CN104108833A

CN104108833A - 一种压裂返排液的物化生化组合处理方法

Info

Publication number: CN104108833A
Application number: CN201410333420.1A
Authority: CN
Inventors: 李慧强; 杨平; 刘兴鹏; 陈婷婷
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: CN104108833B

Abstract

本发明提供了一种压裂返排液的物化生化组合处理方法，该方法的步骤如下：(1)将压裂返排液通入调节沉淀池中，控制压裂返排液的pH值为6～8、压裂返排液在调节沉淀池中的水力停留时间为2～4h；(2)将调节沉淀池中的上清液通入混凝沉淀池中，并向混凝沉淀池中加入聚合氯化铝水溶液和聚丙烯酰胺水溶液，沉淀去除混凝沉淀池中的废水中的悬浮颗粒，将混凝沉淀池中的上清液通入中间池，调节中间池中废水的COD浓度为800～1200mg/L；(3)将中间池中的废水通入完成了生物膜培养的好氧流化床膜生物反应器中处理，所述好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下采用连续进水、连续排水的方式运行，处理后的废水经过好氧流化床膜生物反应器的膜组件后排出。

Description

一种压裂返排液的物化生化组合处理方法

技术领域

本发明属于油气田废水处理领域，特别涉及一种压裂返排液的处理方法。

背景技术

页岩气储层具有低孔隙率和低渗透率等物理特征，气流的阻力比常规天然气大，因此页岩气的开采需要进行压裂处理。目前常用的页岩气压裂技术包括多级压裂、同步压裂以及清水压裂等工艺，上述压裂工艺多为大水量集中压裂方式，压裂液量为2000～15000m³/井，返排比例约为40～60％，返排过程长，返排液数量较大。常用的压裂液类型有减阻水压裂液、纤维压裂液和清洁压裂液等。压裂液中的添加助剂主要包括酸、抗菌剂、破乳剂、缓蚀剂、表面活性剂等，上述助剂的加入，使得压裂返排液的成分十分复杂，除了含有化学添加剂成分外，还有烃类化合物、氯化物和碳酸盐等，无害化处理难度较大。页岩气储层的压裂处理会产生大量的压裂返排液，若不进行妥善处理，会对作业周边的生态环境造成严重影响，同时造成水资源的大量浪费。因此，开发经济、高效并且适合页岩气开采复杂环境的压裂返排液处理方法，减少页岩气开发过程中污染物的排放量，降低对周边环境的影响，对实现页岩气资源的高效开发与环境保护的和谐统一具有重要意义。

压裂返排液一般采用组合工艺进行处理，目前采用的组合工艺主要有“混凝-氧化-微电解-氧化-吸附”五步法工艺，“混凝-萃取-微电解-活性炭吸附-氧化-生化”六步法工艺，另外还有“预氧化-混凝-催化氧化-吸附”、“絮凝-微波强氧化-活性炭毡-纳滤-反渗透”等组合工艺。上述工艺采用的氧化、电解、吸附、反渗透等操作，导致投资和运行成本十分高昂，并且上述工艺的工艺路线均较长，操作十分繁琐，此外，由于上述工艺的反应条件相对苛刻，对操作参数要求较高，导致上述工艺还存在操作难度大、不易控制的问题。目前也有关于采用生化法处理压裂返排液的报道，但现有生化处理方法均以静态培养为主，需要处理一个月左右才能达到排放标准，处理效率十分低下，无法实现工程应用，并且由于压裂返排液中含有的污染物多为难生物降解物质，使用现有常规生化处理方法处理该类废水，其出水难以达到符合要求的污染物去除效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压裂返排液的物化生化组合处理方法，以简化压裂返排液的处理工艺，能够提高生化处理效率并降低处理成本。

本发明所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，步骤依次如下：

(1)在搅拌下将压裂返排液通入调节沉淀池中，控制压裂返排液的pH值为6～8，控制压裂返排液在调节沉淀池中的水力停留时间为2～4h；

(2)将调节沉淀池中的上清液通入混凝沉淀池中，并在搅拌下向混凝沉淀池中加入聚合氯化铝水溶液和聚丙烯酰胺水溶液，沉淀去除混凝沉淀池中的废水中的悬浮颗粒，将混凝沉淀池中的上清液通入中间池，调节中间池中废水的COD浓度为800～1200mg/L；

(3)将中间池中的废水通入完成了生物膜培养的好氧流化床膜生物反应器中处理，所述好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下采用连续进水、连续排水的方式运行，处理后的废水经过好氧流化床膜生物反应器的膜组件后排出，即完成压裂返排液的处理。

上述方法的步骤(2)中，采用向中间池中加入生活污水或/和经过步骤(3)处理的压裂返排液的方式调节中间池中废水的COD浓度为800～1200mg/L。

上述方法的步骤(3)中，控制废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间为16～20h，控制废水的温度为23～27℃，曝气量应使废水中的溶解氧浓度达到3.5～5.5mg/L。

上述方法中，好氧流化床膜生物反应器的生物膜培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为500～700mg/L、氨氮浓度为25～50mg/L的废水，所述废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的70～90％，活性污泥的投加量为每升废水2～3g，然后以间歇曝气的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；重复上述向好氧流化床膜生物反应器中加废水、间歇曝气和排出废水的操作，直至颗粒生物填料表面完全由生物膜覆盖时结束培养。好氧流化床膜生物反应器的生物膜培养时，颗粒生物填料的投放量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的5～10％。

上述方法的步骤(2)中，聚合氯化铝水溶液的加入量应使废水中聚合氯化铝的浓度达到20～25g/L，聚丙烯酰胺水溶液的加入量应使废水中聚丙烯酰胺的浓度达到30～50mg/L；所述聚合氯化铝溶液中聚合氯化铝的浓度为100～120g/L，所述聚丙烯酰胺水溶液中聚丙烯酰胺的浓度为3～5g/L。

上述方法的步骤(2)中，控制废水在混凝沉淀池中的水力停留时间为2～4h。

上述方法中，各步骤中用到的调节沉淀池、混凝沉淀池、中间池以及好氧流化床膜生物反应器可采用撬装式结构，撬装式结构更加有利于在复杂的页岩气开采作业环境中使用。

经过本发明所述方法处理后的压裂返排液的COD浓度可降低至约250mg/L及以下，氨氮浓度可降至10mg/L及以下，向经过处理的压裂返排液中添加助剂后，可继续用作压裂液对页岩气储层进行压裂处理，这一方面可以缓解直接排放或者回灌处理对页岩气开采周边的生态环境的不利影响，另一方面可节约大量的水资源，这对于水资源缺乏地区的页岩气开采具有重要的意义。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种新的压裂返排液的处理方法，该方法采用物化处理与生化处理组合的方式处理压裂返排液，工艺简单、易于操作，并且生化处理能够显著降低压裂返排液的处理成本。

2.本发明所述方法的生化处理阶段采用好氧流化床膜生物反应器进行处理，由于该生化处理过程兼具生物降解污染物和膜过滤的双重功效，因而可有效去除压裂返排液中的细小悬浮固体、胶体类物质，以及大部分的溶解性有机物，由于生化处理过程的成本低廉，因而与现有压裂返排液处理方法相比，本发明所述方法具有处理效果好、运行成本低的优点。

3.本发明所述方法采用好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下对废水进行处理，由于好氧流化床膜生物反应器具有强化生化处理过程的作用，提高了生化处理的效率，废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间仅为16～20h，缩短了整个压裂返排液的处理时间。

4.本发明所述方法采用的调节沉淀—混凝沉淀的物化处理工艺可有效控地制进入后段生化处理工艺的水质情况，加之中间池对水质的稳定作用，避免了水质过差以及水质不稳定对好氧流化床膜生物反应器造成过高的冲击负荷，因此，本发明所述方法具有良好的抗冲击负荷能力，出水水质稳定。

5.本发明所述方法可根据不同的压裂返排液水质条件调整各步骤的工艺参数，具有可操作性强的特点，适用于水质和水量都有较大波动的压裂返排液的处理。

附图说明

图1为本发明所述压裂返排液的物化生化组合处理方法的工艺流程图，图中，1—调节沉淀池、2—混凝沉淀池、3—中间池、4—好氧流化床膜生物反应器、5-1—第一搅拌器、5-2—第二搅拌器、6-1—第一进水泵、6-2—第二进水泵、6-3—第三进水泵、7—酸碱投加泵、8—混凝剂投加泵、9—曝气泵、10—曝气管、11—出水泵、12—膜组件。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述压裂返排液的物化生化组合处理方法作进一步说明。

下述各实施例中，所述好氧流化床膜生物反应器4的形状为圆筒体，高径比为2:1，包括反应区和膜组件12，反应区具有内套筒结构，内套筒的正下部设置有与外部的曝气泵9相连的曝气管10，膜组件12位于内套筒的正上方，膜组件12的出水口通过管件与外部的出水泵11相连，该反应器一侧的下部设置有进水口，该反应器自带温控装置，可调节其中废水的温度，该反应器的有效容积为6.2L。

下述各实施例中，所述颗粒生物填料的干粒径在0.3mm左右，湿堆积密度在1010kg/m³左右，湿比表面积在5400m²/m³左右。

实施例1

本实施例中，压裂返排液的COD浓度为27000mg/L左右，氨氮浓度在150mg/L左右，pH值约为11，采用本发明所述方法处理上述压裂返排液的工艺流程如图1所示，步骤依次如下：

(1)在第一搅拌器5-1的搅拌下，将压裂返排液由第一进水泵6-1通入调节沉淀池1中，通过酸碱投加泵7向调节沉淀池中加入硫酸调节压裂返排液的pH值至7，控制压裂返排液在调节沉淀池中的水力停留时间为2h。

(2)调节沉淀池1中的上清液依靠重力作用由混凝沉淀池2底部的进水口进入混凝沉淀池中，在第二搅拌器5-2的搅拌下使用混凝剂投加泵8向混凝沉淀池中加入聚合氯化铝浓度为100g/L的聚合氯化铝水溶液和聚丙烯酰胺浓度为3g/L的聚丙烯酰胺水溶液，聚合氯化铝水溶液的加入量应使废水中聚合氯化铝的浓度达到20g/L，聚丙烯酰胺水溶液的加入量应使废水中聚丙烯酰胺的浓度达到30mg/L，控制废水在混凝沉淀池中的水力停留时间为2h；将混凝沉淀池中的上清液(其COD浓度已降至约为2400mg/L)通入中间池3，使用第三进水泵6-3向中间池中泵入生活污水调节中间池中废水的COD浓度为1200mg/L。

(3)将中间池中的废水通过第二进水泵6-2由好氧流化床膜生物反应器底部的进水口泵入完成了生物膜培养的好氧流化床膜生物反应器中处理，所述好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下采用连续进水、连续排水的方式运行，控制废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间为16h，控制废水的温度为23～27℃，曝气量应使废水中的溶解氧浓度达到3.5mg/L，处理后的废水经过好氧流化床膜生物反应器的膜组件12后由出水泵11泵出，即完成压裂返排液的处理，经膜组件排出的废水的COD浓度约为400mg/L，氨氮浓度约为20mg/L。

所述生物膜的培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器4中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为500mg/L、氨氮浓度为25mg/L的废水，所述颗粒生物填料的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的5％，废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的80％，活性污泥的投加量为每升废水2g，然后以曝气6h、停曝气2h的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；重复上述向好氧流化床膜生物反应器中加废水、间歇曝气和排出废水的操作，直至颗粒生物填料表面完全由生物膜覆盖时结束培养。

实施例2

(1)在第一搅拌器5-1的搅拌下，将压裂返排液由第一进水泵6-1通入调节沉淀池1中，通过酸碱投加泵7向调节沉淀池中加入硫酸调节压裂返排液的pH值至8，控制压裂返排液在调节沉淀池中的水力停留时间为4h。

(2)调节沉淀池中的上清液依靠重力作用由混凝沉淀池2底部的进水口通入混凝沉淀池中，在第二搅拌器5-2的搅拌下使用混凝剂投加泵8向混凝沉淀池中加入聚合氯化铝浓度为120g/L的聚合氯化铝水溶液和聚丙烯酰胺浓度为5g/L的聚丙烯酰胺水溶液，聚合氯化铝水溶液的加入量应是废水中聚合氯化铝的浓度达到25g/L，聚丙烯酰胺水溶液的加入量应使废水中聚丙烯酰胺的浓度达到50mg/L，控制废水在混凝沉淀池中的水力停留时间为4h；将混凝沉淀池中的上清液(其COD浓度已降至约为1800mg/L)通入中间池3，使用第三进水泵6-3向中间池中泵入生活污水调节中间池中废水的COD浓度为800mg/L。

(3)将中间池中的废水通过第二进水泵6-2由好氧流化床膜生物反应器底部的进水口泵入完成了生物膜培养的好氧流化床膜生物反应器中处理，所述好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下采用连续进水、连续排水的方式运行，控制废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间为20h，控制废水的温度为23～27℃，曝气量应使废水中的溶解氧浓度达到5.5mg/L，处理后的废水经过好氧流化床膜生物反应器的膜组件12后由出水泵11泵出，即完成压裂返排液的处理，经膜组件排出的废水的COD浓度约为250mg/L，氨氮浓度约为10mg/L。

所述生物膜的培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为600mg/L、氨氮浓度为40mg/L的废水，所述颗粒生物填料的投放量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的7％，废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的70％，活性污泥的投加量为每升废水2g，然后以曝气6h、停曝气2h的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；重复上述向好氧流化床膜生物反应器中加废水、间歇曝气和排出废水的操作，直至颗粒生物填料表面完全由生物膜覆盖时结束培养。

实施例3

(1)在第一搅拌器5-1的搅拌下，将压裂返排液由第一进水泵6-1通入调节沉淀池1中，通过酸碱投加泵7向调节沉淀池中加入硫酸调节压裂返排液的pH值至6，控制压裂返排液在调节沉淀池中的水力停留时间为3h。

(2)调节沉淀池中的上清液依靠重力作用由混凝沉淀池2底部的进水口通入混凝沉淀池中，在第二搅拌器5-2的搅拌下使用混凝剂投加泵8向混凝沉淀池中加入聚合氯化铝浓度为110g/L的聚合氯化铝水溶液和聚丙烯酰胺浓度为4g/L的聚丙烯酰胺水溶液，聚合氯化铝水溶液的加入量应是废水中聚合氯化铝的浓度达到23g/L，聚丙烯酰胺水溶液的加入量应使废水中聚丙烯酰胺的浓度达到40mg/L，控制废水在混凝沉淀池中的水力停留时间为3h；将混凝沉淀池中的上清液(其COD浓度已降至约为2100mg/L)通入中间池3，使用第三进水泵6-3向中间池中泵入经过步骤(3)处理的压裂返排液调节中间池中废水的COD浓度为1100mg/L。

(3)将中间池中的废水通过第二进水泵6-2由好氧流化床膜生物反应器底部的进水口泵入完成了生物膜培养的好氧流化床膜生物反应器中处理，所述好氧流化床膜生物反应器在曝气条件下采用连续进水、连续排水的方式运行，控制废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间为18h，控制废水的温度为23～27℃，曝气量应使废水中的溶解氧浓度达到4.5mg/L，处理后的废水经过好氧流化床膜生物反应器的膜组件12后由出水泵11泵出，即完成压裂返排液的处理，经膜组件排出的废水的COD浓度约为300mg/L，氨氮浓度约为15mg/L。

所述生物膜的培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为700mg/L、氨氮浓度为50mg/L的废水，所述颗粒生物填料的投放量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的10％，废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的90％，活性污泥的投加量为每升废水3g，然后以曝气6h、停曝气2h的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；重复上述向好氧流化床膜生物反应器中加废水、间歇曝气和排出废水的操作，直至颗粒生物填料表面完全由生物膜覆盖时结束培养。

Claims

1.一种压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤依次如下：

2.根据权利要求1所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤(2)中采用向中间池中加入生活污水或/和经过步骤(3)处理的压裂返排液的方式调节中间池中废水的COD浓度为800～1200mg/L。

3.根据权利要求1或2所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤(3)中控制废水的温度为23～27℃，控制废水在好氧流化床膜生物反应器中的水力停留时间为16～20h，曝气量应使废水中的溶解氧浓度达到3.5～5.5mg/L。

4.根据权利要求1或2所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于好氧流化床膜生物反应器的生物膜培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为500～700mg/L、氨氮浓度为25～50mg/L的废水，所述废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的70～90％，活性污泥的投加量为每升废水2～3g，然后以间歇曝气的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；

重复上述向好氧流化床膜生物反应器中加废水、间歇曝气和排出废水的操作，直至颗粒生物填料表面完全由生物膜覆盖时结束培养。

5.根据权利要求3所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于好氧流化床膜生物反应器的生物膜培养方法如下：向好氧流化床膜生物反应器中加入颗粒生物填料、活性污泥和COD浓度为500～700mg/L、氨氮浓度为25～50mg/L的废水，所述废水的加入量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的70～90％，活性污泥的投加量为每升废水2～3g，然后以间歇曝气的方式运行至废水的COD浓度降至200～300mg/L、氨氮浓度降至5～15mg/L时排出废水；

6.根据权利要求4所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于颗粒生物填料的投放量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的5～10％。

7.根据权利要求5所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤(3)中颗粒生物填料的投放量为好氧流化床膜生物反应器有效容积的5～10％。

8.根据权利要求1或2所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤(2)中聚合氯化铝水溶液的加入量应使废水中聚合氯化铝的浓度达到20～25g/L，聚丙烯酰胺水溶液的加入量应使废水中聚丙烯酰胺的浓度达到30～50mg/L。

9.根据权利要求8所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于所述聚合氯化铝溶液中聚合氯化铝的浓度为100～120g/L，所述聚丙烯酰胺水溶液中聚丙烯酰胺的浓度为3～5g/L。

10.根据权利要求1或2所述压裂返排液的物化生化组合处理方法，其特征在于步骤(2)中控制废水在混凝沉淀池中的水力停留时间为2～4h。