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 勝 Diego ROSSO

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.加利福尼亞大學歐文分校土木與環境工程系）

注水注聚采油是我國油田開發的主要方式，這使得采出液中含有大量的顆粒物、油液及化學藥劑等［1］。油田污水處理就是將轉油站、脫水站和聯合站處理后的含油污水通過沉降、過濾等手段凈化處理，以達到水質指標的要求，回注地下再利用［2］。顯然，其處理效果直接影響到油田的開采和環境保護［3］。開展含油污水沉降機理研究，建立污水全系統沉降模型并進行模擬分析，將揭示污水處理的過程和規律，對提高油田污水處理效果意義重大。

目前，國內對于沉降系統的研究，主要是通過流場分析的方法優化沉降系統的結構工藝來達到一定的凈化效果。 李杏杏利用數值模擬、流場實驗等方式的結合，優化改進了混凝沉降罐的內部結構［4］。韓海倉等利用Fluent對沉降罐內配液管不同開孔方式的流場進行研究，分析沉降罐的油水分離效果［5］。 雖然沉降系統的研究取得了一定的進展和效果，但學者們大多將城市污水的沉降理論和分析方法轉用于含油污水，沒有針對含油的特殊性研究油液的上浮機理，更鮮有建立系統整體的數學模型進行模擬，整個含油污水的精確建模和模擬研究仍遠落后于其他領域。 筆者通過與美國加利福尼亞大學歐文分校城市水研究中心合作， 首次將Takacs沉降模型改進用于油液上浮的模擬， 力求建立完善的系統整體沉降模型，并結合現場和實驗數據，深入分析仿真結果，驗證模型對污水凈化的描述性。

1 模型依據

1.1 模型應用依據

沉降是油田含油污水處理的首要環節，核心為重力沉降［6］。 Takacs模型是重力沉降的經典模型，可用于模擬在穩態或動態下污水中各物質的分布和沉降速度［7，8］。含油污水的沉降過程總體上為基本穩態， 故Takacs模型對此具有適應性［9，10］。但由于油田污水含油的特殊性，懸浮固體沉降與油液上浮同時發生， 兩者獨立進行又彼此干涉，而油田中除油率和除懸率是評價凈化效果的兩個重要指標。 顯然，建立油液上浮的數學模型，并考慮物質間的彼此耦合和層間耦合特性，從整體上描述含油污水沉降過程和效果很有必要。

1.2 沉降系統的離散化

如圖1所示，按照經驗和實際沉降系統工況，將沉降罐劃分為10層，第3層為進水口層，第1、7、10層分別為收油層、出水口層和污泥層，水流速度可根據各流量和沉降罐截面積計算得出。 污水流入后，分別向上和向下流動。 對于任一層，接受著上一層下沉的懸浮固體和下一層上升的油液的同時，本層中的懸浮固體也向下一層沉降且油液向上一層上升。 層與層間存在緊密的耦合關系（圖2），在各層閾值濃度Xt干涉下，可以通過各層的通量J來描述，J是各物質的濃度和速度的函數。

圖1 沉降罐離散化示意圖

圖2 模型層間耦合關系

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，將影響水質穩定劑的正常使用，阻止空氣中的氧溶解于水，因此除油率亦是評價污水處理效果的重要參數。 油液的凈化過程與懸浮固體的重力沉降剛好相反，一直處于上浮狀態且具有聚合性——油液在上浮過程中，不同粒徑的油滴不斷發生碰撞和融合，使其粒徑不斷改變，致使上浮速度和擴散通量發生變化。 因此，必須綜合考慮以上因素，才能建立準確的數學模型，描述油液的運動規律和耦合特性。

由于上浮和沉降的原理相似， 筆者仍將Takacs模型作為油液上浮模擬的基礎， 在此前提下，改進Takacs模型，需引入油液聚集速度vc和油液聚集通量Jc：

在vc，i的計算中， 等號右側的第1項反映顆粒中徑較大且聚集快的油滴聚集速度， 第2項反映顆粒中徑較小且聚集慢的油滴聚集速度。

最終，建立油液上浮模型如下：

由式（14）～（20）可見，各層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，此時Js仍用來描述各層間由于重力作用油液的耦合關系，Jc用來描述油液的聚集性帶來的層間耦合關系。

含油污水中還包含如鹽、硫化物及揮發酚等可溶性有機物。 油田只要求處理懸浮固體與油液的污水全部回注地下，確保污水不外排亦不做他用， 對油和懸浮物以外的物質并無嚴格要求，筆者對此進行簡化處理， 不做詳細建模和仿真分析。

3 仿真分析

3.1 參數設置

采用Simulink建立仿真模型， 并進行GUI設計。 模型中最小沉降速度和最大上浮速度的取值直接決定懸浮固體、 油液的濃度和凈化效果，與研究對象的理化性質密切相關，故理化數據基于大慶油田某污水處理廠實際技術參數和實驗室樣本實測數據：

污油含量 194g/m3

懸浮物含量 216g/m3

其他有機物含量 406g/m3

最大固體沉降速度 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

受阻沉降區固體沉降參數 5.76×10-4m3/g

受阻沉降區油液上升參數 5.76×10-4m3/g

懸浮固體閾值濃度 4 000g/m3

油液閾值濃度 5 000g/m3

不可沉降參數 0.002 3

最大油液濃度 840 000g/m3

最大油液聚集速度 6m/d

離散區沉降參數 0.002 9m3/g

離散區聚集參數 8×10-5g/m3

集合區聚集參數 9×10-5g/m3

3.2 仿真結果

3.2.1 實驗設計

實驗裝置主要由量筒、燒杯、攪拌棍、分液漏斗、漏斗、電子天平、加熱盤、真空抽濾瓶、濾紙、烘干爐、電磁攪拌器、激光粒度分析儀及高速攝影器等組成。 為了反映現場水質，保證實驗數據真實有效，所有實驗均在采樣當天進行，具體過程為：

a. 測量各物質濃度。 取200mL污水原液進行實驗。 初始稱重之后，按時間梯度靜置，并分別測量漂浮至頂部的油液濃度；利用真空抽濾管加濾紙，對污水原液進行過濾實驗，測量懸浮固體濃度。

b. 測量油液沉降參數。 分別取20、80、120、160mL油液與凈化后的污水樣品混合， 充分攪拌后， 進行靜置實驗， 并在1、2、3、4、5、10、15、20、30、45、60min時用高速攝像機進行拍攝記錄，測量油液在污水中的沉降參數。

c. 進行粒徑分析。 利用激光粒度分析儀進行粒徑分析，包括未經處理的污水原液和經過沉降后的樣品，來獲取懸浮固體與油液的部分粒徑參數。

3.2.2 仿真結果

所有測量的參數作為數學模型的基礎數據，建立懸浮固體和油液數學模型并進行仿真模擬。仿真結果見表1，可見，采用持續4h沉降過程，懸浮固體含量從第1～10層逐層遞增，油液含量逐層遞減，第3～9層中懸浮固體含量在68～70g/m3，第8層上/下的油液含量均達到20g/m3左右，各層模擬計算值與實測值的相對誤差在6%以內。

表1 懸浮固體和油液的濃度仿真與實測值 g/m3

由表2可知， 沉降系統的油液去除率和懸浮固體去除率與實測值的偏差率的絕對值控制在1.50%以內。 因此，依據Takacs模型建立的油液上浮模型和污泥沉降模型能夠反映油田含油污水的真實沉降狀況，揭示沉降機理，而且懸浮固體的模擬效果稍優于油液的模擬。

表2 油液去除率與懸浮固體去除率 %

3.3 仿真分析

3.3.1 仿真曲線

圖3為各層懸浮固體濃度變化曲線。 由圖3可知，懸浮固體除第10層污泥層外，總體都呈現出下降，最終達到恒定的趨勢。 第3層之上由于入水口影響了物質交換， 導致濃度的初期波動較大，其中第1、2層受到下方各層的油液上浮影響最大，懸浮固體含量逐漸降低；第3、4層先小幅升高隨后下降，并趨于穩定，原因在于初期第1、2層下沉至第3層的懸浮固體含量多于第3層下沉至第4層的含量；第5～9層，由于位置比較靠下，受到上方各層的累積沉積效應有所延后，初期出現穩定期，層數越靠下，穩定期越長；作為污泥層的第10層， 其懸浮固體的含量隨著時間一直在增加。

圖3 第1～10層中懸浮固體濃度變換曲線

圖4為各層油液濃度變化曲線。 由圖4可知，油液濃度總體呈現下降并恒定的規律。 第3層及之上出現了濃度的初期波動，油液含量先小幅升高，隨后趨于穩定，原因是第2、3層初期接受下層油液上浮的作用大于向第1層的上浮；第4～10層油液含量迅速下降，并在一定時間后趨于穩定。

圖4 第1～10層中油液濃度變換曲線

對比可見，同樣的沉降時間，由于油液上浮速度較懸浮物下沉速度慢，使得趨于穩態的油液凈化周期較懸浮固體凈化周期長。

3.3.2 非穩態層仿真分析

非穩態層由于與外界進行物質交換，物質上浮或沉降態勢具有其特殊的變化規律。 分別針對4個非穩態層進行仿真分析。

第1層收油層， 主要受到下層油液的上浮作用，并將本層懸浮固體沉降至下層。 如圖5所示，懸浮固體濃度總體呈現一直下降的趨勢，因為沒有上層污水的影響，短期內以指數級迅速達到穩態，初期的效果明顯優于后期；該層的油液濃度呈現先上升后逐步下降趨于穩定的趨勢，由于下面層數較多，初期接受下層油液上浮的累積效果起決定作用，含油率上升達到頂峰后油液溢流并逐步下降，最終達到穩定，且達到穩態的過程比較緩慢，這也是由于下面層數多和油液上浮速度慢所致。

圖5 第1層各物質變換曲線

第3層進水層， 與上下鄰層都存在懸浮固體和油液的雙交換。 如圖6所示，懸浮固體濃度曲線顯示出急速上升隨后下降的趨勢，該層初期接受上兩層懸浮固體的沉降量快于向下層的沉降，懸浮固體含量快速上升，上兩層影響減弱后達到穩態，這個過程非常短，源于沉降速度較大和上面的層數較少，也可從圖3可見，出水口層之上均具有類似趨勢；油液濃度呈現先上升后逐步下降至穩定的趨勢，初期下層油液的上浮作用大于向上兩層上浮的作用，此趨勢與第1層類似，但明顯凈化周期縮短很多，因為下層層數減少，而且本層油液亦可上浮至其他層。 另外，油液總體的凈化時間較懸浮固體長，是油液的上浮速度比懸浮固體沉降速度小所致。

圖6 第3層各物質變換曲線

第7層出水層， 同樣與上下鄰層都受到懸浮固體和油液的交換作用。 如圖7所示，由于位置比較靠下， 受到上方各層的累積沉積效應有所延后。 此外，隨時的出液和向下層沉降也會對懸浮固體濃度有影響，因此導致懸浮固體濃度在初期一段時間內，處于緩慢上升后趨于基本穩態的式樣，從圖3中亦可看出，越靠下的層，其達到穩態的處理周期將越長；油液濃度與第1層、第3層及其以上各層一樣，均呈現先上升后逐步下降至穩定的趨勢，但顯然上升的幅度和達到穩態的時間都在逐步縮短，這是因為越往下層受更下層的影響將減少。

圖7 第7層各物質濃度變換曲線

第10層污泥層，主要負責污泥沉降和收集處理，只與上層存在耦合交換，受上層懸浮固體的下沉作用，并將本層油液上浮至上層。 圖8為該層的懸浮固體和油液濃度變化都不再波動，懸浮固體濃度呈持續增大趨勢且增大速率穩定；油液濃度呈指數級下降趨勢，相對其他各層都快。

圖8 第10層各物質濃度變換曲線

3.4 綜合評價

相對來看，油液上浮速度較懸浮固體沉降速度慢，穩態和非穩態層都體現出油液的凈化周期長的特點。 此外，從各模擬曲線均可見，懸浮固體和油液濃度最終都將趨于穩態， 達到凈化效果。沉降過程中，沉降罐結構、污水水質和凈化時間都是影響凈化效果的核心因素，但要保證凈化效果，其中的時間因素仍然是影響凈化效果的關鍵參數。

4 結束語

油田含油污水處理效果直接關系到回注地下的水質，影響油田的開采和環境保護。 在凈化水系統模擬中，提高沉降系統油液和懸浮固體建模和計算的準確性，具有很大的實用價值。 通過分析研究， 筆者將Takacs模型應用于油液上浮的模擬，增加了油液凝聚速度參數，建立了油液上浮模型和污泥沉降模型。 計算結果表明，兩種模型能夠反映油田含油污水的真實狀況，可揭示上浮和沉降機理。 并通過仿真模擬借助現場數據進行深入分析，準確預測污水凈化效果，為尋求高效、綠色且智能化的油田污水處理系統提供一定的理論依據。