黃 作 男

(中國石油大慶油田有限責任公司第四采油廠)

0 引 言

隨著油田高含水期多元化開發(fā)方式的不斷推廣應用，以含聚污水為代表的復雜水質體系在油田地面水處理系統(tǒng)中逐漸面臨一些突出的難題。例如，因聚合物存在而產(chǎn)生的高黏、乳化與穩(wěn)定等特性，使油、水、懸浮固體分離難度增大，對油田污水過濾處理工藝與回注水水質控制產(chǎn)生了不利影響[1-4]。污水過濾作為油田污水深度處理中的末端工藝，是保證含聚污水有效處理、控制回注水水質的關鍵環(huán)節(jié)，對污水中油滴、懸浮固體的吸附與截留效果的好壞直接影響回注水水質質量。目前，油田常以在過濾罐內(nèi)填裝2種或多種相對密度、粒度不同的多層濾料復合級配模式對含聚污水進行深度過濾處理[5-7]，以有效去除污水中油滴及懸浮固體，從而改善含聚污水處理效果。

在含聚污水過濾過程中，被濾料層吸附與截留的顆粒狀懸浮固體與油滴會積聚在濾料層中濾料顆粒的表面和不同顆粒間的孔隙內(nèi)，這種不斷增加的積聚將會逐漸降低濾料層的孔隙率、增加流體通過濾料層的水頭損失以及加大懸浮固體上的剪切應力，最終導致濾料層內(nèi)積聚的懸浮固體與油滴被攜帶至過濾罐出水中，造成出水水質污染[8]。為此，在過濾罐水頭損失增大和發(fā)生明顯的出水污染之前，油田通常對過濾罐內(nèi)濾料進行反沖洗工藝操作，通過過濾罐底部來水沖洗，使濾料顆粒上的吸附污染物剝離，以此實現(xiàn)過濾罐過濾能力的再生，進而保障含聚污水處理工藝運行效果。但對過濾罐進行反沖洗工藝后，往往并不能徹底清洗掉濾料層表面的吸附與截留粒子(油滴與懸浮固體)，而這些剩余未清洗掉的吸附與截留粒子會對過濾罐的繼續(xù)過濾造成一定影響。

為進一步提高反沖洗工藝運行效果，本文以油田常用下層磁鐵礦與上層石英砂的雙層級配濾料過濾工藝為基礎，針對不同填充高度比級配模式，考慮反沖洗強度變化，開展濾料反沖洗工藝過程數(shù)值模擬，以反沖洗過程壓力場分布特征、濾料層空間膨脹特征及濾料顆粒表面吸附與截留粒子的脫附情況為依據(jù)，對反沖洗性能進行評價，由此研究反沖洗工藝運行特征及影響因素。所得結論可為油田含聚污水處理提供工藝與技術參考。

1 物理建模

1.1 物理模型

以直徑4 m規(guī)格的壓力式過濾罐為原型，建立含聚污水雙層級配濾料反沖洗工藝簡化物理模型，如圖1所示。該模型省去輔助單元結構，保留進、出水口，并以大阻力篩管為反沖洗配水，在反沖洗過程中，水流從過濾罐底部進水口進入，通過大阻力篩管配水，實現(xiàn)對濾料層的反沖洗，沖洗后污水從左上方出水口排出。

圖1 改變?yōu)V料級配填充高度比的反沖洗物理模型

對于物理模型最重要的濾料層區(qū)域，為節(jié)省計算資源，提高求解收斂效果，運用Rocky軟件與Fluent軟件耦合填充建立(見圖1)，參照油田現(xiàn)場級配濾料填充實際情況，以磁鐵礦濾料層高度等值增加的方式，對比石英砂濾料層，確定不同填充高度比的濾料級配模式，以此進行雙層級配濾料反沖洗過程數(shù)值模擬。所建立的物理模型具體幾何參數(shù)如表1所示。

表1 反沖洗過濾罐幾何參數(shù)設置

1.2 網(wǎng)格劃分

在劃分反沖洗工藝過濾罐物理模型網(wǎng)格結構時，考慮到大阻力篩管配水系統(tǒng)結構較為復雜，選擇以四面體為主導進行非結構性網(wǎng)格劃分[9-10]，網(wǎng)格劃分如圖2所示。根據(jù)所屬區(qū)域的功能不同，將其劃分為篩管配水、承托墊料層及濾料層3個區(qū)域，并對每個區(qū)域分別進行適度網(wǎng)格加密。

圖2 物理模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學建模

2.1 數(shù)學模型

濾料顆粒在反沖洗過程具有流動與相互碰撞特征，且顆粒粒徑較大、數(shù)量繁多，可以看作稠密顆粒流動，因此采用DEM手段進行填充模擬。同時，濾料層內(nèi)由濾料顆粒堆積形成的孔隙填充結構，也使流體在濾料層孔隙內(nèi)的流動狀態(tài)復雜，即流體多處于流線彎曲程度較大或者應變率較高的狀態(tài)，故選用RNGk-ε湍流模型進行模擬[11-13]。模擬過程中，控制顆粒平移和旋轉運動的求解方程分別為：

(1)

(2)

式中：mp為顆粒質量，kg；vp為粒子速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；FC為顆粒和顆粒或顆粒和壁面間的接觸力，N；Ff→p為顆粒與液相相互作用對其自身產(chǎn)生的力，N；ωp為角速度，rad/s；Jp為慣性張量的瞬時值，kg·m2；Mc為導致顆粒旋轉的切向力產(chǎn)生的凈扭矩，N·m；Mf→p為由液相梯度產(chǎn)生的附加扭矩，N·m。

控制流體流動的質量守恒方程與動量守恒方程分別為：

(3)

?·(αfTf)+αfρfg

(4)

(5)

式中：αf為流體的體積分數(shù)；ρf為流體的密度，kg/m3；u為流體的速度，m/s；Tf為流體的應力，Pa；μf為流體的動力黏度，Pa·s；p表示流體正壓力，Pa；λf為第二黏性系數(shù)，Pa·s；Fp→f為在與顆粒相互作用下單位長度對流體產(chǎn)生的變化梯度，Pa/m。

2.2 計算求解

基于上述反沖洗工藝簡化物理模型及相應數(shù)學模型，為保證模擬的合理性與準確性，根據(jù)相關流體特性和實際運行工況特征，對流動過程進行如下假設：①不考慮反沖洗用水密度變化，將流體視為不可壓縮；②濾料顆粒物理強度較高，忽視反沖洗過程中因顆粒碰撞而可能發(fā)生的結構改變；③濾料顆粒在耦合填充過程中被定義為球形顆粒[14]；④假定流動、沖洗過程中的水質溫度恒定[15]。

求解區(qū)域邊界條件為：給定進水口入口速度，給定出水口出口壓力，給定壁面為靜止壁面。同時，求解計算過程中，采用非定常的計算方式，模擬反沖洗過程中流體與顆?；蛘哳w粒與顆粒之間相互作用下的瞬態(tài)變化；并使用基于壓力基的SIMPLE算法求解計算[12]，壓力離散項采用Body Force Weighted格式，速度離散項采用Second Order Upwind格式，計算殘差均設為0.001，其余各項與松弛因子則保持“默認”。

3 數(shù)值模擬及結果

3.1 數(shù)值模擬方案及工藝參數(shù)

根據(jù)污水站處理運行實際情況，針對雙層級配濾料過濾工藝，以完成一個過濾周期后、反沖洗運行前為節(jié)點，選取低、中、高3種反沖洗強度變化，進行一級含聚污水過濾后不同級配模式濾料反沖洗工藝數(shù)值模擬。對于不同填充高度比級配濾料層內(nèi)吸附與截留的油滴和懸浮固體含量，選取在300～500 mg/L范圍內(nèi)的較高濃度含聚污水一級過濾工況，根據(jù)現(xiàn)場實際與文獻查閱統(tǒng)一進行取值[5，16]，具體模擬方案及工藝參數(shù)如表2所示。

表2 模擬方案及工藝參數(shù)設置

3.2 雙層級配濾料反沖洗過程模擬結果

3.2.1 濾料層壓力場分布及影響

在完成不同填充高度比級配模式濾料反沖洗工藝運行模擬后，選取反沖洗工藝運行穩(wěn)定后某一時刻，截取過濾罐縱向截面，建立壓力場分布特征云圖，在不同反沖洗強度時，雙層級配濾料反沖洗過程中壓力場分布云圖如圖3所示。

圖3 不同反沖洗強度下雙層級配濾料反沖洗過程壓力場分布特征

從圖3可以看出，不同反沖洗強度、不同填充高度比級配模式下的反沖洗過程壓力場分布特征大體相同。來水通過大阻力篩管從過濾罐底部進行配水，進入濾料層區(qū)域后，壓力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，同時呈現(xiàn)出較為強烈的波動特征，并主要集中在濾料層區(qū)域底部。經(jīng)分析認為，在反沖洗過程中，反沖洗水流與濾料之間產(chǎn)生強烈的湍流脈動與剪切效應，由此造成不平穩(wěn)的動能消耗，進而形成這種波動特征。同時，這種波動特征在一定程度上也體現(xiàn)出了反沖洗水流對濾料顆粒表面附著的油滴和懸浮固體進行沖洗與脫附的能力。這種波動特征隨反沖洗強度的變化與濾料填充高度比級配模式的改變而各不相同，對于不同反沖洗強度，受反沖洗水流與濾料顆粒自身的多重作用力，如浮力、重力、剪切力等作用力的綜合影響，在不同填充高度比級配模式下，普遍以反沖洗強度15 L/(s·m2)時的壓力場波動程度表現(xiàn)最強。對于不同級配模式，在不同反沖洗強度下，則普遍以填充高度比為1.28～1.67時壓力場波動程度表現(xiàn)最強，更有利于濾料顆粒表面吸附與截留粒子的脫附；而在填充高度比為2.20時，磁鐵礦濾料層厚度更大。由于其本身的大密度特性，使得在反沖洗過程中濾料顆粒運動程度降低，減小了由此帶來的額外湍流耗散效應，隨之濾料顆粒表面吸附與截留粒子脫附概率減小、壓力場穩(wěn)定性增強。此外，隨著反沖洗強度的增加，反沖洗壓降也相應增大。

3.2.2 濾料層膨脹特征及影響

模擬工況運行穩(wěn)定后，取過濾罐橫向距離分布為橫坐標、縱向距離分布為縱坐標，后處理分別獲取濾料層中磁鐵礦顆粒與石英砂顆粒的空間分布特征，分析反沖洗過程濾料層膨脹特征及影響。圖4為不同反沖洗強度時雙層級配濾料反沖洗過程濾料層的膨脹特征云圖。

圖4 不同反沖洗強度下雙層級配濾料反沖洗過程中濾料層膨脹特征

從圖4可以看出，在反沖洗水流的不斷沖刷與攜帶作用下，濾料層表現(xiàn)出了不同程度的膨脹特征與顆粒運動特征，且隨著反沖洗強度的增加，2種特征均更加明顯。當反沖洗強度為15 L/(s·m2)時，不同填充高度比級配模式的濾料層膨脹行為均顯著強于反沖洗強度為10 L/(s·m2)時，其中，以填充高度比為1.28膨脹效果最好，這也是濾料層內(nèi)具有大密度特性的磁鐵礦濾料減少而帶來的必然結果。同時，在15 L/(s·m2)的反沖洗強度下，濾料顆粒運動特征明顯，不同填充高度比級配模式濾料反沖洗過程均在壁面出現(xiàn)了濾料顆粒的“翻滾”與不同程度的“摻混”。隨著反沖洗強度的繼續(xù)增加，當反沖洗強度為20 L/(s·m2)時，在更大強度水流的作用下，濾料顆粒運動特征改變，更多的底部磁鐵礦濾料顆粒向上部石英砂濾料層進行運動，同樣，以填充高度比為1.28時顆粒運動特征表現(xiàn)較為明顯，相比之下，反沖洗強度為20 L/(s·m2)時的不同填充高度比級配模式下的膨脹程度也均有所增強。經(jīng)分析認為，以磁鐵礦濾料層填充高度更小的級配模式進行反沖洗，有助于濾料層的膨脹與濾料顆粒的翻動，從而使濾料顆粒與反沖洗水流接觸并被沖洗的機會增多，較利于濾層濾料顆粒表面吸附與截留粒子的脫附。

基于對反沖洗過程濾料層膨脹特征的認識，進一步對不同填充高度比級配模式反沖洗濾料層膨脹率進行定量化分析，將濾料層在反沖洗過程中增加的高度與濾料層填充高度的差值定義為膨脹高度；繼而，將反沖洗膨脹后的濾料層分成n層，數(shù)據(jù)統(tǒng)計每層濾料層中濾料的體積分數(shù)，則根據(jù)質量守恒原理，可計算反沖洗后濾料層的膨脹高度與濾料層膨脹率：

(6)

ηe=(ΔH/H0)×100%

(7)

式中：ΔH為濾料層膨脹高度，m；H0為濾料層填充高度，m；ηe為濾料層膨脹率，%；θ0為濾料層中濾料的體積分數(shù)；θi為反沖洗膨脹后每一層濾料的體積分數(shù)；n為濾料層被拆分后的層數(shù)。

提取模擬結果數(shù)據(jù)，對濾料各層及其體積分數(shù)進行整理并計算，反沖洗過程中不同填充高度比級配模式的濾料層膨脹率計算結果如表3所示。

表3 反沖洗過程中濾料層膨脹率計算結果

由表3可得，計算結果與濾料層膨脹特征云圖相一致，隨著反沖洗強度的增加，不同填充高度比級配模式濾料層膨脹率隨之增加，且均為下部磁鐵礦濾料層膨脹率高于上部石英砂濾料層。其中：填充高度比1.28時濾料層膨脹率最大，在反沖洗強度最大為20 L/(s·m2)時，磁鐵礦濾料層與石英砂濾料層膨脹率分別可達到46.32%和24.57%；填充高度比1.67時濾料層膨脹率表現(xiàn)次之，在反沖洗強度最大為20 L/(s·m2)時，磁鐵礦濾料層與石英砂濾料層膨脹率分別可達到41.56%和19.67%。這也進一步表明，磁鐵礦濾料層高度的減小有助于濾料層膨脹高度的增加，使相應單位濾料層體積內(nèi)濾料顆粒的數(shù)量減少、濾料顆粒表面所受剪切作用增強，因此有利于濾料顆粒表面吸附與截留粒子的脫附。

3.2.3 吸附與截留粒子脫附規(guī)律

提取反沖洗模擬過程濾料顆粒表面吸附與截留粒子統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以反沖洗運行前級配濾料層吸附與截留粒子總質量為基準，區(qū)分油滴和懸浮固體。針對整個反沖洗過程，濾料層吸附與截留的油滴和懸浮固體脫附率的計算式為：

(8)

式中：ηd為濾料層吸附與截留的油滴或懸浮固體的脫附率，%；M0為反沖洗運行前濾料層中油滴或懸浮固體的總質量，kg；Vfi為通過出口的不同種油滴或懸浮固體的體積，m3；ρ為油滴或懸浮固體的密度，kg/m3；i為通過出口的油滴或懸浮固體種類標注。

反沖洗過程中濾料層內(nèi)吸附與截留粒子的脫附率計算結果如表4所示。

表4 反沖洗過程濾料層吸附與截留粒子脫附率計算結果

從表4可知，在反沖洗過程中，對于任一種濾料填充高度比級配模式，油滴與懸浮固體的脫附率均與反沖洗強度呈正相關，且普遍表現(xiàn)為油滴的脫附效果好于懸浮固體。這是因為相比于懸浮固體，油滴屬于液態(tài)，本身具有流動特性，更易被反沖洗水流剪切、攜帶，脫附概率更大。對于不同反沖洗強度，在反沖洗強度為10 L/(s·m2)時，以填充高度比為1.67在反沖洗過程中吸附與截留粒子的脫附效果最好，油滴與懸浮固體脫附率分別可達66.41%和57.27%；在反沖洗強度為15和20 L/(s·m2)時，則均以填充高度比為1.28時在反沖洗過程中吸附與截留粒子脫附效果最好。其中，反沖洗強度為15 L(s·m2)時油滴與懸浮固體脫附率分別可達78.41%和71.12%，在20 L/(s·m2)時分別為81.32%和77.62%。這也進一步表明填充高度比的降低(石英砂濾料層高度增大)更有益于濾料層中濾料顆粒表面所吸附與截留粒子的脫附。

4 結 論

綜上分析含聚污水雙層級配濾料過濾處理工藝反沖洗運行特征及影響規(guī)律，可得如下結論：

(1)在反沖洗過程中，自級配濾料層底部區(qū)域向上，壓力場存在不同程度的波動行為。其中，以反沖洗強度為15 L/(s·m2)時濾料不同填充高度比級配模式的壓力場波動程度表現(xiàn)最強。相同反沖洗強度下，則以填充高度比1.28～1.67時壓力場波動程度表現(xiàn)最強，更有利于濾料顆粒表面吸附與截留粒子的脫附。

(2)在反沖洗水流的沖刷、攜帶作用下，濾料層表現(xiàn)出不同程度的膨脹特征，且隨著反沖洗強度的增強，濾料層膨脹增強，濾料層中濾料顆粒出現(xiàn)不同程度的“翻滾”與“摻混”現(xiàn)象。

(3)以磁鐵礦濾料層高度更小的填充高度比級配模式進行反沖洗，有助于濾料層中濾料顆粒表面所吸附與截留粒子的脫附。

(4)在含聚濃度范圍在300～500 mg/L的較高含聚濃度污水一級過濾工況中，推薦使用1.28～1.67的填充高度比級配模式與20 L/(s·m2)的反沖洗強度進行濾料層反沖洗，以使濾料層吸附與截留的油滴與懸浮固體脫附率均達到70%以上。