CN105600928B - 一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法 - Google Patents

一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法。本发明涉及废水处理及资源循环利用领域，特别是涉及一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置及利用该装置处理油田压裂返排液的方法。本发明是要解决现有工业废水处理难度大，生物化学处理难且工业废水中能源浪费的问题。装置包括阳极室、阳极碳刷、阴离子交换膜、脱盐室、阳离子交换膜、阴极碳刷、阴极室、参比电极、外电阻和曝气装置。方法：一、驯化活性污泥；二、污水的处理；三、产电；四、脱盐处理。本发明用于处理工业废水。

Description

一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理 油田压裂返排液的方法
技术领域
本发明涉及废水处理及资源循环利用领域，特别是涉及一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置及利用该装置处理油田压裂返排液的方法。
背景技术
环境问题与能源问题制约着人类社会的发展。由于我国工业的不断发展，导致了工业用水量的急剧攀升，这无疑加重了水资源短缺这一危机。在化学工业生产中产生的大量化工废水含有烃类物质以及其它难降解物质，如果不能妥善处置，势必会造成受纳环境的污染，威胁生态环境安全，危害人类及其它生物的健康，因此，化工废水的处理成为始终困扰工业发展与人类生活的难题。与此同时，人类赖以生存的化石能源日渐枯竭，在化石能源的开采利用过程中也加重了环境问题，因此，寻找可持续的清洁能源成为了解决能源危机的一条出路。化工废水在处理的过程中同样需要耗散一定的能源，其中所蕴含的有机物物质被降解转化也成为了一种资源的浪费。因此，化工废水处理与产生能源相结合为化工废水的处理提供了新的思路与发展方向。生物电化学系统是利用微生物降解有机物，将化学能转化为电能的的电化学装置。微生物脱盐电池(MDC)在阳极室和阴极室之间添加阴离子交换膜与阳离子交换膜，在两极之间形成了脱盐室。在功能上，MDC实现了污染物降解，产电，脱盐的三种功效。在本发明中，MDC用于降解油田压裂返排液。
发明内容
本发明是要解决现有工业废水处理难度大，生物化学处理难且工业废水中能源浪费的问题，而提供一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置及利用该装置处理油田压裂返排液的方法。
本发明的一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置包括阳极室1、阳极碳刷2、阴离子交换膜3、脱盐室4、阳离子交换膜5、阴极碳刷6、阴极室7、参比电极8、外电阻9和曝气装置16；所述脱盐室4设置在阳极室1和阴极室7之间，所述脱盐室4的左侧与阳极室1的右侧通过阴离子交换膜3相隔，所述脱盐室4的右侧与阴极室7的左侧通过阳离子交换膜5相隔；所述阳极室1内设置有阳极碳刷2，所述阳极室1的左侧上方设置有第一出水口10，所述阳极室1的左侧下方设置有第一进水口11，所述参比电极8贯穿于阳极室1的上壁设置在阳极室1内；所述阴极室7内设置有阴极碳刷6，所述阴极室7的右侧上方设置有第二出水口12，所述阴极室7的右侧下方设置有第二进水口13，所述阴极室7的底部设置有曝气装置16；所述阳极碳刷2通过导线与外电阻9的一端相连，所述阴极碳刷6通过导线与外电阻9的另一端相连；所述脱盐室4的顶部设置有第三出水口15，所述脱盐室4的底部设置有第三进水口14。
本发明的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法具体是按以下步骤进行：
一、向阳极室1和阴极室7中分别注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥，然后再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，阳极室1密封24h，阴极室7通过曝气装置16持续曝气24h，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
二、采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为50mg/L～500mg/L，再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，开始产生电流输出，每当电压下降至50mV时，将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
三、重复操作步骤二10～15天后，阳极室1内生成厌氧产电生物膜，阴极室7内生成好氧产电生物膜，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出，断开通过外电阻9连接的阳极碳刷2和阴极碳刷6；
四、向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，得到经阳极处理后的废水；将经阳极处理后的废水全部通入到阴极室7中，阴极室7通过曝气装置16持续曝气，水力停留1～10天后，得到经阴极处理后的废水；
五、将经阴极处理后的废水通入到脱盐室4中，然后重复操作步骤四，使得阴极室7中充满经阳极处理后的废水，然后再向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后将脱盐室4中经阴极处理后的废水向外排出，得到脱盐后的废水，即完成油田压裂返排液的处理；
步骤一中所述油田压裂返排液的COD为1000mg/L～1200mg/L、BOD5为200mg/L～300mg/L、氨氮为5mg/L～25mg/L、含油量为200mg/L～300mg/L；
步骤四中所述经阳极处理后的废水的COD为400mg/L～500mg/L、BOD5为150mg/L～200mg/L、氨氮为0mg/L～5mg/L、含油量为30mg/L～50mg/L；
步骤四中所述经阴极处理后的废水的COD为200mg/L～300mg/L、BOD5为60mg/L～100mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～5mg/L；
步骤五中所述脱盐后的废水的COD为150mg/L～250mg/L、BOD5为50mg/L～90mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～1mg/L。
本发明原理：通过阳极与阴极之间产生的电子能为动力输出，促使废水中的阴离子通过阴离子交换膜向阳极室转移，阳离子通过阳离子交换膜向阴极室转移，达到脱除盐分并回收的目的。
本发明的有益效果是：
本发明采用MDC用于降解油田压裂返排液，阳极室降解有机物，阴极室处理废水，脱盐室进行高效脱盐，实现了污染物降解，产电，脱盐的三种功效。对有毒有害物质处理的同时，获得稳定的电能输出。本发明将厌氧生物处理和好氧生物处理与MDC工艺相结合，并将其应用于油田压裂返排液的处理上。实现对有毒有害物质处理的同时，整个处理过程不需要外加能量，能够获得稳定的电能输出，同时可以实现对含盐污水脱盐回收的目的。
本发明能够在启动24h后实现电流稳定输出。输出电压一直稳定在400～500mV之间。
附图说明
图1为一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置的结构示意图；
图2为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时的COD降解曲线；其中1为经阳极室处理，2为经阴极室处理；
图3为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时电池极化曲线；其中1为电池电压，2为功率密度；
图4为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时电池电压输出的变化曲线；
图5为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时脱盐曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置包括阳极室1、阳极碳刷2、阴离子交换膜3、脱盐室4、阳离子交换膜5、阴极碳刷6、阴极室7、参比电极8、外电阻9和曝气装置16；所述脱盐室4设置在阳极室1和阴极室7之间，所述脱盐室4的左侧与阳极室1的右侧通过阴离子交换膜3相隔，所述脱盐室4的右侧与阴极室7的左侧通过阳离子交换膜5相隔；所述阳极室1内设置有阳极碳刷2，所述阳极室1的左侧上方设置有第一出水口10，所述阳极室1的左侧下方设置有第一进水口11，所述参比电极8贯穿于阳极室1的上壁设置在阳极室1内；所述阴极室7内设置有阴极碳刷6，所述阴极室7的右侧上方设置有第二出水口12，所述阴极室7的右侧下方设置有第二进水口13，所述阴极室7的底部设置有曝气装置16；所述阳极碳刷2通过导线与外电阻9的一端相连，所述阴极碳刷6通过导线与外电阻9的另一端相连；所述脱盐室4的顶部设置有第三出水口15，所述脱盐室4的底部设置有第三进水口14。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阳极室1和阴极室7的容积相同。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述外电阻9的电阻为1000Ω。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法具体是按以下步骤进行：
一、向阳极室1和阴极室7中分别注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥，然后再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，阳极室1密封24h，阴极室7通过曝气装置16持续曝气24h，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
二、采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为50mg/L～500mg/L，再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，开始产生电流输出，每当电压下降至50mV时，将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
三、重复操作步骤二10～15天后，阳极室1内生成厌氧产电生物膜，阴极室7内生成好氧产电生物膜，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出，断开通过外电阻9连接的阳极碳刷2和阴极碳刷6；
四、向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，得到经阳极处理后的废水；将经阳极处理后的废水全部通入到阴极室7中，阴极室7通过曝气装置16持续曝气，水力停留1～10天后，得到经阴极处理后的废水；
五、将经阴极处理后的废水通入到脱盐室4中，然后重复操作步骤四，使得阴极室7中充满经阳极处理后的废水，然后再向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后将脱盐室4中经阴极处理后的废水向外排出，得到脱盐后的废水，即完成油田压裂返排液的处理；
步骤一中所述油田压裂返排液的COD为1000mg/L～1200mg/L、BOD5为200mg/L～300mg/L、氨氮为5mg/L～25mg/L、含油量为200mg/L～300mg/L；
步骤四中所述经阳极处理后的废水的COD为400mg/L～500mg/L、BOD5为150mg/L～200mg/L、氨氮为0mg/L～5mg/L、含油量为30mg/L～50mg/L；
步骤四中所述经阴极处理后的废水的COD为200mg/L～300mg/L、BOD5为60mg/L～100mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～5mg/L；
步骤五中所述脱盐后的废水的COD为150mg/L～250mg/L、BOD5为50mg/L～90mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～1mg/L。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述外电阻9的电阻为1000Ω。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中所述的阳极室1与阴极室7的容积相同。其他与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤一中具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。其他与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤一中注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥的注入量为容器体积的20％～30％。其他与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤四中所述阴极室7通过曝气装置16持续曝气，使得阴极室7中溶解氧含量大于2mg/L。其他与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤四中所述阴极室7通过曝气装置16持续曝气，使得阴极室7中溶解氧含量为2mg/L～4mg/L。其他与具体实施方式四至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是：所述的曝气装置16的曝气量为16:1。其他与具体实施方式四至十之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法具体是按以下步骤进行：
一、向阳极室1和阴极室7中分别注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥，然后再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，阳极室1密封24h，阴极室7通过曝气装置16持续曝气24h，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
二、采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后向阳极室1和阴极室7分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为50mg/L～500mg/L，再分别向阳极室1和阴极室7加入油田压裂返排液至蓄满，开始产生电流输出，每当电压下降至50mV时，将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出；
三、重复操作步骤二10～15天后，阳极室1内生成厌氧产电生物膜，阴极室7内生成好氧产电生物膜，然后将阳极室1和阴极室7中的油田压裂返排液排出，断开通过外电阻9连接的阳极碳刷2和阴极碳刷6；
四、向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，得到经阳极处理后的废水；将经阳极处理后的废水全部通入到阴极室7中，阴极室7通过曝气装置16持续曝气，水力停留1～10天后，得到经阴极处理后的废水；
五、将经阴极处理后的废水通入到脱盐室4中，然后重复操作步骤四，使得阴极室7中充满经阳极处理后的废水，然后再向阳极室1中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，采用外电阻9将阳极碳刷2和阴极碳刷6相连，然后将脱盐室4中经阴极处理后的废水向外排出，得到脱盐后的废水，即完成油田压裂返排液的处理；
步骤一中所述油田压裂返排液的COD为1000mg/L～1200mg/L、BOD5为200mg/L～300mg/L、氨氮为5mg/L～25mg/L、含油量为200mg/L～300mg/L；
步骤四中所述经阳极处理后的废水的COD为400mg/L～500mg/L、BOD5为150mg/L～200mg/L、氨氮为0mg/L～5mg/L、含油量为30mg/L～50mg/L；
步骤四中所述经阴极处理后的废水的COD为200mg/L～300mg/L、BOD5为60mg/L～100mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～5mg/L；
步骤五中所述脱盐后的废水的COD为150mg/L～250mg/L、BOD5为50mg/L～90mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～1mg/L。
步骤一中所述外电阻9的电阻为1000Ω。
步骤一中所述的阳极室1与阴极室7的容积相同。
步骤一中具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。
步骤一中注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥的注入量为容器体积的30％。
步骤四中所述阴极室7通过曝气装置16持续曝气，使得阴极室7中溶解氧含量大于2mg/L。
所述的曝气装置16的曝气量为16:1。其他与具体实施方式四至十之一相同。
图2为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时的COD降解曲线；其中1为经阳极室处理，2为经阴极室处理；从图2中可以看出阳极处理后的COD得到明显的去除，去除率为60％左右，尤其是石油类的去除效率较高，然后将阳极的出水放到生物阴极，生物阴极的去除率为40％左右，石油类得到进一步的去除；图3为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时电池极化曲线；其中1为电池电压，2为功率密度；从图3中可以看出电池的内阻较小，生物产电稳定，电池功率较好；图4为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时电池电压输出的变化曲线；从图4中可以看出，输出的电压在400～500mv,输出的电压稳定，持续的时间长，说明压裂液中的污染物提供的COD较多；图5为实施例一利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液时脱盐曲线，从图中可以看出，脱盐效果在70％以上。

Claims (6)

1.一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、向阳极室(1)和阴极室(7)中分别注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥，然后再分别向阳极室(1)和阴极室(7)加入油田压裂返排液至蓄满，阳极室(1)密封24h，阴极室(7)通过曝气装置(16)持续曝气24h，然后将阳极室(1)和阴极室(7)中的油田压裂返排液排出；
二、采用外电阻(9)将阳极碳刷(2)和阴极碳刷(6)相连，然后向阳极室(1)和阴极室(7)分别加入PBS缓冲液至浓度为20ppm、加葡萄糖至浓度为50mg/L～500mg/L，再分别向阳极室(1)和阴极室(7)加入油田压裂返排液至蓄满，开始产生电流输出，每当电压下降至50mV时，将阳极室(1)和阴极室(7)中的油田压裂返排液排出；
三、重复操作步骤二10～15天后，阳极室(1)内生成厌氧产电生物膜，阴极室(7)内生成好氧产电生物膜，然后将阳极室(1)和阴极室(7)中的油田压裂返排液排出，断开通过外电阻(9)连接的阳极碳刷(2)和阴极碳刷(6)；
四、向阳极室(1)中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，得到经阳极处理后的废水；将经阳极处理后的废水全部通入到阴极室(7)中，阴极室(7)通过曝气装置(16)持续曝气，水力停留1～10天后，得到经阴极处理后的废水；
五、将经阴极处理后的废水通入到脱盐室(4)中，然后重复操作步骤四，使得阴极室(7)中充满经阳极处理后的废水，然后再向阳极室(1)中加入油田压裂返排液至蓄满，水力停留1～10天后，采用外电阻(9)将阳极碳刷(2)和阴极碳刷(6)相连，然后将脱盐室(4)中经阴极处理后的废水向外排出，得到脱盐后的废水，即完成油田压裂返排液的处理；
步骤一中所述油田压裂返排液的COD为1000mg/L～1200mg/L、BOD5为200mg/L～300mg/L、氨氮为5mg/L～25mg/L、含油量为200mg/L～300mg/L；
步骤四中所述经阳极处理后的废水的COD为400mg/L～500mg/L、BOD5为150mg/L～200mg/L、氨氮为0mg/L～5mg/L、含油量为30mg/L～50mg/L；
步骤四中所述经阴极处理后的废水的COD为200mg/L～300mg/L、BOD5为60mg/L～100mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～5mg/L；
步骤五中所述脱盐后的废水的COD为150mg/L～250mg/L、BOD5为50mg/L～90mg/L、氨氮为0mg/L～3mg/L、含油量为0mg/L～1mg/L；
所述电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置包括阳极室(1)、阳极碳刷(2)、阴离子交换膜(3)、脱盐室(4)、阳离子交换膜(5)、阴极碳刷(6)、阴极室(7)、参比电极(8)、外电阻(9)和曝气装置(16)；所述脱盐室(4)设置在阳极室(1)和阴极室(7)之间，所述脱盐室(4)的左侧与阳极室(1)的右侧通过阴离子交换膜(3)相隔，所述脱盐室(4)的右侧与阴极室(7)的左侧通过阳离子交换膜(5)相隔；所述阳极室(1)内设置有阳极碳刷(2)，所述阳极室(1)的左侧上方设置有第一出水口(10)，所述阳极室(1)的左侧下方设置有第一进水口(11)，所述参比电极(8)贯穿于阳极室(1)的上壁设置在阳极室(1)内；所述阴极室(7)内设置有阴极碳刷(6)，所述阴极室(7)的右侧上方设置有第二出水口(12)，所述阴极室(7)的右侧下方设置有第二进水口(13)，所述阴极室(7)的底部设置有曝气装置(16)；所述阳极碳刷(2)通过导线与外电阻(9)的一端相连，所述阴极碳刷(6)通过导线与外电阻(9)的另一端相连；所述脱盐室(4)的顶部设置有第三出水口(15)，所述脱盐室(4)的底部设置有第三进水口(14)。
2.根据权利要求1所述的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于所述外电阻(9)的电阻为1000Ω。
3.根据权利要求1所述的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于所述的阳极室(1)与阴极室(7)的容积相同。
4.根据权利要求1所述的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于步骤一中具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥来自城市生活污水处理厂二沉池的活性污泥。
5.根据权利要求1所述的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于步骤一中注入具有油田压裂返排液降解能力的活性污泥的注入量为容器体积的20％～30％。
6.根据权利要求1所述的一种利用电子调控的产电脱盐处理油田压裂返排液装置处理油田压裂返排液的方法，其特征在于步骤四中所述阴极室(7)通过曝气装置(16)持续曝气，使得阴极室(7)中溶解氧含量大于2mg/L。
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