CN105036494B - 高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统及工艺，地表排放处理系统包括依次连接的预处理装置、蒸发结晶装置和深度处理装置，所述预处理装置包括斜板除油器和氧化气浮器；所述蒸发结晶装置采用四效蒸发；所述深度处理装置包括膜生物反应器、三级提升泵和风机。本发明的积极效果是：页岩气开发过程中产生的高含盐压裂返排液和气田水经处理后，水质满足《污水综合排放标准》(GB8978‑1996)一级排放标准的要求，出水能够直接排放至地表水体。

Description

高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统及工艺

技术领域

本发明属于环保技术中的节能减排领域，具体涉及一种实现页岩气开发高含盐(50000mg/l≤TDS≤150000mg/l)压裂返排液及气田水地表排放的处理系统及工艺。

背景技术

美国是世界上开发利用页岩气资源最早最成功的国家，其页岩气的开发主要采用水力压裂法，在这一过程中已经带来水资源匮乏、环境破坏及其采出水处理等方面的挑战。国际管理咨询公司埃森哲最新发布的报告《水资源和页岩气开发：利用美国全新页岩气开发经验》显示，“全球页岩气资源的开发已步入了快速发展的轨道，然而，由此引发的环境问题依然令人堪忧，尤其是有关水资源利用问题更是如此。”

我国从2009年底以来，开始积极筹划页岩气资源战略调查和勘探开发战略构想。然而，目前中国各方面都将注意力集中在如何保障和促进页岩气资源的勘探开发技术和政策上，忽略了页岩气资源开发可能带来的水资源挑战、环境污染及防治措施等问题。国内页岩气开采也面临着水资源利用的挑战，其程度已远远超出其在北美及加拿大页岩气开采所面临的情况，主要体现在以下几个方面：水资源消耗巨大；压裂返排液及气田水水量大；压裂返排液及气田水成分复杂，处置难度大。

在污水处理上，国内尚无成熟的污水处理和循环利用经验，压裂返排液及气田水经处理除可回用于井组压裂作业外，也可回注地层；由于回注层位水量有限，仍有大量的压裂返排液及气田水需要外排。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统及工艺。

本发明所采用的技术方案是：一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，包括依次连接的预处理装置、蒸发结晶装置和深度处理装置，其中：

所述预处理装置包括斜板除油器和氧化气浮器；所述斜板除油器包括设置在斜板除油器上方的一级斜板沉淀区和二级斜板区，设置在斜板除油器下方的泥斗，所述泥斗与排泥管连接，在一级斜板沉淀区和二级斜板区上方设置有链板式刮油机，所述刮油机依次与集油槽、排油管连接；所述氧化气浮器包括氧化池和气浮池，所述气浮池包括高效旋流离心混合器和设置在池底的多孔集水板，所述多孔集水板通过与清水区连通；

所述蒸发结晶装置包括依次连接的Ⅳ效循环泵、Ⅳ效加热室、Ⅳ效蒸发罐、Ⅳ效转料泵、Ⅲ效循环泵、Ⅲ效加热室、Ⅲ效蒸发罐、Ⅲ效转料泵、Ⅱ效循环泵、Ⅱ效加热室、Ⅱ效蒸发罐、Ⅱ效转料泵、Ⅰ效循环泵、Ⅰ效加热室、Ⅰ效蒸发罐；所述Ⅰ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅱ效蒸发罐，Ⅱ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅲ效蒸发罐，Ⅲ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅳ效蒸发罐，Ⅳ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入盐浆桶；所述Ⅰ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅱ效加热室，Ⅱ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅲ效加热室，Ⅲ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅳ效加热室，Ⅳ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入冷凝器；Ⅰ效加热室、Ⅱ效加热室、Ⅲ效加热室和Ⅳ效加热室的冷凝水出口均接入深度处理装置；

所述深度处理装置包括膜生物反应器、三级提升泵和风机。

本发明还提供了一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，包括如下步骤：

步骤一、去浮油和可沉降固体：

经水量和水质调节后的压裂返排液及气田水首先进入斜板除油器的一级斜板沉淀区去除大部分的油和悬浮物，然后进入二级斜板区进一步去除小油滴和悬浮物；

步骤二、进行氧化反应、絮凝及固液分离：

经过步骤一去除浮油和可沉降固体后的污水，首先进入氧化池中通过氧化剂对聚合物及部分有机物进行氧化分解；然后进入气浮池中通过高效旋流离心混合器进行固液分离；

步骤三、蒸发结晶处理：

经过步骤二固液分离后的污水依次经过Ⅳ效、Ⅲ效、Ⅱ效和Ⅰ效的加热和蒸发；Ⅰ效蒸发后的结晶盐浆转排到Ⅱ效，Ⅱ效蒸发后的结晶盐浆转排到Ⅲ效，Ⅲ效蒸发后的结晶盐浆再转排到Ⅳ效，最后排入盐浆桶，然后经离心脱水后存于湿盐储斗，以便固化填埋；

锅炉来蒸汽进入Ⅰ效加热室加热，然后进入Ⅰ效蒸发罐，产生二次蒸汽进入Ⅱ效加热室加热，然后进入Ⅱ效蒸发罐，依次传递，直到Ⅳ效蒸发罐产生的二次蒸汽进入冷凝器，被循环水冷凝后由真空泵将不凝气带出系统；

步骤四、经蒸发结晶装置处理后分别从Ⅳ效加热室、Ⅲ效加热室、Ⅱ效加热室和Ⅰ效加热室出来的冷凝水，最后进入膜生物反应器进行生化处理，直到处理后出水的各项指标达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准的要求。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：页岩气开发过程中产生的高含盐压裂返排液和气田水(50000mg/l≤TDS≤150000mg/l)经处理后，水质满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准的要求，出水能够直接排放至地表水体。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的系统原理图；

具体实施方式

一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，如图1所示，包括：斜板除油器1、一级提升泵2、氧化气浮器3、二级提升泵4、Ⅳ效循环泵5、Ⅳ效加热室6、Ⅳ效蒸发罐7、Ⅳ效转料泵8、Ⅲ效循环泵9、Ⅲ效加热室10、Ⅲ效蒸发罐11、Ⅲ效转料泵12、Ⅱ效循环泵13、Ⅱ效加热室14、Ⅱ效蒸发罐15、Ⅱ效转料泵16、Ⅰ效循环泵17、Ⅰ效加热室18、Ⅰ效蒸发罐19、盐浆桶20、盐浆泵21、增稠机22、离心机23、冷凝器24、真空泵25、膜生物反应器26、三级提升泵27、风机28等，其中：

斜板除油器1、一级提升泵2、氧化气浮器3、二级提升泵4构成本发明的预处理装置。污水经斜板除油器1重力除去浮油及可沉固体后，由一级提升泵2提升进入氧化气浮器3先进行除油除SS，之后经二级提升泵4进入蒸发结晶装置。

Ⅳ效循环泵5、Ⅳ效加热室6、Ⅳ效蒸发罐7、Ⅳ效转料泵8、Ⅲ效循环泵9、Ⅲ效加热室10、Ⅲ效蒸发罐11、Ⅲ效转料泵12、Ⅱ效循环泵13、Ⅱ效加热室14、Ⅱ效蒸发罐15、Ⅱ效转料泵16、Ⅰ效循环泵17、Ⅰ效加热室18、Ⅰ效蒸发罐19、盐浆桶20、盐浆泵21、增稠机22、离心机23、冷凝器24、真空泵25构成本发明的蒸发结晶装置。经预处理装置处理后的污水，由二级提升泵4加压进入Ⅳ效加热室6，预热后，进入Ⅳ效蒸发罐7，经蒸发后母液由Ⅳ效转料泵8送入Ⅲ效蒸发罐11，其余各效流程与此相同；各效盐浆则排至盐浆桶20，由盐浆泵21送入增稠机22，经离心机23结晶脱水后，成品外运安全填埋；

外来蒸汽先进入Ⅰ效加热室18加热，Ⅰ效蒸发罐19产生的二次蒸汽再到Ⅱ效加热室14加热，依次传递，Ⅳ二次蒸汽被冷凝器24冷凝后，由真空泵25将不凝气带出系统。

膜生物反应器26、三级提升泵27、风机28构成本说明的深度处理装置。经蒸发结晶装置处理后分别从Ⅳ效加热室6、Ⅲ效加热室10、Ⅱ效加热室14和Ⅰ效加热室18出来的冷凝水，最后进入膜生物反应器26进行生化处理，处理后出水经由三级提升泵27提升至最终排放点或回用点；风机28供给膜生物反应器26生化处理所需的氧。

本发明还提供了一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理工艺，包括如下步骤：

步骤一、去浮油和可沉降固体：

经水量和水质调节后的压裂返排液及气田水进入斜板除油器1上部，首先进入一级斜板沉淀区，悬浮物随水流升至斜板沉淀区，分离后的固体悬浮物在重力作用下下沉至泥斗，大油滴则浮至液面上，去除较大部分的油和悬浮物；之后污水进入二级斜板区，水中悬浮物迅速下沉至斜板上，当达到一定量时，滑至泥斗，连同一级除油区中的污泥一起由排泥管排出，小油滴逐渐聚集成较大油滴，然后顺斜板上浮至水面，经链板式刮油机刮至集油槽，最后通过自流进入排油管。

处理后污水浮油(油比重≤0.95)去除率约为90％，可沉降固体去除率约80％。

步骤二、进行氧化反应、絮凝及固液分离：

经除油除大颗粒沉降固体后的水，首先进入氧化气浮器3中，在氧化池中，加入氧化剂以氧化分解聚合物及部分有机物；原水在氧化池中充分反应后进入气浮池进行固液分离。

气浮采用高效溶气气浮(DAF)，污水进入DAF全封闭高效气浮系统中的高效旋流离心混合器，与同时进入高效混合器的高压空气进行充分混合，一方面在高压条件下空气溶入水中，另一方面空气被高速旋转水力旋流切割成细小微气泡，与污水中的微小油滴充分碰撞接触，形成机械破乳，聚集成大油滴，细小悬浮物也充分碰撞。油滴和悬浮物密度比水小，夹带着微小气泡的油滴和悬浮物密度更小，高效离心混合器中被旋转离心力逐步与水分离，水紧贴管壁，密度小的物质在管中心，实现了离心分离。高效旋流离心混合器有3-5级，可实现多级旋流混合和分离。在最后一级高效离心混合器的末端，压力降低，夹带在油滴、悬浮物中的溶气慢慢释放长大，浮力越来越大，可以不借助外力自行上浮，最终形成浮渣被刮除，清水通过池底放置的多孔集水板进入清水提升槽，随后重力流溢流进入清水区。

步骤三、蒸发结晶处理：

经过氧化气浮器处理后的污水，进入蒸发结晶装置，将废水中TDS和冷凝水分离，作为不同的副产品。蒸发结晶处理采用真空蒸发结晶分离工艺，由四效蒸发构成。

经过氧化气浮器处理后的污水，首先经过二级提升泵4、Ⅳ效循环泵5进入Ⅳ效加热室6进行加热预处理，然后进入Ⅳ蒸发罐7，经蒸发后母液通过Ⅳ效转料泵8、Ⅲ效循环泵9进入Ⅲ效加热室10进行加热预处理，然后进入Ⅲ蒸发罐11，依次类推，再从Ⅲ效蒸发罐11转到Ⅱ蒸发罐15(即依次经过Ⅲ效蒸发罐11、Ⅲ效转料泵12、Ⅱ效循环泵13、Ⅱ效加热室14、Ⅱ效蒸发罐15)，Ⅱ效蒸发罐15转到Ⅰ效蒸发罐19(即依次经过Ⅱ效蒸发罐15、Ⅱ效转料泵16、Ⅰ效循环泵17、Ⅰ效加热室18、Ⅰ效蒸发罐19)，即整个进料系统采用平流进料方式，确保运行平稳可靠，提高蒸发经济，节能降耗。

结晶盐浆由Ⅰ效蒸发罐19转排到Ⅱ效蒸发罐15，Ⅱ效蒸发罐结晶盐浆转排到Ⅲ效蒸发罐11，Ⅲ效蒸发罐结晶盐浆再转排到Ⅳ效蒸发罐7，然后集中排出系统，目的为降低排出系统的热量；盐浆依次经盐浆桶20、盐浆泵21、增稠机22、离心机23，离心脱水后暂存于湿盐储斗，可固化填埋。

锅炉来蒸汽进入Ⅰ效加热室18加热，然后进入Ⅰ效蒸发罐19，产生二次蒸汽进入Ⅱ效加热室14加热，然后进入Ⅱ效蒸发罐15，依次传递，末效(Ⅳ效蒸发罐7)二次蒸汽进入冷凝器24，被循环水冷凝后由真空泵25将不凝气带出系统。

经蒸发结晶装置处理后，污水中的氯化物含量至小于300mg/L，满足地表排放要求。

步骤四、经多效蒸发结晶装置处理后的冷凝水，最后进入膜生物反应器26进行生化处理，以去除污水中残余的COD和氨氮。处理后出水各项指标达到《污水综合排放标准》(GB8978)的要求，可直接外排地表水体，或回用于生产。

膜生物反应器是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池，生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。MBR不仅有效地达到了泥水分离的目的，而且具有污水三级处理传统工艺不可比拟的优点：

1)高效地进行固液分离,其分离效果远好于传统的沉淀池,，水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现了污水资源化。

2)膜的高效截留作用，使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,运行控制灵活稳定。

3)由于膜生物反应器将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一，并取代了三级处理的全部工艺设施，因此可大幅减少占地面积，省土建投资。

4)利于硝化细菌的截留和繁殖，系统硝化效率高。

5)由于泥龄可以非常长，从而大大提高难降解有机物的降解效率。

6)反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,剩余污泥产量极低，于泥龄可无限长,理论上可实现零污泥排放。

7)系统实现PLC控制，操作管理方便。

Claims (6)

1.一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，其特征在于：包括依次连接的预处理装置、蒸发结晶装置和深度处理装置，其中：

所述预处理装置包括斜板除油器和氧化气浮器；所述斜板除油器包括设置在斜板除油器上方的一级斜板沉淀区和二级斜板区，设置在斜板除油器下方的泥斗，所述泥斗与排泥管连接，在一级斜板沉淀区和二级斜板区上方设置有链板式刮油机，所述刮油机依次与集油槽、排油管连接；所述氧化气浮器包括氧化池和气浮池，所述气浮池包括高效旋流离心混合器、气浮器和设置在池底的多孔集水板，所述多孔集水板与清水区连通；

所述蒸发结晶装置包括依次连接的Ⅳ效循环泵、Ⅳ效加热室、Ⅳ效蒸发罐、Ⅳ效转料泵、Ⅲ效循环泵、Ⅲ效加热室、Ⅲ效蒸发罐、Ⅲ效转料泵、Ⅱ效循环泵、Ⅱ效加热室、Ⅱ效蒸发罐、Ⅱ效转料泵、Ⅰ效循环泵、Ⅰ效加热室、Ⅰ效蒸发罐；所述Ⅰ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅱ效蒸发罐，Ⅱ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅲ效蒸发罐，Ⅲ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入Ⅳ效蒸发罐，Ⅳ效蒸发罐底部的盐浆出口通过管道接入盐浆桶；所述Ⅰ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅱ效加热室，Ⅱ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅲ效加热室，Ⅲ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入Ⅳ效加热室，Ⅳ效蒸发罐顶部的蒸汽出口通过管道接入冷凝器；Ⅰ效加热室、Ⅱ效加热室、Ⅲ效加热室和Ⅳ效加热室的冷凝水出口均接入深度处理装置；

所述深度处理装置包括膜生物反应器、三级提升泵和风机。

2.根据权利要求1所述的高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，其特征在于：在氧化气浮器中设置有一级提升泵。

3.根据权利要求1所述的高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，其特征在于：在氧化气浮器和蒸发结晶装置之间设置有二级提升泵。

4.根据权利要求1所述的高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，其特征在于：所述盐浆桶依次与盐浆泵、增稠机、离心机连接。

5.根据权利要求1所述的高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理系统，其特征在于：所述冷凝器与真空泵连接。

6.一种高含盐压裂返排液及气田水地表排放处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、去浮油和可沉降固体：

经水量和水质调节后的压裂返排液及气田水首先进入斜板除油器的一级斜板沉淀区去除大部分的油和悬浮物，然后进入二级斜板区进一步去除小油滴和悬浮物；

步骤二、进行氧化反应、絮凝及固液分离：

经过步骤一去除浮油和可沉降固体后的污水，首先进入氧化池中通过氧化剂对聚合物及部分有机物进行氧化分解；然后进入气浮池中通过高效旋流离心混合器进行固液分离；

步骤三、蒸发结晶处理：

经过步骤二固液分离后的污水依次经过Ⅳ效、Ⅲ效、Ⅱ效和Ⅰ效的加热和蒸发；Ⅰ效蒸发后的结晶盐浆转排到Ⅱ效，Ⅱ效蒸发后的结晶盐浆转排到Ⅲ效，Ⅲ效蒸发后的结晶盐浆再转排到Ⅳ效，最后排入盐浆桶，然后经离心脱水后存于湿盐储斗，以便固化填埋；

锅炉来蒸汽进入Ⅰ效加热室加热，然后进入Ⅰ效蒸发罐，产生二次蒸汽进入Ⅱ效加热室加热，然后进入Ⅱ效蒸发罐，依次传递，直到Ⅳ效蒸发罐产生的二次蒸汽进入冷凝器，被循环水冷凝后由真空泵将不凝气带出系统；

步骤四、经蒸发结晶装置处理后分别从Ⅳ效加热室、Ⅲ效加热室、Ⅱ效加热室和Ⅰ效加热室出来的冷凝水，最后进入膜生物反应器进行生化处理，直到处理后出水的各项指标达到《污水综合排放标准》一级排放标准的要求。