一种处理油气田压裂返排液的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种处理油气田压裂返排液的装置及方法。所述装置包括：电解单元、混合气体发生单元，及位于所述电解单元下方的搅拌装置。本发明专利技术所述方法协同了电吸附、电化学氧化和电催化臭氧氧化的作用，解决了传统三维电极电流效率低，有机物降解速率慢的问题，显著提高了压裂返排液排放的处理效率和处理成本，出水COD去除率大于90％，可生化比大于0.4，出水水质明显改善，且水质稳定。

A device and method for treating fracturing flowback fluid in oil and gas fields

【技术实现步骤摘要】
一种处理油气田压裂返排液的装置及方法
本专利技术属于废水处理领域，具体涉及一种三维电极耦合臭氧氧化处理油气田压裂返排液的装置及方法。
技术介绍
油气田开采过程中产生的压裂返排液是石油天然气企业的主要污染源之一。随着水处理技术和处理装备的不断更新，压裂返排液处理技术也不断取得新进展。其中以高级氧化为核心的处理技术，可产生无选择性的强氧化剂·OH，进而更高效地矿化有机污染物，从而减少COD的排放。三维电极电化学高级氧化技术是近年来被广泛研究的一种新型电化学高级氧化技术，其通过在阴阳极之间装填粒状或碎屑状粒子电极，即形成三维电极，很大程度上改善了传统二维电极电化学氧化过程中普遍存在的污染物传质限制。然而，三维电极系统缺少足够量的强氧化剂的产生，对于高浓度的工业废水，仍须较长的处理时间，且污染物逐渐吸附在粒子电极上，容易导致粒子电极失活，不利于系统连续运行，COD排放难达标。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种利用三维电极耦合臭氧氧化的处理油气田压裂返排液的方法；该方法将电吸附、电化学氧化和电催化臭氧氧化相结合，利用粒子电极良好的吸附性能和催化性能，同时通过电化学方法在阴极高效持续产生H2O2，并与曝入的O3发生peroxone反应产生·OH，从多途径高效地去除油气田压裂返排液中难降解有机污染物。本专利技术的技术方案如下。一种废水处理装置，包括：电解单元、混合气体发生单元及位于所述电解单元下方的搅拌装置；所述电解单元包括：电解槽、三维电极、直流电源、微孔盘；所述微孔盘置于三维电极下方、所述电解单元的底部，用于支撑固定三维电极，同时使混合气体经过微孔盘后变成微气泡，有利于传质进行且可轻微扰动粒子电极。所述混合气体发生单元包括：臭氧发生器、曝气头、臭氧破坏器；其中，位于所述电解单元外部的所述臭氧发生器与位于所述电解单元内部的所述曝气头管道连接；所述臭氧破坏器位于所述电解单元的外部、且与所述电解单元顶部的排气口管道连接。进一步地，所述电解槽为长方体，具体尺寸可根据实际需要调整，如尺寸为3.5cm×12.5cm×20cm，其置于所述搅拌装置中央上方。进一步地，所述三维电极由惰性阳极、阴极和粒子电极组成；其中，所述惰性阳极的面积为100～150cm2，优选为121～144cm2；所述惰性阳极选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛合金电极或掺硼金刚石电极，优选为钛镀钌铱电极。本专利技术采用的惰性阳极能够增强有机污染物在阳极表面的催化氧化降解，且价格低廉，稳定性好。其中，所述阴极的面积为100～150cm2，优选为121～144cm2；所述阴极选用石墨电极、炭毡电极、活性炭纤维电极、玻碳电极、炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极，优选为炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极。本专利技术采用的阴极可以将O2在其表面发生两电子还原反应生成H2O2。其中，本专利技术采用的电极除炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极为自制外，其余电极均从市场直接购买；所述炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极的制备方法如下：(1)将整张镍网剪裁为一定大小的长方形，用甲醇清洗并超声15分钟后，烘干备用。(2)称量炭黑6g置于烧杯内，加入80mL无水乙醇，超声10分钟，再加入8mL聚四氟乙烯乳液，超声15分钟。(3)将烧杯置于电炉上加热并不断搅拌至膏状。(4)将膏状物压制成0.5mm厚的薄片，并将薄片分别贴附在一块备用的镍网两侧，在20MPa压力下压片1分钟成形。(5)将压片成形的电极放入马弗炉内，炉内温度由室温升温至350℃并维持1小时，自然降温后，即制得炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极。所述惰性阳极和所述阴极沿电解槽两壁竖直平行插入，并分别与所述直流电源正负极连接。所述惰性阳极和所述阴极中间装填粒子电极，所述粒子电极选自柱状活性炭、颗粒活性炭、硅胶、石墨、陶粒或石英砂中的一种或多种；优选柱状活性炭；所述粒子电极的直径为1-4mm，优选为1.5mm；所述粒子电极的装填量为100～150g，优选为120～130g。本专利技术所述的粒子电极装填量可以保证粒子电极尽多吸附聚集有机污染物，同时在气泡作用下可轻微扰动，利于再生。进一步地，所述搅拌单元包括磁力搅拌器和转子。进一步地，所述曝气头为不锈钢管式微孔曝气头，微孔孔径为2-20微米。进一步地，所述混合气体发生单元还包括臭氧检测器、气体流量计、氧气瓶等辅助设备。所述装置的工作原理如下：废水(油气田压裂返排液)经蠕动泵进入所述电解槽底部，同时氧气进入所述臭氧发生器，所得臭氧与氧气的混合气体通过臭氧检测器和气体流量计后，由所述曝气头通入电解槽底部，废水在磁力搅拌器作用下，通过微孔盘，自下而上经所述三维电极处理后，在电解槽上部由出水口排出，残余的臭氧气体经电解槽顶部通入臭氧破坏器进行破坏。本专利技术还提供一种利用上述装置处理油气田压裂返排液的方法，包括：(1)油气田压裂返排液进入所述装置的电解单元底部；(2)氧气进入所述装置的混合气体发生单元的臭氧发生器，所产生的臭氧与氧气的混合气体通入电解单元底部，与油气田压裂返排液混合；(3)在搅拌作用下，油气田压裂返排液通过微孔盘，自下而上经所述三维电极处理，最终电解处理后的水由电解单元的上部出水口排出，残余的混合气体经电解单元顶部通入臭氧破坏器进行破坏。在步骤(1)中，所述油气田压裂返排液为油气田在压裂施工后所产生的压裂废液原液，其COD浓度为2000～8000mg/L，可生化性B/C比为0.1～0.3，pH值为5～9，电导率大于6000μS/cm。在步骤(2)中，所述混合气体为O3体积百分比为5～10％的、由氧气和臭氧组成的混合气体。所述混合气体采用臭氧发生器制备，具体如下：将纯O2通入臭氧发生器，部分O2在高压放电作用下发生电化学反应转化为O3。在步骤(2)中，向所述电解单元中曝入O2和O3混合气体时，采用底部微孔曝气方式；所述微孔曝气的气体流速为0.2～0.8L/min，O3的浓度为30～120mg/L。在步骤(3)中，所述三维电极中所使用的电源为普通直流稳压电源，可提供的电流密度为10～50mA/cm2。在本专利技术中，所述油气田压裂返排液的水力停留时间为30～90min。在实际工业处理过程中，本专利技术所述各项操作均为连续进行。本方法的原理如下：在直流电场中，活性炭粒子电极对有机物产生一定的吸附和过滤截留作用；水体中溶解的O2在炭黑-聚四氟乙烯阴极上发生两电子还原反应(1)，生成的H2O2可以与溶液中曝入的O3进一步发生peroxone反应，生成具有强氧化性的·OH(2)；同时O3可以在活性炭粒子电极上催化产生·OH，还可在阴极发生电还原反应产生·OH(3)和(4)；多条·OH的产生途径可将溶液中及吸附在活性炭粒子电极上的污染物有效快速降解，同时将粒子电极再生，从而可持续高效地降解有机污染物。O2+2H++2e-→H2O2(1)2H2O2+2O3→H2O+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种废水处理装置，其特征在于，包括：电解单元、混合气体发生单元，及位于所述电解单元下方的搅拌装置；/n所述电解单元包括：电解槽、三维电极、直流电源、微孔盘；其中，所述微孔盘置于三维电极下方、所述电解单元的底部；/n所述混合气体发生单元包括：臭氧发生器、曝气头、臭氧破坏器；其中，位于所述电解单元外部的所述臭氧发生器与位于所述电解单元内部的所述曝气头管道连接；所述臭氧破坏器位于所述电解单元的外部、且与所述电解单元顶部的排气口管道连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种废水处理装置，其特征在于，包括：电解单元、混合气体发生单元，及位于所述电解单元下方的搅拌装置；
所述电解单元包括：电解槽、三维电极、直流电源、微孔盘；其中，所述微孔盘置于三维电极下方、所述电解单元的底部；
所述混合气体发生单元包括：臭氧发生器、曝气头、臭氧破坏器；其中，位于所述电解单元外部的所述臭氧发生器与位于所述电解单元内部的所述曝气头管道连接；所述臭氧破坏器位于所述电解单元的外部、且与所述电解单元顶部的排气口管道连接。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电解槽置于所述搅拌装置中央上方。


3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述三维电极由惰性阳极、阴极、两电极中间装填的粒子电极组成；
优选地，所述惰性阳极的面积为100～150cm2，进一步优选为121～144cm2；
和/或，优选地，所述惰性阳极选自铂电极、不锈钢电极、石墨电极、钛镀钌铱电极、钛合金电极或掺硼金刚石电极，进一步优选为钛镀钌铱电极；
和/或，优选地，所述阴极的面积为100～150cm2，进一步优选为121～144cm2；
和/或，优选地，所述阴极选用石墨电极、炭毡电极、活性炭纤维电极、玻碳电极、炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极，进一步优选为炭黑-聚四氟乙烯气体扩散电极；
和/或，优选地，所述粒子电极选自柱状活性炭、颗粒活性炭、硅胶、石墨、陶粒或石英砂中的一种或多种；优选为柱状活性炭；
和/或，优选地，所述粒子电极的直径为1-4mm，进一步优选为1.5mm，装填量为100～150g，进一步优选为120～130g。


4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述搅拌单元包括磁力搅拌器、转子。

【专利技术属性】
技术研发人员：祝威，展巨宏，王玉珏，余刚，韩霞，谷梅霞，吴磊，
申请(专利权)人：中石化节能环保工程科技有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42