劉 杰，劉紅纓，李 磊，何林杰

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

在油田污水處理工藝選擇總體上，主要包括除油、過(guò)濾兩級(jí)處理工藝，通過(guò)選擇不同的設(shè)備組合實(shí)現(xiàn)污水的合格排放和達(dá)標(biāo)回注。如自然沉降過(guò)濾流程、旋流分離過(guò)濾流程、斜板沉降氣浮浮選過(guò)濾流程、聚結(jié)分離氣浮浮選過(guò)濾流程等[1-4]。過(guò)濾段一般采用石英砂過(guò)濾[5]、核桃殼過(guò)濾[6]、雙層及多層濾料過(guò)濾器[7]等以膜[8]為代表深度過(guò)濾工藝。目前，聚合物驅(qū)油是三次采油的重要技術(shù)措施之一[9,10]，大慶油田已經(jīng)普遍采用聚合物驅(qū)油的方式，渤海油田從2003年單井試注至今也已經(jīng)大范圍應(yīng)用注聚技術(shù)，中海油在渤海地區(qū)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的油田有：SZ36-1、J29-3、LD10-1等3個(gè)油田，多口井在實(shí)施注聚作業(yè)，聚合物驅(qū)累積增油效果顯著，初步建成了海上稠油油田化學(xué)驅(qū)高效開(kāi)發(fā)示范基地。

但是，隨著聚合物大量注入地層，不可避免的要隨流體產(chǎn)出，相比常規(guī)開(kāi)采油田產(chǎn)出液，聚驅(qū)油圍采出液成分更為復(fù)雜，油水分離及污水處理難度陡增。中海油3個(gè)注聚油田均有較高濃度的聚合物產(chǎn)出，均面臨著聚驅(qū)采出液處理難和處理成本增加的現(xiàn)狀。具體問(wèn)題如下：原油脫水難度加大，導(dǎo)致破乳劑用量顯著增加；原油系統(tǒng)各設(shè)備污油泥堵塞嚴(yán)重，影響了油水分離處理效果，也因?yàn)榫酆衔锏母街虺练e進(jìn)一步降低了各設(shè)備的處理能力及脫水效果，造成處理流程非常脆弱，脫水后原油含水率和污水含油均大幅度提高，污水處理流程問(wèn)題凸顯。

為了提高降低含聚污水的處理成本并滿(mǎn)足環(huán)保要求，確保污水處理后達(dá)到注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套改進(jìn)型旋流氣浮分離裝置，并在含聚海上油田進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在含聚污水處理量為7m3·h-1，回流比20%，分流比11%，較大氣泡粒徑工況條件下，處理后的污水含油量從500.6mg·L-1下降至45.75mg·L-1，懸浮物含量從601.7mg·L-1下降至206.1mg·L-1，達(dá)到了進(jìn)入下一級(jí)過(guò)濾流程要求。

1 工藝流程

某注聚海上油田污水處理工藝為：采出液采用一二級(jí)三相分離器分離→斜板隔油→混凝沉降/傳統(tǒng)氣浮→壓力過(guò)濾（核桃殼）的處理工藝。

旋流氣浮分離器撬裝裝置取代了“斜板隔油和混凝沉降/傳統(tǒng)氣浮”污水處理工藝中的設(shè)備，通過(guò)有限元CFD技術(shù)對(duì)微氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)和氣泡運(yùn)行規(guī)律模擬基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的改進(jìn)型旋流氣浮專(zhuān)用處理含聚污水，該裝置具有油、懸浮固體快速分離，能保護(hù)過(guò)濾段穩(wěn)定工作，同時(shí)防止濾料污堵、頻繁沖洗作用。經(jīng)過(guò)一級(jí)、二級(jí)分離器和電脫水裝置的含聚污水進(jìn)入斜板隔油器進(jìn)行初步的除油沉降。再進(jìn)入混合處理裝置，在此加入降解藥劑和清水劑沉降，在氣泡油滴結(jié)合區(qū)域進(jìn)行催化氧化聚合物降解處理。污水再進(jìn)入一體化撬裝新型旋流氣浮裝置，其主要作用是脫除含聚污水中攜帶的小油滴和乳化油。最終污水進(jìn)入含油水輸送泵，進(jìn)入核桃殼過(guò)濾器然后排?；蛘咦鲎⑺?/p>

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Sewage treatment process flow chart

2 核心技術(shù)

2.1 旋流氣浮技術(shù)應(yīng)用

改進(jìn)型旋流氣浮技術(shù)，以降低含聚污水粘度為主要目標(biāo)，首先，使用CFD有限元模擬含聚污水氣泡運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，具體如下：采用商業(yè)軟件ANSYS中Fluent組件對(duì)旋流微氣泡氣浮裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，主要對(duì)旋流微氣泡氣浮裝置中油滴粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及內(nèi)部流場(chǎng)，考察進(jìn)口流量、微氣泡粒徑對(duì)裝置的影響。該過(guò)程數(shù)值模擬氣-液兩相流，使用MESH組件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)入口處的網(wǎng)格加密處理。結(jié)合實(shí)際工況設(shè)置模型參數(shù)及邊界條件，采用Euler-Euler方法即雙流體模型對(duì)旋流微氣泡氣浮裝置中的氣、液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬；采用Euler-Lagrange離散相模型對(duì)油滴粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，湍流模型選用RNG K-ε模型流場(chǎng)計(jì)算，離散相通過(guò)Lagrange坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)軌跡模型以單個(gè)油滴粒子為計(jì)算對(duì)象進(jìn)行模擬計(jì)算。模型利用Fluent軟件進(jìn)行求解。模擬后得到含聚污水粘度、聚合物降解、旋流器內(nèi)件設(shè)計(jì)的多項(xiàng)參數(shù)，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備并測(cè)試性能。掌握不同的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)對(duì)微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣泡尺寸的影響。在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備試驗(yàn)成功后，按照試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)制造了一體化撬裝旋流氣浮裝置，在油田安裝并開(kāi)展中試。旋流氣浮原理示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 氣浮旋流原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of swirl air flotation

2.2 溶氣系統(tǒng)和釋放系統(tǒng)特點(diǎn)

在多相流泵溶氣系統(tǒng)中，氣泡粒徑與飽和壓力有關(guān)，在氣泡粒徑分布一定的情況下，隨氣量增加，氣泡數(shù)密度增大，但是多相流溶氣泵存在占地大，利用壓力調(diào)節(jié)氣泡粒徑操作復(fù)雜且不可控的問(wèn)題。因此，本實(shí)驗(yàn)裝置未采用溶氣泵，而是采用一種微氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器可以使大量微細(xì)氣泡溶入含油污水中，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。溶氣水發(fā)生管是由圓柱形密封管、圓錐形密封管和微孔管共同構(gòu)成。

圖3 微氣泡發(fā)生器示意圖Fig.3 Schematic of microbubble generator

該發(fā)生器可以預(yù)先根據(jù)浮選目標(biāo)物的需要選擇合適粒徑的微氣泡。微氣泡粒徑大小由內(nèi)部微孔管的濾孔尺寸決定，可以在使用過(guò)程中調(diào)整不同的氣泡粒徑。當(dāng)壓縮空氣透過(guò)微孔管的濾孔，在高速水流的切割之下，大部分形成所需粒徑大小的微氣泡，相對(duì)于已有氣浮溶氣系統(tǒng)產(chǎn)生大量無(wú)效的大氣泡，微氣泡發(fā)生器的微氣泡分布密度更大，氣體利用率更高，捕捉含聚污水中浮選物效率更高。該結(jié)構(gòu)充分考慮了含聚污水粘度較大、油水難分離并含有聚合物易產(chǎn)生油泥的特性。首先，使微氣泡溶氣水相對(duì)于含油水有一個(gè)可控的速度差，并且溶氣水的釋放點(diǎn)處于含油水的下方，以一種相對(duì)穩(wěn)定的托舉速度捕捉黏附油滴，同時(shí)平穩(wěn)地將微小油滴浮托至水面，避免由于紊流擾動(dòng)影響浮選的效果。其次，這樣的釋放口尺寸不會(huì)因聚合物和油滴黏附堵塞，解決了含聚污水聚合物長(zhǎng)期聚集而導(dǎo)致的釋放口尺寸縮小或堵塞的問(wèn)題。

3 處理效果分析

將藥劑預(yù)處理和旋流氣浮技術(shù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)型旋流氣浮分離裝置應(yīng)用于中海油某注聚油田污水處理站，進(jìn)行污水處理工業(yè)化試驗(yàn)，設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，初始水樣粘稠，且顏色較深，出水水質(zhì)透明，較為清澈。分別對(duì)初始水樣、設(shè)備進(jìn)入口水樣、設(shè)備出水口水樣取樣測(cè)試，得到含油量、懸浮固體含量、粒徑中值等水質(zhì)指標(biāo)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 一體化撬裝旋流氣浮裝置Tab.1 Integrated skid-mounted swirl air flotation device

由表1可以看出，經(jīng)一體化撬裝旋流氣浮裝置處理后的油田污水的懸浮物顆粒粒徑中值16.3μm，懸浮固體含量不大于206.1mg·L-1，污水含油量不大于45.75mg·L-1。藥劑預(yù)處理和旋流氣浮技術(shù)去除效果優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到了該進(jìn)入過(guò)濾階段要求。由設(shè)備出水水樣可以看出，出水含油量不高，該裝置采用的藥劑絮凝沉降-旋流氣浮分離的預(yù)處理流程，不僅起到了良好的除油效果，而且對(duì)后續(xù)的核桃殼過(guò)濾效果起到了關(guān)鍵的作用。

4 氣浮旋流影響效果分析

影響氣浮旋流效果的主要因素有污水處理量、回流比、分流比和氣浮氣泡粒徑。

4.1 處理量對(duì)氣浮旋流效果的影響

圖4 為污水處理量與分離效率的關(guān)系圖。在不加藥劑，水樣聚丙烯酰胺含量為312mg·L-1，水樣來(lái)樣溫度75℃，斜板隔油器進(jìn)口污水含油濃度不變的情況下，固定回流比（18.8%）調(diào)節(jié)不同入口流量（5～10m3·h-1），觀(guān)察不同處理量對(duì)于出口含油值的影響。如圖4所示，隨著流量從5m3·h-1增加到7m3·h-1的過(guò)程中，分離效率不斷升高，由70.7%升高至73.2%，當(dāng)處理量由7m3·h-1繼續(xù)增加時(shí)，分離效率急劇下滑。此試驗(yàn)選用氣泡平均粒徑為17.52μm，在此條件下最適宜的處理量為7m3·h-1。

圖4 污水處理量與分離效率關(guān)系圖Fig.4 Relationship between processing capacity of sewage and separation efficiency

處理量的不同會(huì)在氣泡與油滴的碰撞接觸、表面滑移、液膜破裂粘附以及氣泡-油滴粘附體的破碎等層面產(chǎn)生影響，處理量增加所需水樣入口流速也相應(yīng)增加，流速增加帶來(lái)的湍流強(qiáng)度增加有利于氣泡與油滴的碰撞、聚并，同時(shí)流速增加帶來(lái)的旋流強(qiáng)度增加有利于低密度油相快速匯集在中心匯集區(qū)，便于及時(shí)排出。然而，處理量過(guò)大帶來(lái)的大湍流強(qiáng)度會(huì)引起較大的剪切應(yīng)力，油滴-氣泡粘附體在此剪切力的作用下會(huì)快速的破裂分離，反而不利于粘附體的形成、運(yùn)移、排出，因此在氣泡粒徑等工藝條件一定的情況下，可以確定最適宜的處理量為7m3·h-1。

4.2 回流比對(duì)氣浮旋流效果的影響

試驗(yàn)固定處理量7m3·h-1,球閥調(diào)節(jié)流量，選取自動(dòng)流量計(jì)計(jì)量，穩(wěn)定入口含聚污水流速?；亓鞅仍黾?，即增大回流水進(jìn)入系統(tǒng)的比例，回流水作為補(bǔ)充水源通過(guò)射流器進(jìn)入氣浮旋流系統(tǒng)。圖5為污水處理量與分離效率的關(guān)系圖。

圖5 回流比與分離效率關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of reflux ratio and separation efficiency

由圖5可見(jiàn)，回流比從8%增加至20%的過(guò)程中，分離效率從82%增加至91%，增長(zhǎng)顯著?；亓鞅葟?0%增加至30%的過(guò)程中，分離效率從91%增加至92%，增長(zhǎng)很小。雖然回流比越大，分離效率越高，但從能耗經(jīng)濟(jì)角度考慮，20%為最佳回流比。

4.3 分流比對(duì)氣浮旋流效果的影響

為確定分流比增加對(duì)分離效率的影響，試驗(yàn)測(cè)定了無(wú)回流情況下的分流比與除油率的變化關(guān)系。結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 分流比與分離效率關(guān)系圖Fig.6 Relationship between split ratio and separation efficiency

由圖6可見(jiàn)，在進(jìn)口含油量相當(dāng)?shù)那闆r下，分流比從8%增加到11%的過(guò)程中，分離效率從75.5%提升至82.7%；分流比從11%增加到15.6%的過(guò)程中，分離效率從82.7%提升至83.9%。從分離效果與能耗關(guān)系綜合考慮，確定11%為該工作條件下的最佳分流比。

4.4 氣泡粒徑對(duì)氣浮旋流效果的影響

圖7 為氣泡粒徑與含油量和出油率的關(guān)系圖。

圖7 氣泡粒徑對(duì)分離效率的影響Fig.7 Influence of bubble size on separation efficiency

由圖7可見(jiàn)，顯示出口含油量隨著氣泡粒徑增加持續(xù)減小，當(dāng)氣泡粒徑超過(guò)20μm后，出口含油量有所升高。這表明較大直徑的氣泡能夠防止氣泡從底部流出，但氣泡直徑過(guò)大（超過(guò)30μm）時(shí)無(wú)法獲得較好的氣泡分布，這將不利于氣浮分離，又考慮到氣含量一定時(shí)，小氣泡擁有更大的氣泡群數(shù)量和表面積，因此，可以認(rèn)為，較小的氣泡將有利于除油分離過(guò)程，但是小于10μm氣泡很難有動(dòng)力將體系脫除，因?yàn)楹畚鬯扯却?，形成的水包油乳化狀態(tài)更穩(wěn)定，小氣泡反而不利于油滴的聚集。根據(jù)旋流氣浮原理，相鄰氣泡會(huì)互相促使流線(xiàn)向氣泡表面靠近，使粒子與氣泡觸碰的機(jī)會(huì)增大，碰撞效率提高，但是根據(jù)CFD對(duì)于含聚污水的模擬結(jié)果，在含聚丙烯酰胺油田污水中，當(dāng)氣量持續(xù)增加，氣泡密度過(guò)大時(shí)，反而影響流場(chǎng)內(nèi)氣泡和油滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使浮選效果惡化，所以不同的含聚污水特性需要不同合理的氣泡粒徑，本次含聚污水濃度下處理效果最好的粒徑是20μm左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與建議

（1）旋流氣浮分離對(duì)去除含聚污水中的聚合物起到了關(guān)鍵作用，與傳統(tǒng)的“斜板隔油和混凝沉降”傳統(tǒng)氣浮含聚污水處理流程相比，該一體化撬裝旋流氣浮裝置采用藥劑絮凝處理-旋流氣浮處理-過(guò)濾流程，保證了含聚污水的處理過(guò)濾效果。

（2）氣浮裝置中微氣泡發(fā)生器相比溶氣泵制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且氣泡粒徑可調(diào)，處理不同的含油污水根據(jù)其自身特性需要合適粒徑的氣泡進(jìn)行處理。

（3）在含聚污水處理量為7m3·h-1，回流比20%，分流比11%，較大氣泡粒徑工況條件下，一體化撬裝旋流氣浮裝置處理的污水分離效果最佳。