通过旋流器膜过滤减轻返排水和产出水处理中的油水-固体混合污垢：湍流随机性的关键作用

《Water Research》：Mitigating combined oil-solid fouling in flowback and produced water treatment via hydrocyclone membrane filtration: The critical role of turbulent randomness

　　

摘要

本研究开发了一种新型水力旋流器膜组件（HMM），以解决压裂返排液和产液处理中面临的严重膜污染问题。通过将宏观实验、多相CFD模拟和微观原位观测相结合，本文明确揭示了一种在膜污染研究中始终被忽视的机制——局部湍流随机性。水力旋流器膜过滤（HMF）模式下的HMM通过协同的、尺寸依赖的水动力学机制来减轻污染。首先，HMF构建了一个充满微涡的超薄湍流边界层（δf = 319 μm），该微涡与湍流喷射耦合，将亚微米污染物的径向扩散系数提升至约10?? m2 s?1，从而在运动学上阻止密集的浓度极化。其次，湍流级联和扫掠诱导产生高频（50.29 Hz）脉动剪切，为微米级污染物克服黏附势垒并提供实现连续自清洁的决定性瞬时动量。关键在于，HMF的宏观涡旋通过空间分级作用协同了这些机制：向心浮力将大油滴排斥至中心轴，而离心富集的粗蒙脱石颗粒则在膜附近捕获逃逸的亚微米油滴。这种尺寸放大效应将穿透性的亚微米油滴转化为微米级聚集体，从而最大化脉动剪切的去除效益。因此，HMM在处理实际返排液和产液时表现出卓越的抗污染性能，尤其在富含固体颗粒的环境中表现突出。出水油浓度保持在< 5 mg L?1，且经超声清洗后通量恢复率超过97%。总体而言，本研究显著丰富了我们对多相湍流过滤系统中耦合传质过程的理解，同时为产液处理提供了一种紧凑而稳健的技术。

引言

非常规油气开采的迅速扩张产生了大量压裂返排液和产液（Siagian et al., 2024）。这些含乳化油和悬浮固体的顽固多相混合物具有高毒性，若未经处理将造成严重的生态危害（Rajbongshi and Gogoi, 2024）。为降低这些风险，此类废水通常被送往环境排放或进行资源化再利用（例如注回油藏）。然而，达到这些应用的严格监管标准极具挑战性，其中海洋排放的水中油（OIW）浓度限制为< 30 mg L?1（OSPAR Commission, 2018; U.S. EPA, 2016），低渗透性油藏注回的限值为< 5.0 mg L?1（例如中国SY/T 5329-2022标准）。此外，传统多级处理工艺运行周期长且占地面积大（Liu et al., 2021）。因此，开发紧凑、高效且环保的处理单元对于油气行业的可持续发展至关重要。

膜分离技术因其无化学药剂操作、出水水质优异且占地面积小，在处理此类废水方面显示出巨大潜力（Ibrahim et al., 2023）。然而，在常规错流过滤中，多相污染物极易引发协同的油-固膜污染（Shim et al., 2024）。无化学药剂的物理策略，如进料间隔件或移动膜组件，已因其抗污染效果而获得广泛关注（Lin et al., 2021; Zhang et al., 2022）。其抗污染机制主要依赖于增强膜附近湍流以强化颗粒扩散和抬高剪切力以增强水动力抬升，从而促进污染物回输并减轻浓度极化（Wang et al., 2023）。然而，基本流体力学本质上极为复杂，具有多尺度涡、强烈随机性和空间异质性（Schlichting and Gersten, 2017）等特征。因此，当前对膜系统中湍流边界层内部结构、微观流体脉动及其导致的污染物时空迁移的理解仍然非常有限。

尽管将水动力学机制与实际膜性能联系起来具有重要意义（Zhang et al., 2021），但现有研究经常忽视了局部微观湍流在污染物脱附中的关键作用。对于壁面黏附颗粒，再悬浮主要由扭矩驱动的摇晃-滚动机制控制（Henry and Minier, 2014）。传统力平衡模型严重依赖时间平均剪切应力，而忽视了极端的瞬时湍流脉动（爆发/喷射），从而显著高估了细颗粒脱附的临界剪切效应。类似地，现有的动态剪切增强过滤经验公式（例如J = cγ?）依赖于时间平均剪切速率，忽略了必要的瞬时水动力学贡献。最近，Rana等人（2024）证实，在流体-膜界面处，由湍流脉动驱动的污染减轻不可或缺，其脱附效果往往超过传统时间平均剪切。

传统宏观测量缺乏揭示湍流边界层内瞬时微观机制的能力。因此，高保真计算流体力学（CFD）模拟常作为替代方案采用。然而，许多CFD模型将膜简化为刚性不透壁面，过度简化了污染物-膜相互作用。这是不合适的，因为水平剪切在超薄黏性子层内严重衰减，使得垂直渗透拖曳主导颗粒沉积。忽略此渗透拖曳会导致对法向对流传质的严重低估（Yang et al., 2022）。随着高速成像技术的最新进展，原位流场观测和图像分析为膜界面水动力学的可视化提供了能力。例如，Tummons等人（2020）观测到了油滴聚并成表面薄膜的过程。Dunkel等人（2025）利用颗粒追踪测速（PTV）揭示了二次涡的形成。将渗透耦合的CFD模拟与原位微观流场观测相结合，为克服当前湍流膜过滤研究中的局限性提供了一种非常有前景的方法。

因此，本研究旨在：(1) 开发一种具有强湍流的新颖膜过滤单元，用于处理富含污染物的压裂返排液和产液；(2) 填补湍流随机性在膜污染控制中作用方面的理论空白。为此，通过3D模拟和打印设计并制造了一种具有强烈旋流的管式水力旋流器膜组件（HMM）。为揭示抗污染的多尺度机制，开发了一种耦合宏观实验、多相CFD模拟和原位PTV观测的综合方法论。利用该方法，系统地研究了水力旋流器膜过滤（HMF）的水动力学和抗污染性能，并以蒙脱石和正十六烷为模型污染物与常规错流过滤（CFF）进行对比。多相水动力学通过大涡模拟耦合离散相模型（LES-DPM）重建，而YOLOv8辅助的PTV精确追踪了污染物轨迹。最后，利用实际返排液和产液对HMM的性能进行了验证。这些结果阐明了湍流边界层的随机特征及其对污染物传输的控制效应，为多相环境系统中稳健的物理抗污染控制提供了理论基础。

分段摘要

过滤进水

通过在不同底液中分散蒙脱石（2500 kg m?3，30 mg L?1）、正十六烷（773 kg m?3，50 mg L?1）或其混合物来制备合成返排液和产液，底液含有0.1 mM十二烷基硫酸钠和0.01 M NaCl（化学规格见表S1）。这些模型废水在1000 rpm下搅拌3小时，过滤过程中保持500 rpm搅拌。其他进水还包括来自中国中部油田的实际产液（PW）和返排液。

合成废水的水力旋流器膜组件性能

为评估开发的HMM，分别以HMF模式和CFF模式在相同初始渗透通量下过滤含蒙脱石、正十六烷及其混合物的合成进水。如图2a、b所示，HMF模式下渗透通量仅下降2.9%–6.5%，对应水力阻力增加13.1%–18.1%。相比之下，CFF模式下通量下降幅度更大，为31.1%–36.4%（阻力增加22.4%–42.2%），表明发生了

结论

本研究开发了一种新型管式HMM，以应对油气生产废水中复杂油-水-固体系所代表的严苛分离条件。通过全面揭示多相传质过程，本研究填补了湍流随机性在膜污染控制中作用方面的理论空白。从根本上说，湍流随机性通过高度尺寸依赖的机制协调污染物的传输。(1) 对于亚微米污染物，

CRediT作者贡献声明

张梦琪：撰写——初稿、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念设计。唐娟：正式分析、数据管理。刘康：软件、方法论。马静：方法论、调查研究。黄海鸥：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本研究所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢合作石油和天然气公司提供本研究评估的工业废水样品。同时，我们衷心感谢张海涛先生（Revealer Co., Ltd.）在原地观测方面提供的帮助，以及李超然博士（Swinburne University of Technology）在基于YOLOv8的颗粒追踪策略方面提供的宝贵技术支持。本研究由国家重点研发和教育部水沙科学重点实验室资助。

张梦琪|唐娟|刘康|马静|黄海鸥

教育部水沙科学重点实验室，北京师范大学环境与资源学院，北京100875，中国