CN215102410U - 一种压裂返排液的零排放资源化利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，系统包括气浮装置、化学软化装置、膜浓缩装置、纳滤膜分盐装置、氯化钠蒸发结晶装置、冷冻结晶装置、硫酸钠熔融结晶装置、污泥破胶混合装置、污泥脱水装置和产品水池。有益效果：本实用新型提供了一种连接关系结构简单的系统；本实用新型方法，实现了压裂返排液处理彻底实现了其零排放，杜绝了排放、回注或者燃烧带来的二次环境污染风险；并且降低了能耗，减少了成本。

Description

一种压裂返排液的零排放资源化利用系统

技术领域：

本实用新型专利涉及水处理技术领域，具体涉及一种压裂返排液的零排放资源化利用系统。

背景技术：

压裂技术是油气田开采过程中有效的增产措施之一，被各大油气田普遍采用。压裂返排液为压裂施工完成后，从井口返回到地面的液体，通常为无色或淡黄色，具有一定的刺激性气味，成分复杂，含有大量的稠化剂(常为胍胶)、交联剂、破胶剂及其他化学添加剂。由于压裂返排液具有高盐(主要为氯化钠)、高COD、高稳定性、高黏度和难降解的特性，直接排放会造成土壤板结、盐碱化，地表水和地下水污染，进而造成严重的环境污染和生态破坏，因此压裂返排液已成为油、气田主要污染物之一。

目前，处理压裂返排液的常用方法主要有：(1)废液池储存：将压裂返排液储存在废液池中，采用自然蒸发的方式干化，最后直接填埋。这种处理方式适用性广，但是耗时长，而且填埋的污泥块仍然会渗滤出油、重金属、醛、酚等污染物，存在严重的二次污染,每年约造成经济损失几千万元。(2)回注：将压裂返排液收集后进行简单的絮凝、氧化等预处理后进行回注。但是该方法受到地层条件限制，废水回注受限，且容易造成二次污染。(3)焚烧：这种方式虽然可以在一定程度上控制污染物的排放，但是仍然会造成大气污染，且能量消耗巨大，每处理1吨压裂返排液需消耗电能3000kw或消耗蒸汽1950kg。运行费用极高，企业无法承受。

随着国家对环保的重视程度的提高，压裂返排液通常需要达到《污水综合排放标准》及地方相应处理标准，有些地区可能要求达到《地表水环境质量标准》中三类水标准。近年来，新的环保政策鼓励将压裂返排液进行资源化处理以回收利用，党的十五届五中全会明确提出石油石化行业水资源化可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，因此，研究开发稳定、高效、彻底的压裂排液处理及资源化回用技术迫在眉睫。

实用新型内容：

本实用新型的第一个目的在于提供一种连接关系结构简单，且实现了资源回收利用的压裂返排液的零排放资源化利用系统。

本实用新型的第二个目的在于提供一种实现了氯化钠、硫酸钠和泥饼有效回收利用，且避免了环境污染的压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法。

本实用新型的技术方案一方面公开了一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其包括气浮装置、化学软化装置、膜浓缩装置、纳滤膜分盐装置、氯化钠蒸发结晶装置、冷冻结晶装置、硫酸钠熔融结晶装置、污泥破胶混合装置、污泥脱水装置和产品水池；所述气浮装置、所述化学软化装置、所述膜浓缩装置、所述纳滤膜分盐装置和所述氯化钠蒸发结晶装置依次顺序连通；所述纳滤膜分盐装置、所述冷冻结晶装置和所述硫酸钠熔融结晶装置依次顺序连通；所述气浮装置、所述污泥破胶混合装置和所述污泥脱水装置依次顺序连通；所述化学软化装置还与所述污泥脱水装置连通；所述膜浓缩装置的出水口、所述氯化钠蒸发结晶装置的冷凝水出口和所述硫酸钠熔融结晶装置的冷凝水出口均与所述产品水池的进水口连通。

进一步的，其还包括深度浓缩装置，所述纳滤膜分盐装置、所述深度浓缩装置、所述冷冻结晶装置和所述硫酸钠熔融结晶装置依次顺序连通；所述深度浓缩装置的产水出口与所述产品水池的进水口连通；和/或所述深度浓缩装置包含反渗透、高压反渗透和高压平板膜中的一种或几种。

进一步的，其还包括杂盐蒸发结晶装置，所述氯化钠蒸发结晶装置的蒸发母液出口和所述冷冻结晶装置的冷冻母液出口均与所述杂盐蒸发结晶装置的进液口连通。

进一步的，所述气浮装置为加压溶气气浮装置；

和/或，所述化学软化装置包含混凝沉淀池、高密池、管式微滤膜、管式超滤膜、石英砂过滤器以及离子交换树脂中的一种或几种；

和/或，膜浓缩装置包含超滤装置、反渗透装置以及高压反渗透装置中的一种或几种；

和/或，所述氯化钠蒸发结晶装置和/或是硫酸钠熔融结晶装置为MVR、单效蒸发结晶装置以及多效蒸发结晶装置中的一种或几种；

和/或，所述污泥脱水装置为高压隔膜压滤机。

本实用新型的另一个方面还公开了一种压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法，其包括以下步骤：

步骤1：将压裂返排液加入到气浮装置中，接着向所述气浮装置中投加破胶剂、混凝剂和絮凝剂；所述破胶剂相对于加入到所述气浮装置中的所述压裂返排液的添加量为800-2500mg/L；所述混凝剂相对于加入到所述气浮装置中的所述压裂返排液的添加量为50-150mg/L；所述絮凝剂相对于加入到所述气浮装置中的所述压裂返排液的添加量为0.5-3mg/L；使压裂返排液发生破胶以及混凝反应，去除压裂返排液中的悬浮物、胶体、大分子有机物以及石油类等；得到出水和浮渣；

步骤2：将步骤1中的所述出水送至化学软化装置中，接着向所述化学软化装置中添加化学软化剂、混凝剂和絮凝剂；用以去除所述出水中的硬度、碱度和悬浮物；得到软化产水和浮渣；

步骤3：将步骤2中的所述软化产水送入到膜浓缩装置进行浓缩，得到TDS＞80000mg/L的浓水和TDS＜1000mg/L的产水；产水被回收至产品水池；

步骤4：将步骤3中的所述浓水送入到纳滤膜分盐装置中，得到氯化钠浓盐水和SO₄ ^2-浓度＞53000mg/L的硫酸钠浓盐水；

步骤5：将步骤4中的所述氯化钠浓盐水送至氯化钠蒸发结晶装置中在温度为80℃-110℃下进行蒸发结晶；得到氯化钠结晶盐、蒸发母液和水蒸气；所述水蒸气经过冷凝后得到冷凝水被送至产品水池；所得氯化钠结晶盐的纯度大于92％，可作为工业原料循环利用；

步骤6：将步骤4中的所述硫酸钠浓盐水送至冷冻结晶装置中在温度为-5℃-5℃的环境中进行冷冻结晶，得到芒硝和冷冻母液；

步骤7：将步骤6中的所述芒硝送至硫酸钠熔融结晶装置中进行蒸发结晶；得到硫酸钠结晶盐和水蒸气；所述水蒸气经过冷凝后得到冷凝水被送至产品水池；所得硫酸钠结晶的纯度＞97％，可作为工业原料循环利用；

步骤8：将步骤1中的浮渣送至污泥破胶混合装置，接着向所述污泥破胶混合装置中添加破胶剂，并进行20min以上的混合反应，得到混合物；所述破胶剂的添加量占加入所述污泥破胶混合装置中的所述浮渣总量的5‰-10‰，有效避免污泥粘结成块，有利于污泥脱水；

步骤9：将步骤8中的所述混合物和步骤2中的浮渣均送至污泥脱水装置进行压滤脱水，得到泥饼，泥饼的含水率小于70％，并且用于下游砖厂等企业的原料循环利用。

进一步的，步骤1中所述气浮装置的回流比为30％-45％；所述气浮装置中的溶气压力为0.4-0.5Mpa。

进一步的，步骤2中的所述化学软化剂包含石灰、碳酸钠、氢氧化钠以及偏铝酸钠中的一种或几种。

进一步的，在步骤6之前，还包括将步骤4中的所述硫酸钠浓盐水送至输送至深度浓缩装置中进行深度浓缩，得到产品水和TDS＞150000mg/L的浓水，所述产品水被回收至产品水池；所述浓水被送至冷冻结晶装置中。

进一步的，将步骤5的所述蒸发母液和步骤6中的所述冷冻母液均送至杂盐蒸发结晶装置中进行蒸发结晶，得到杂盐，所述杂盐最后作为固危废处置。

进一步的，步骤9中的所述污泥脱水装置的进料口处的压力最少为1.0Mpa；所述污泥脱水装置中的压力最少为25Mpa。

本实用新型的优点：

1、本实用新型提供了一种连接关系结构简单的系统；压裂返排液经过本实用新型系统处理后，实现了产水全部回收利用，并且实现了回收了氯化钠、硫酸钠和污泥；进而实现了压裂返排液的零排放及其资源的回收利用；避免了排放等带来的环境污染，保护了环境。

2、本实用新型提供了一种压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法，压裂返排液经过本实用新型方法处理后，产水全部回收利用，回收的副产物氯化钠和硫酸钠作为工业原料循环利用，回收的污泥则作为砖厂原材料使用，进而使得压裂返排液处理彻底实现了其零排放，杜绝了排放、回注或者燃烧带来的二次环境污染风险；并且降低了能耗，减少了成本。

3、本实用新型中通过气浮装置可有效的去除悬浮物、胶体、大分子有机物、石油类等，实现了高效去除污泥的效果；然后污泥再在污泥破胶混合装置中与破胶剂混合，有效的避免了污泥粘结成块，水分被包围在污泥内部，使得脱水困难；有利于污泥脱水，脱水后污泥含水率小于75％。

4、本实用新型方法采用膜浓缩装置浓缩以及深度浓缩装置浓缩，得到的产水品质好，产水直接作为合格回用水循环利用，并且使得浓水量大大减小，有利于降低后端系统投资及运行成本。

5、本实用新型方法先进行膜浓缩装置浓缩得到的浓水再经过纳滤膜分盐装置进行纳滤分盐；有效的减小了纳滤膜分盐装置处理量，进而提高了纳滤膜分盐装置对氯化钠的负截留率，提高纳滤膜分盐装置分盐效率。

6、本实用新型方法采用纳滤分盐+冷热法结晶技术，使得产出的氯化钠和硫酸钠两种结晶盐的品质完全满足工业盐要求，可作为下游工业企业的原料使用，并且其杂盐的产率较低，小于总盐量的15％。

附图说明：

图1为本实用新型实施例1的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例2的工艺流程图。

气浮装置1，化学软化装置2，膜浓缩装置3，纳滤膜分盐装置4，氯化钠蒸发结晶装置5，冷冻结晶装置6，硫酸钠熔融结晶装置7，污泥破胶混合装置8，污泥脱水装置9，产品水池10，深度浓缩装置11，杂盐蒸发结晶装置12。

具体实施方式：

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1：如图1所示，一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其包括气浮装置1、化学软化装置2、膜浓缩装置3、纳滤膜分盐装置4、氯化钠蒸发结晶装置5、冷冻结晶装置6、硫酸钠熔融结晶装置7、污泥破胶混合装置8、污泥脱水装置9、产品水池10、深度浓缩装置11和杂盐蒸发结晶装置12；气浮装置1、化学软化装置2、膜浓缩装置3、纳滤膜分盐装置4和氯化钠蒸发结晶装置5依次顺序连通；纳滤膜分盐装置4、冷冻结晶装置6和硫酸钠熔融结晶装置7依次顺序连通；气浮装置1、污泥破胶混合装置8和污泥脱水装置9依次顺序连通；化学软化装置2还与污泥脱水装置9连通；膜浓缩装置3的出水口、氯化钠蒸发结晶装置5的冷凝水出口和硫酸钠熔融结晶装置7的冷凝水出口均与产品水池10的进水口连通。

纳滤膜分盐装置4、深度浓缩装置11、冷冻结晶装置6和硫酸钠熔融结晶装置7依次顺序连通；深度浓缩装置11的产水出口与产品水池10的进水口连通；和/或深度浓缩装置11包含反渗透、高压反渗透和高压平板膜中的一种或几种。

氯化钠蒸发结晶装置5的蒸发母液出口和冷冻结晶装置6的冷冻母液出口均与杂盐蒸发结晶装置12的进液口连通。

气浮装置1为加压溶气气浮装置；

和/或，化学软化装置2包含混凝沉淀池、高密池、管式微滤膜、管式超滤膜、石英砂过滤器以及离子交换树脂中的一种或几种；

和/或，膜浓缩装置3包含超滤装置、反渗透装置以及高压反渗透装置中的一种或几种；

和/或，氯化钠蒸发结晶装置5和/或是硫酸钠熔融结晶装置7为MVR、单效蒸发结晶装置以及多效蒸发结晶装置中的一种或几种；

和/或，污泥脱水装置9为高压隔膜压滤机。

本实用新型提供了一种连接关系结构简单的系统；压裂返排液经过本实用新型系统处理后，实现了产水全部回收利用，并且实现了回收了氯化钠、硫酸钠和污泥；进而实现了压裂返排液的零排放及其资源的回收利用；避免了排放等带来的环境污染，保护了环境。

实施例2：如图2所示，利用实施例1系统的压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法，其包括以下步骤：

步骤1：将压裂返排液加入到气浮装置1中，接着向气浮装置1中投加破胶剂、混凝剂和絮凝剂；破胶剂相对于加入到气浮装置1中的压裂返排液的添加量为800-2500mg/L；混凝剂相对于加入到气浮装置1中的压裂返排液的添加量为50-150mg/L；絮凝剂相对于加入到气浮装置1中的压裂返排液的添加量为0.5-3mg/L；气浮装置1的回流比为30％-45％；气浮装置1中的溶气压力为0.4-0.5Mpa；使压裂返排液发生破胶以及混凝反应，去除压裂返排液中的悬浮物、胶体、大分子有机物以及石油类等，实现了高效去除污泥的效果；得到出水和浮渣。

步骤2：将步骤1中的出水送至化学软化装置中，接着向化学软化装置中添加化学软化剂、混凝剂和絮凝剂；用以去除出水中的硬度、碱度和悬浮物；得到硬度＜10mg/L的软化产水和浮渣；化学软化剂包含石灰、碳酸钠、氢氧化钠以及偏铝酸钠中的一种或几种。

步骤3：将步骤2中的软化产水送入到膜浓缩装置进行浓缩，得到TDS＞60000mg/L的浓水和TDS＜1000mg/L的产水；产水被回收至产品水池。

步骤4：将步骤3中的浓水送入到纳滤膜分盐装置中；纳滤膜分盐装置对SO₄ ^2-的截留率大于94％，对Cl^-的截留率小于-10％；得到氯化钠浓盐水和SO₄ ^2-浓度＞53000mg/L的硫酸钠浓盐水。

膜浓缩装置浓缩得到的浓水再经过纳滤膜分盐装置进行纳滤分盐，有效的减小了纳滤膜分盐装置处理量，进而提高了纳滤膜分盐装置对氯化钠的负截留率，提高纳滤膜分盐装置分盐效率。

步骤5：将步骤4中的氯化钠浓盐水送至氯化钠蒸发结晶装置中在温度为80℃-110℃下进行蒸发结晶；得到氯化钠结晶盐、蒸发母液和水蒸气；水蒸气经过冷凝后得到冷凝水被送至产品水池；所得氯化钠结晶盐的纯度大于92％，可作为工业原料循环利用。

步骤6：将步骤4中的硫酸钠浓盐水送至输送至深度浓缩装置中进行深度浓缩，得到产品水和TDS＞240000mg/L的浓水，产品水被回收至产品水池；浓水被送至冷冻结晶装置中在温度为-5℃-5℃的环境中进行冷冻结晶，得到芒硝和冷冻母液。

将步骤5的蒸发母液和步骤6中的冷冻母液均送至杂盐蒸发结晶装置中进行蒸发结晶，得到杂盐，杂盐最后作为固危废处置。

步骤7：将步骤6中的芒硝送至硫酸钠熔融结晶装置中进行蒸发结晶；得到硫酸钠结晶盐和水蒸气；水蒸气经过冷凝后得到冷凝水被送至产品水池；所得硫酸钠结晶的纯度＞97％，可作为工业原料循环利用。

步骤8：将步骤1中的浮渣送至污泥破胶混合装置，接着向污泥破胶混合装置中添加破胶剂，并进行20min以上的混合反应，得到混合物；破胶剂的添加量占加入污泥破胶混合装置中的浮渣总量的5‰-10‰，有效避免污泥粘结成块，水分被包围在污泥内部，使得脱水困难；有利于污泥脱水，脱水后污泥含水率小于75％。

步骤9：将步骤8中的混合物和步骤2中的浮渣均送至污泥脱水装置进行压滤脱水；污泥脱水装置的进料口处的压力最少为1.0Mpa；污泥脱水装置中的压力最少为25Mpa，得到泥饼，泥饼的含水率小于75％，并且用于下游砖厂等企业的原料循环利用。

本实用新型提供了一种压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法，压裂返排液经过本实用新型方法处理后，产水全部回收利用，回收的副产物氯化钠和硫酸钠作为工业原料循环利用，回收的污泥则作为砖厂原材料使用，进而使得压裂返排液处理彻底实现了其零排放，杜绝了排放、回注或者燃烧带来的二次环境污染风险；并且降低了能耗，减少了成本；本实用新型方法采用膜浓缩装置浓缩以及深度浓缩装置浓缩，得到的产水品质好，产水直接作为合格回用水循环利用，并且使得浓水量大大减小，有利于降低后端系统投资及运行成本；本实用新型方法采用纳滤分盐+冷热法结晶技术，使得产出的氯化钠和硫酸钠两种结晶盐的品质完全满足工业盐要求，可作为下游工业企业的原料使用，并且其杂盐的产率较低，小于总盐量的15％。

实施例3：本实施例提供了一种使用上述实施例2的压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法来处理压裂返排液。

某压裂返排液，流量Q＝45m³/h，TDS＝12000mg/L，COD＝2300mg/L，Ca²⁺＝480mg/L，Mg²⁺＝48mg/L，Cl^-＝5500mg/L，SO₄ ^2-＝1600mg/L，浊度＝260NTU，色度＝1000倍。

一种压裂返排液的零排放资源化利用工艺方法，其包括以下步骤：

步骤1：将压裂返排液加入到气浮装置1中，接着向气浮装置1中投加850mg/L破胶剂、100mg/L混凝剂和2.0mg/L絮凝剂；使压裂返排液发生破胶以及混凝反应，去除压裂返排液中的浊度、色度和大分子有机物等，实现了高效去除污泥的效果；具体去除效果如表1所示：

表1

项目	水量(m<sup>3</sup>/h)	TDS(mg/L)	COD	色度	浊度
						气浮进水	45	12000	2300	1000	260
出水	45	12900	410	100	23

步骤2：将步骤1中的出水送至化学软化装置中，接着向化学软化装置中添加化学软化剂、混凝剂和絮凝剂去除硬度；具体去除效果如表2：

表2

步骤1和步骤2的浮渣产量为3.4t/h，且浮渣的含水率为98％；向步骤1中所产的浮渣投加5‰的破胶剂，混合反应20min后与步骤2的浮渣送至污泥脱水装置中进行压滤脱水；污泥脱水装置的进料口处的压力为1.0Mpa；污泥脱水装置中的压力为25Mpa，保压4h，得到含水率小于75％的泥饼，外运处置。

步骤3：将步骤2中的软化产水送入到膜浓缩装置进行浓缩，得到TDS＞60000mg/L的浓水和TDS＜1000mg/L的产水；产水被回收至产品水池；膜浓缩装置处理效果如表3：

表3

步骤4：将步骤3中的浓水送入到纳滤膜分盐装置中进行分盐及有机物的去除；纳滤膜分盐装置回收率为80％，对SO₄ ^2-的截留率为95％，COD的截留率为60％；得到氯化钠浓盐水和SO₄ ^2-浓度＞53000mg/L的硫酸钠浓盐水；具体处理效果如表4：

表4

步骤5：将步骤4中的氯化钠浓盐水送至氯化钠蒸发结晶装置中在温度为96℃下进行蒸发结晶；得到氯化钠结晶盐，产量为0.32t/h，纯度为98.5％，满足工业盐使用要求。

步骤6：将步骤4中的硫酸钠浓盐水送至输送至深度浓缩装置中进行深度浓缩，得到产水和TDS＞240000mg/L的浓水，产水被回收至产品水池；浓水被送至冷冻结晶装置中在温度为-2℃的环境中进行冷冻结晶，得到芒硝，产量0.22t/h。

步骤7：将步骤6中的芒硝送至硫酸钠熔融结晶装置中进行蒸发结晶；得到硫酸钠结晶盐，产量为0.095t/h，纯度为98％，满足工业盐使用要求。

被回收至产品水池中的水TDS＜1000mg/L，达到工业冷却循环水的补水水质要求，可循环利用。

以上是本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其特征在于，其包括气浮装置、化学软化装置、膜浓缩装置、纳滤膜分盐装置、氯化钠蒸发结晶装置、冷冻结晶装置、硫酸钠熔融结晶装置、污泥破胶混合装置、污泥脱水装置和产品水池；

所述气浮装置、所述化学软化装置、所述膜浓缩装置、所述纳滤膜分盐装置和所述氯化钠蒸发结晶装置依次顺序连通；

所述纳滤膜分盐装置、所述冷冻结晶装置和所述硫酸钠熔融结晶装置依次顺序连通；

所述气浮装置、所述污泥破胶混合装置和所述污泥脱水装置依次顺序连通；

所述化学软化装置还与所述污泥脱水装置连通；

所述膜浓缩装置的出水口、所述氯化钠蒸发结晶装置的冷凝水出口和所述硫酸钠熔融结晶装置的冷凝水出口均与所述产品水池的进水口连通。

2.根据权利要求1所述的一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其特征在于，其还包括深度浓缩装置，所述纳滤膜分盐装置、所述深度浓缩装置、所述冷冻结晶装置和所述硫酸钠熔融结晶装置依次顺序连通；所述深度浓缩装置的产水出口与所述产品水池的进水口连通；和/或所述深度浓缩装置包含反渗透、高压反渗透和高压平板膜中的一种或几种。

3.根据权利要求1或2所述的一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其特征在于，其还包括杂盐蒸发结晶装置，所述氯化钠蒸发结晶装置的蒸发母液出口和所述冷冻结晶装置的冷冻母液出口均与所述杂盐蒸发结晶装置的进液口连通。

4.根据权利要求3所述的一种压裂返排液的零排放资源化利用系统，其特征在于，所述气浮装置为加压溶气气浮装置；

和/或，所述化学软化装置包含混凝沉淀池、高密池、管式微滤膜、管式超滤膜、石英砂过滤器以及离子交换树脂中的一种或几种；

和/或，膜浓缩装置包含超滤装置、反渗透装置以及高压反渗透装置中的一种或几种；

和/或，所述氯化钠蒸发结晶装置和/或是硫酸钠熔融结晶装置为MVR、单效蒸发结晶装置以及多效蒸发结晶装置中的一种或几种；

和/或，所述污泥脱水装置为高压隔膜压滤机。

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