CN111825251A - 一种钻井废水处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井废水处理装置和方法。该钻井废水处理装置包括:依次连通的电絮凝反应池、电氧化反应池和斜板沉降池。本发明针对钻井废液高硬度、高悬浮物及含油类有机污染物较多的水质特点,采用电絮凝—电氧化组合工艺,实现硬度离子、悬浮物、有机物以及硫酸盐还原菌等主要污染物的高效去除。本发明利用钻井废水较高的氯根和电氧化的反应机理,在不添加额外药剂的情况下,保证了电化学反应效率和杀菌效果,有效降低了钻井废液的处理成本,以及操作的安全性。
Description
技术领域
本发明属于工业废水处理领域,具体涉及一种钻井废水处理装置和方法。
背景技术
页岩气作为一种重要的非常规能源,水平钻井、水力压裂、压裂液返排、试采等过程中会带来巨大环保压力。钻井过程用水主要用于配制泥浆、冲洗设备等,单井钻井用水量在1500~2000m3。而页岩气钻井废水主要产生于水基钻井过程,伴随有地层产出水、井筒清洗废水、钻井平台冲洗废水、泥浆罐清洗废水等。排水量单井约450~600m3。废弃物组分复杂,COD高、色度高、盐含量高、可生化性较差、难处理,长时间存放还会发生“发黑发臭”的现象。大多数井场对钻井废液进行处理后回用或者回注,返排液。钻井废液现主要集中在一开、二开阶段部分回用,三开后回用率低(<10%),很大一部分与固废一起处理,既浪费大量液体又增加固废处理量。
国内已有的处理方法包括物化法、化学法、生物法及组合工艺法。这些方法在处理含有高浓度有机物、多种类无机盐、高毒性重金属、高污染石油类物质的废水取得了一定的效果,在去除废水中污染物的同时,减少了对周围环境的污染。页岩气钻井废水主要采用混凝沉淀、化学氧化、杀菌消毒等工艺处理后回用。如某钻井废水经混凝沉淀、Fenton氧化、絮凝沉淀和过滤组合工艺处理后用于配制水力压裂液或运至周边污水处理厂进一步处理达标后排放。臭氧法也被研究者用于某页岩气钻井废水的深度氧化处理,具有一定的COD去除率,但反应过程受到体系离子的影响。
上述各种废水回用处理技术仍然存在一些问题:一方面,成本较低、工艺较为简单的工艺,其处理效果较差,重新配制压裂液时对压裂液添加剂的性能要求较高,常需要大幅提高添加剂用量才能满足现场施工性能要求,且大量的悬浮物、结垢离子等注入地层,对储层伤害较大;另一方面,处理效果较好的工艺,其处理成本较高、工艺较为复杂,难以实现工业化应用。
为了有效控制页岩气钻井废液有机污染物的含量,最大程度降低对生态环境和人类健康可能带来的危害,需要研发钻井废液高效处理回用技术,提高液体回用率,降低回用处理成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻井废水处理装置和方法。本发明针对钻井废水减量化以及污染物分类、分级去除问题,形成钻井废水回用处理组合技术,以实现最大限度的回用和剩余污水的回注。
本发明针对钻井废液高硬度、高悬浮物及含油类有机污染物较多的水质特点,采用电絮凝—电氧化组合工艺,实现硬度离子、悬浮物、有机物以及硫酸盐还原菌等主要污染物的高效去除。
为了实现以上目的,本发明采用以下技术方案:
本发明一方面提供一种钻井废水处理装置,该装置包括:依次连通的电絮凝反应池、电氧化反应池和斜板沉降池;
所述电絮凝反应池的池体内部包括钻井废水依次进入的电解反应区和絮凝沉淀区;钻井废水以S形穿过所述电解反应区;所述絮凝沉淀区采用并联结构;所述电絮凝反应池上部配有刮渣板,底部设有排泥管道;所述电絮凝反应池配有pH计实时监测以调节反应时间;
所述电解反应区电絮凝反应池的极板电极采用铁电极;所述电氧化反应池的极板为网状极板,阳极为钌钛合金,阴极为钛极板,极板间添加陶粒催化剂。
优选地,所述电解反应区的极板为垂直于水流方向设置并沿水流方向排列分布,第一块与一侧槽壁间留有空隙,第二块与另一侧槽壁间留有空隙,以此排列分布,钻井废水从极板和槽壁间流过从而以S形穿过所述电解反应区。
优选地,所述絮凝沉淀区垂直于水流方向分隔为并联的两个区域;所述两个区域之间设置有水流通道。使原水能等量留向两个区域,以降低流速,保证沉降效果。
优选地,所述电絮凝反应池的电絮凝过程电流密度为5-10mA/cm2,电解反应区水力停留时间为10-15min,絮凝沉降区水力停留时间为10-15min。
所述钻井废水以S形穿过所述电解反应区,通过湍流效应在与极板电解出的铁离子反应的同时,也能对极板进行冲刷,防止油污以及其他胶体和悬浮物粘附在极板上,造成反应效率的下降。所述絮凝沉淀区采用并联结构,能够降低流速,为絮体聚团提供足够的反应时间。所述电絮凝反应池配有pH计实时监测以调节反应时间,以优化絮凝效果和降低后续pH调节加药量。
所述电氧化反应池包括有用以投加盐酸的自动加药泵和实时监测pH值的pH计;所述电氧化反应池的池底设有曝气管线进行纯氧曝气,通过利用合适的湍流效应提高极板表面的传质效率,减小极板表面扩散层厚度以加快反应,同时避免因为污染物在极板表面停留时间过短,而造成吸附态羟基自由基与污染物反应效率下降。所述电氧化反应池的极板为网状极板,阳极为钌钛合金,阴极为钛极板,极板间添加陶粒催化剂。网状设计是为了废水能够在极板和陶粒间自由流动,保证充分接触反应。极板采用横向层叠放置,每层极板间放置陶粒。采取陶粒形式的催化剂,在防止板结的同时,保证比表面积最大化。陶粒催化剂负载的活性催化剂为氧化铁,采用陶粒负载可以提高活性催化剂均匀性和牢固性。
优选地,所述电氧化反应池内的pH值控制在6-8之间,电流密度为5-10mA/cm2,水力停留时间为30-60min,纯氧曝气强度为100-200L/min。
本发明的电氧化反应池通过极板制备工艺和催化剂负载工艺,提高羟基自由基的产生效率,同时利用电解反应过程中产生的次氯酸根、双氧水共同实现对有机物的氧化分解;通过上述产生的活性自由基,联同电场对细胞膜的电击穿作用,使胞内物质渗漏,实现对细菌的完全灭活。
优选地,所述电氧化反应池的进水口设置在底部,出水口为设置于顶部的溢流堰。所述钻井废水经电絮凝反应池处理后,从底部进入所述电氧化反应池,经过电氧化反应池处理后从所述电氧化反应池顶部溢流堰溢出斜板沉降池,完成污染物絮体的沉降和分离,最终实现处理出水的COD和悬浮物的去除。
优选地,所述斜板沉降池的水力停留时间为30min。
本发明另一方面提供利用上述钻井废水处理装置进行的钻井废水处理方法,包括以下步骤:
利用提升装置将钻井废水提升至所述电絮凝反应池,钻井废水以S形穿过所述电解反应区,与极板电解出的铁离子反应,同时对极板进行冲刷;钻井废水接着进入所述絮凝沉淀区,絮体聚团沉淀;电絮凝反应池上部配有刮渣板,底部设有排泥管道,电絮凝反应池配有pH计实时监测以调节反应时间。刮渣板按分钟设计时间间隔连续在反应槽上方横向刮渣,去除电解反应过程中产生的浮渣(如上浮的油渣,产生的气体泡沫等)。排泥管道定期排泥,针对电絮凝产生的沉淀物。当监测的pH值高于10时,通过提高提升泵流速减少反应时间。
钻井废水经电絮凝反应池处理后,进入所述电氧化反应池进行电氧化处理,以氧化分解有机物,并实现细菌的灭活;所述自动加药泵投加盐酸以调节池内pH值,池底的曝气管线进行纯氧曝气;
经电氧化处理后的钻井废水进入所述斜板沉降池,完成污染物絮体的沉降和分离。
优选地,所述电絮凝反应池的电絮凝过程电流密度为5-10mA/cm2,电解反应区水力停留时间为10-15min,絮凝沉降区水力停留时间为10-15min。
优选地,所述电氧化反应池内的pH值控制在6-8之间,电流密度为5-10mA/cm2,水力停留时间为30-60min,纯氧曝气强度为100-200L/min。
优选地,所述斜板沉降池的水力停留时间为30min。
优选地,所述电氧化反应池的进水口设置在底部,出水口为设置于顶部的溢流堰;
所述钻井废水经电絮凝反应池处理后,通过提升装置从底部进入所述电氧化反应池进行电氧化处理;
经电氧化处理后的钻井废水由所述电氧化反应池顶部溢流堰溢出至所述斜板沉降池。
钻井废液硬度离子和悬浮物含量较高,并含有石油类等有机污染物,本发明采用电絮凝以牺牲阳极产生的铁离子经水解、聚合及氧化完成对石油类、悬浮物、硬度离子的去除,之后利用电氧化实现COD的进一步去除,以及通过电氧化过程中产生的羟基自由基等活性自由基的杀菌性能,对硫酸盐还原菌等造成水质发黑发臭的细菌进行去除。
本发明的组合工艺有效组合了电絮凝和电氧化技术,利用钻井废水较高的氯根和电氧化的反应机理,在不添加额外药剂的情况下,保证了电化学反应效率和杀菌效果,有效降低了钻井废液的处理成本,以及操作的安全性。
本发明的优点及积极效果:
1)利用电絮凝和电氧化的组合,通过电解产生Fe2+离子,经水解、聚合和氧化作用形成各种络合物,使含油的钻井废水实现快速脱稳,胶状杂质、悬浮杂质能够有效的凝聚分离,去除悬浮物、含油有机物的同时,也防止了后续用于进一步去除COD和杀菌的电氧化反应池极板的污染。
2)电氧化过程添加陶粒催化剂,促进羟基自由基产生效率,增加了废液被羟基自由基反应的接触面积,提高了COD去除效果。
3)利用钻井废液含有较高氯化物的特性,通过电解时氯离子在阳极表面被氧化,生成氯气并进一步与水反应生成次氯酸盐,有一定的杀菌效果;通过电氧化极板电解水溶液时,产生的羟基自由基、双氧水、臭氧等活性自由基物质,对细胞有杀伤作用,能够使胞内物质渗漏。
4)利用电极表面的吸附作用,因为吸附后的细菌会与电极之间进行电子交换,氧化了细菌内具有呼吸功能的胞内酶CoA,造成细胞死亡并脱落,保证了杀菌的持续性;此外电场对细胞膜有电击穿作用,对细胞代谢功能有电渗和电泳作用,也能使胞内物质渗漏,最终实现对细菌的完全灭活。
附图说明
图1为实施例中钻井废水处理装置的工艺流程图。
附图标记说明:100-电絮凝反应池;101-电解反应区;102-絮凝沉淀区;200-电氧化反应池;300-斜板沉降池。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
2017年8月~10月,利用本发明的组合工艺完成某油气开发企业钻井废水回用处理应用研究,该装置的处理流程如图1所示:
1、首先利用提升装置将钻井废水提升至电絮凝反应池100,电极采用铁电极,池体内部设为电解反应区101和絮凝沉淀区102。钻井废水以S形穿过电解反应区101,通过湍流效应在与极板电解出的铁离子反应的同时,也能对极板进行冲刷,防止油污以及其他胶体和悬浮物粘附在极板上,造成反应效率的下降。絮凝沉淀区102采用并联结构,降低流速,为絮体聚团提供足够的反应时间,反应池上部配有刮渣板,底部设有排泥管道。反应池配有pH计实时监测以调节反应时间,优化絮凝效果和降低后续pH调节加药量。
其中,电絮凝过程电流密度为5-10mA/cm2,电解反应区水力停留时间为10-15min,絮凝沉降区水力停留时间为10-15min。
2、经电絮凝反应池100处理后,钻井废水继续通过提升装置从底部进入电氧化反应池200,自动加药泵投加盐酸(pH调节剂),池内配有pH计进行pH值实时监测。池底设有曝气管线进行纯氧曝气,通过利用合适的湍流效应提高极板表面的传质效率,减小极板表面扩散层厚度以加快反应,同时避免因为污染物在极板表面停留时间过短,而造成吸附态羟基自由基与污染物反应效率下降。
其中,电氧化极板为网状极板,阳极为钌钛合金,阴极为钛极板,极板间添加陶粒催化剂。池内pH值控制在6-8之间,电流密度为5-10mA/cm2,水力停留时间为30-60min,纯氧曝气强度为100-200L/min。通过优化的极板制备工艺和催化剂负载工艺,提高羟基自由基的产生效率,同时利用电解反应过程中产生的次氯酸根、双氧水共同实现对有机物的氧化分解;通过上述产生的活性自由基,联同电场对细胞膜的电击穿作用,使胞内物质渗漏,实现对细菌的完全灭活。
3、经电氧化处理后的钻井废水由电氧化反应池200顶部溢流堰溢出斜板沉降池300,完成污染物絮体的沉降和分离,最终实现处理出水的COD和悬浮物的去除,水力停留时间30min。
整套装置处理流程短,结构紧凑,操作简便,可以实现自动化控制,现场试验共完成150m3的钻井废水处理,连续运行期间装置运行稳定。
装置进液为某井场钻井废水,COD 2000~2900mg/L、悬浮物2200~2600mg/L、总硬度500~800mg/L、SRB 2000~3000个/mL、氯离子1700~2200mg/L;装置出水COD 300~600mg/L、悬浮物50~100mg/L、总硬度200~300mg/L,SRB 20-25个/mL。
该工艺全流程停留时间1.5~2.0h,处理出水可稳定达到压裂返排液回用水质控制要求,反应过程中药剂投加量少,运行控制简单,可实现钻井废水的就地妥善处置。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (12)
1.一种钻井废水处理装置,其特征在于,该装置包括:依次连通的电絮凝反应池、电氧化反应池和斜板沉降池;
所述电絮凝反应池的池体内部包括钻井废水依次进入的电解反应区和絮凝沉淀区;钻井废水以S形穿过所述电解反应区;所述絮凝沉淀区采用并联结构;所述电絮凝反应池上部配有刮渣板,底部设有排泥管道;所述电絮凝反应池配有pH计实时监测以调节反应时间;
所述电氧化反应池包括有用以投加盐酸的自动加药泵和实时监测pH值的pH计;所述电氧化反应池的池底设有曝气管线进行纯氧曝气;
所述电解反应区的极板采用铁电极;所述电氧化反应池的极板为网状极板,阳极为钌钛合金,阴极为钛极板,极板间添加陶粒催化剂。
2.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述电解反应区的极板为垂直于水流方向设置并沿水流方向排列分布,第一块与一侧槽壁间留有空隙,第二块与另一侧槽壁间留有空隙,以此排列分布,钻井废水从极板和槽壁间流过从而以S形穿过所述电解反应区。
3.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述絮凝沉淀区垂直于水流方向分隔为并联的两个区域;所述两个区域之间设置有水流通道。
4.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述电氧化反应池的进水口设置在底部,出水口为设置于顶部的溢流堰。
5.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述电絮凝反应池的电絮凝过程电流密度为5-10mA/cm2,电解反应区水力停留时间为10-15min,絮凝沉降区水力停留时间为10-15min。
6.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述电氧化反应池内的pH值控制在6-8之间,电流密度为5-10mA/cm2,水力停留时间为30-60min,纯氧曝气强度为100-200L/min。
7.根据权利要求1所述的钻井废水处理装置,其特征在于,所述斜板沉降池的水力停留时间为30min。
8.一种利用权利要求1所述钻井废水处理装置进行的钻井废水处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
利用提升装置将钻井废水提升至所述电絮凝反应池,钻井废水以S形穿过所述电解反应区,与极板电解出的铁离子反应,同时对极板进行冲刷;钻井废水接着进入所述絮凝沉淀区,絮体聚团沉淀;电絮凝反应池上部配有刮渣板,底部设有排泥管道,电絮凝反应池配有pH计实时监测以调节反应时间;
钻井废水经电絮凝反应池处理后,进入所述电氧化反应池进行电氧化处理,以氧化分解有机物,并实现细菌的灭活;所述自动加药泵投加盐酸以调节池内pH值,池底的曝气管线进行纯氧曝气;
经电氧化处理后的钻井废水进入所述斜板沉降池,完成污染物絮体的沉降和分离。
9.根据权利要求8所述的钻井废水处理方法,其特征在于,所述电絮凝反应池的电絮凝过程电流密度为5-10mA/cm2,电解反应区水力停留时间为10-15min,絮凝沉降区水力停留时间为10-15min。
10.根据权利要求8所述的钻井废水处理方法,其特征在于,所述电氧化反应池内的pH值控制在6-8之间,电流密度为5-10mA/cm2,水力停留时间为30-60min,纯氧曝气强度为100-200L/min。
11.根据权利要求8所述的钻井废水处理方法,其特征在于,所述斜板沉降池的水力停留时间为30min。
12.根据权利要求8所述的钻井废水处理方法,其特征在于,所述电氧化反应池的进水口设置在底部,出水口为设置于顶部的溢流堰;
所述钻井废水经电絮凝反应池处理后,通过提升装置从底部进入所述电氧化反应池进行电氧化处理;
经电氧化处理后的钻井废水由所述电氧化反应池顶部溢流堰溢出至所述斜板沉降池。
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