在油田聚合物驱采出污水地面配套处理工程中,多介质滤料级配过滤深度处理技术已被广泛应用,以提高油滴和悬浮固体颗粒分离效率。以大庆油田为例,已形成以自然沉降、混凝沉降与过滤分离为主体的工艺运行模式[5-6],为聚合物驱工艺技术的优化提效提供了有力保障。然而,在滤料级配对含聚污水过滤处理过程中,由于含聚污水水质体系复杂,尤其当采出污水中含有稳定乳化油珠和悬浮固体颗粒的不同浓度聚合物时,污水处理难度进一步增大[7-9]。虽然油田通过改变填设滤料级配比例的方式在一定程度上可改善含聚污水过滤性能,但这种由级配填设模式改变引起的滤料层结构变化、污水含聚浓度升高带来的水质变化,对污水过滤性能的影响及规律的认识仍较为缺乏。本文基于悬浮粒子(包含悬浮固体颗粒和油滴)吸附、截留形成的聚集特征,针对以应用石英砂滤料和磁铁矿滤料为主的污水处理站的矿场运行实际,定量研究滤料级配情况对污水过滤效果的影响,揭示滤料级配对不同含聚浓度污水过滤处理的适应性,旨在为含聚污水深度处理的提质提效提供支持。

1 模型建立及数值计算

1.1 物理模型及网格划分

结合矿场污水处理站实际,以承托层为砾石垫料、滤料层为磁铁矿滤料和石英砂滤料的Φ4 m规格压力式过滤罐为原型,建立如图1所示的含聚污水级配过滤工艺简化物理模型。该模型过滤罐高度为5 000 mm,填设滤料层厚度为800 mm,填充粒径规格为0.40 mm的磁铁矿滤料和0.60 mm的石英砂滤料。对于不同级配模式,根据油田现场过滤处理经验,以磁铁矿滤料层厚度和石英砂滤料层厚度相同的级配模式为基础,将磁铁矿滤料层厚度以等厚度值依次累加,进而确定出填充高度比(磁铁矿滤料层厚度与石英砂滤料层厚度之比)分别为1.00,1.28,1.67和2.20的4种不同滤料级配模式,并开展滤料级配过滤含聚污水数值模拟研究。

图1 双层级配过滤工艺简化物理模型

在模型建立过程中,考虑到过滤罐滤料层属于均匀的圆球颗粒构成的滤床[10],以及滤料层区域不同滤料级配的过滤特性,引入Fluent软件中的多孔介质模型进行数值模拟[5,11]。同时考虑物理模型结构特征,以六面体单元与四面体单元进行三维模型网格划分[12](图2),针对滤料层区域,根据不同的级配填充高度比例,可划分相应不同的滤料层区域网格模型。

图2 物理模型网格划分

1.2 数学模型

考虑含聚污水过滤过程湍流流动特性,对于湍流模型,可选用标准k-ε模型进行模拟[11-12]。同时,引入多孔介质模型作用于滤料层区域,方便对通过其中的流体进行清晰、准确地表征流动特性。多相流模型则选用DPM(Discrete Phase Model)模型进行模拟含聚污水中所含油滴及悬浮固体颗粒的运动与过滤特征[5]。关于流动过程中质量守恒方程见式(1)、动量守恒方程见式(2)。

(1)

(2)

式中:ρ为来水的密度,kg/m3;u为来水在x方向上的速度,m/s;v为来水在y方向上的速度,m/s;w为来水在z方向上的速度,m/s;Sm为从分散的二级相中加入到连续相的质量,kg;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;τxy、τyx、τxz、τzx、τyz、τzy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(包含了其他的模型相关源项),kg/(m2·s2)。

1.3 求解计算

以含聚污水一次过滤后、二次过滤前为节点,选取含聚浓度分别为186.4,346.9,521.5 mg/L的低、中、高三种含聚浓度代表性含聚污水,进行二次含聚污水深度过滤模拟。其中,来水油滴和悬浮固体颗粒含量可按照含聚污水普通处理工艺水质指标技术界限(含量≤20 mg/L)进行取值,来水黏度、悬浮固体粒径中值及油滴粒径中值则根据室内已有实验测试结果参考取值[6],具体模拟工况方案及计算参数见表1。

表1 模拟工况及计算参数

2 悬浮粒子吸附与截留过程的适应性分析

2.1 滤料填充高度比为2.20级配模式时悬浮粒子的吸附与截留

过滤运行稳定后,提取滤料填充高度比为2.20级配模式时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮固体颗粒、油滴的分布情况,构建如图3所示的悬浮粒子聚集分布特征云图。

图3 滤料填充高度比为2.20时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布

由图3可以看出,在滤料层上方区域,来水中的悬浮固体颗粒和油滴均呈游离状态,且随着来水含聚浓度的增加,这些游离状态的悬浮固体颗粒和油滴数量均增加,其中以油滴居多。这是因为相比于悬浮固体颗粒,油滴因自身密度小易于浮升,更易游离于滤料层上方区域。对于滤料层区域,粒径较大的悬浮固体颗粒和油滴优先被过滤,聚集于其上部;粒径较小的则不断聚集于其下部(滤料层深部),尤其随着来水含聚浓度的升高,滤料层深部不断聚集粒径更小的悬浮粒子,该现象与含聚污水的水质特性相符合。对于这些聚集的悬浮粒子,因为含聚污水对悬浮固体颗粒与油滴不同的携带能力和粒径变化的综合影响,在含聚浓度较低时以油滴数量明显居多,流出滤料层的粒子数量要少于悬浮固体颗粒;在含聚浓度较高时聚集的悬浮固体颗粒则与油滴数量相当,甚至多于油滴。

以滤料层底部边界所在位置为起点,沿轴线方向竖直向下1 m处为终点,在该范围内截取若干水平平面,过滤工况稳定后,某一时刻这些平面内悬浮粒子质量浓度的变化情况见图4。

图4 滤料填充高度比2.20时不同含聚浓度污水过滤某一时刻滤料层下方悬浮粒子质量浓度变化

由图4可以看出,在2.20的滤料填充高度比下,悬浮粒子在经滤料层吸附与截留后,随着含聚浓度升高,滤料层下方污水中悬浮粒子浓度亦随之增加,在含聚浓度从186.4 mg/L上升到521.5 mg/L时,悬浮粒子平均含量增加了近43.71%,这也体现出级配滤料层对悬浮粒子吸附与截留难度的进一步增加。

2.2 滤料填充高度比为1.67级配模式时悬浮粒子的吸附与截留

滤料填充高度比为1.67时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布如图5所示。

图5 滤料填充高度比为1.67时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布

由图5可以看出,在该级配模式过滤过程中,悬浮粒子的分布特征与2.20级配模式时相当,但对于含聚浓度相同的来水,在1.67级配模式时,滤料层深部聚集悬浮固体颗粒及油滴的粒径更小。也就是说,与级配模式为2.20相比,在级配模式为1.67的过滤过程中,更多较大粒径的悬浮粒子能被吸附、截留在滤料层上部,这是因为填充高度比减小带来石英砂滤料层填设厚度的增加,使较大尺寸的滤层孔隙空间有所增多,悬浮粒子被流体施加的剪切作用降低,从而在一定程度上促进悬浮粒子被集中聚集、吸附,且这种聚集特征也利于过滤性能的改善。

同上,绘制如图6所示的填充高度比为1.67时悬浮粒子质量浓度变化曲线,可以看出,随着含聚浓度的升高,悬浮粒子质量浓度随之增加,但在含聚浓度从186.4 mg/L上升到521.5 mg/L时,平均悬浮粒子含量约增加了38.23%,增幅小于2.20的滤料填充高度比,这亦显示,在1.67的滤料填充高度比下,对于不同含聚浓度污水过滤过程,级配滤料层对悬浮粒子的吸附、截留性能更为稳定,表现出更优的过滤能力,这也与其悬浮粒子聚集分布特征相一致。

图6 滤料填充高度比为1.67时不同含聚浓度污水过滤某一时刻滤料层下方悬浮粒子质量浓度变化

2.3 滤料填充高度比为1.28级配模式时悬浮粒子的吸附与截留

图7为滤料填充高度比1.28时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布。

图7 滤料填充高度比为1.28时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布

由图7可以看出,不同含聚浓度污水过滤过程中悬浮粒子的分布特征与滤料填充高度比为2.20,1.67时相似。但在滤料层深部,相同含聚浓度污水过滤时,填充高度比为1.28的级配模式聚集悬浮固体颗粒与油滴粒径均要大于前两种级配模式,尤其是以高含聚浓度污水过滤时较为明显,也就是说,虽然滤料层中石英砂厚度的增大比较有助于悬浮粒子的聚集,但对小粒径悬浮粒子的过滤能力反而下降,使小粒径悬浮粒子未能被滤料层有效的吸附、截留而保留在出水中。

填充高度比为1.28时悬浮粒子质量浓度变化曲线见图8。可以看出,在该滤料填充高度比下,悬浮粒子质量浓度变化趋势与上述两种级配模式相同,但相比之下,曲线波动程度更为显著。在含聚浓度从186.4 mg/L上升到521.5 mg/L时,悬浮粒子平均含量约增加了43.85%。表明在该级配模式下,较多大粒径悬浮粒子可能被带出滤料层,使滤料层对悬浮粒子的吸附、截留性能的稳定性有所下降。

图8 滤料填充高度比为1.28时不同含聚浓度污水过滤某一时刻滤料层下方悬浮粒子质量浓度变化

2.4 滤料填充高度比为1.00级配模式时悬浮粒子的吸附与截留

滤料填充高度比1.00时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布见图9。

图9 滤料填充高度比为1.00时不同含聚浓度污水过滤过程悬浮粒子分布

由图9可以看出,悬浮粒子分布特征同样相似于上述其他几种级配模式。但对于相同含聚浓度来水,在1.00的滤料填充高度比下,滤料层中部聚集油滴、深部聚集悬浮固体颗粒的粒径均显著变大,这揭示出,相比于其他级配模式,小粒径悬浮粒子在该级配滤料层中的吸附与截留特征削弱,降低了污水过滤性能,特别在含聚浓度较高时,过滤罐集水区域也明显体现出悬浮粒子数量增多的现象。

填充高度比1.00时悬浮粒子质量浓度变化曲线见图10。可以看出,在该滤料填充高度比下,悬浮粒子质量浓度变化趋势同样与上述几种级配模式相同。在含聚浓度从186.4 mg/L上升到521.5 mg/L时,平均悬浮粒子含量增加了46.79%。且在高含聚浓度污水过滤时,悬浮粒子质量浓度普遍大于或约等于12 mg/L,远高于其他级配模式的悬浮粒子质量浓度,表明在填充高度比为1.00的级配过滤模式下,滤料层对悬浮粒子的吸附与截留性能受污水含聚浓度的影响更为显著,对悬浮粒子的过滤能力降低。

图10 滤料填充高度比为1.00时不同含聚浓度污水过滤某一时刻滤料层下方悬浮粒子质量浓度变化

3 含聚污水过滤出水水质特性

针对整个污水过滤过程,以来水悬浮粒子总含量为基准,在过滤罐出口边界建立采样平面,统计过滤过程中通过该平面的悬浮固体颗粒与油滴,并据式(3)分别计算悬浮固体颗粒和油滴的去除率。

(3)

式中:ηf为悬浮固体颗粒或油滴的去除率,%;n0为来水中悬浮固体颗粒或油滴的浓度,mg/L;c为总来水量,L;Vfi为通过采样平面的某一悬浮固体颗粒或油滴的体积,m3;i为通过采样平面的悬浮固体颗粒或油滴数量,个;ρ为悬浮固体颗粒或油滴的密度,kg/m3。

基于数值模拟结果,计算不同含聚浓度污水级配过滤出水水质指标,结果见表2。

表2 不同含聚浓度污水级配过滤出水水质指标

分析表2可知:

1)对于悬浮粒子含量相同的来水,随着含聚浓度升高,不同级配模式滤料层过滤出水悬浮固体颗粒含量和油滴量均呈现增大趋势,悬浮粒子去除率减小。滤料层填充高度比的增大对过滤效果的改善具有积极作用,但未呈正相关性。

2)在4种填充高度比级配模式下,随着来水含聚浓度的升高,由于污水中乳化油滴本身粒径的变小及含聚携带效应带来滤料层中聚集效应的削弱,油滴去除率的减小幅度要大于悬浮固体颗粒去除率的减小幅度,平均为悬浮固体颗粒的2.5倍左右。

3)在含聚浓度为186.4,346.9 mg/L时,以填充高度比1.28以上的级配模式过滤,均可使过滤后出水悬浮固体颗粒含量和油滴含量低于5 mg/L。其中,随着含聚浓度的从186.4 mg/L升高至346.9 mg/L,出水中悬浮固体颗粒含量和油滴含量最低的级配过滤模式由填充高度比2.20转变为填充高度比1.67,在两种含聚浓度污水过滤过程中,综合要以1.67级配模式的悬浮粒子吸附与截留效果好于填充高度比为2.20时。

4)在含聚浓度521.5 mg/L时,以1.67,2.20滤料填充高度比的级配模式过滤,均可使过滤后出水悬浮固体颗粒和油滴含量低于(或约等于)5 mg/L,但普遍以滤料填充高度比为1.67级配模式时的出水悬浮固体颗粒和油滴含量最低,分别为4.86 mg/L和4.92 mg/L,悬浮固体颗粒和油滴去除率平均为51.1%,表现出对悬浮粒子更优的吸附与截留能力。

4 结 论

综上不同含聚浓度污水滤料级配过滤过程悬浮粒子的吸附、截留及过滤出水水质特性认为:

1)以磁铁矿滤料层填设厚度更大的级配模式过滤时,对更小粒径悬浮粒子的吸附与截留能力更强,可有效去除污水中的悬浮粒子,但这种能力并不与填充高度比的增加呈正相关,在滤料填充高度比与污水含聚浓度变化之间存在一定的适配性。

2)污水含聚浓度变化对以乳化性质存在的油滴吸附与截留程度影响更大,随着含聚浓度的升高,滤料层对油滴过滤能力的削弱显著高于悬浮固体颗粒。

3)对含聚浓度较低的污水,推荐以1.28以上磁铁矿滤料厚度较大的级配模式过滤;对含聚浓度较高污水,推荐以1.67以上磁铁矿滤料厚度较小的级配模式过滤。以上推荐级配模式均可以使出水悬浮固体颗粒与油滴含量低于或约等于5 mg/L,满足大庆油田含聚污水二级过滤出水回注水质指标要求。