CN105492977B - 流体处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于废水处理的方法和***。在一些实施例中，所述***可包括一个或多个模块，诸如电化学模块、电凝聚模块、浮选模块、蒸发模块、和超过滤模块。还可提供一个或多个检测模块以分析所述废水中的一种或多种废水成分的浓度。来自此类模块的数据可用来调整所述处理***中的一个或多个操作参数或条件。所述***还可包括被设计成使对环境的不利影响最小化的一个或多个特征，诸如避免将化学品添加到流、提取盐或其它化学品以供再使用、和/或使用来自现场燃烧过程的二氧化碳。

Description

流体处理方法
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年2月6日提交且名称为“流体处理方法和***(FLUID TREATMENT METHODS AND SYSTEM)”的美国临时专利申请No.61/761,607的权益，所述申请的全文以引用方式并入本文中。
发明内容
本文中公开了用于处理诸如来自压裂场所的废水的流体的方法和***的实施例和实施方案。在一些实施例中，所述***可包括一个或多个模块，诸如电氧化模块、电凝聚模块、浮选模块、蒸发模块和超过滤模块。还可提供一个或多个检测模块以分析废水中的一种或多种废水成分的浓度。来自此类模块的数据可用来调整处理***中的一个或多个操作参数或条件。所述***还可包括设计成使对环境的不利影响最小化的一个或多个特征，诸如避免将化学品添加到流、提取盐或其它化学品以供再使用，和/或使用来自现场燃烧过程的二氧化碳。
在用于废水处理的***的一个特定实例中，可提供废水进水口，所述废水进水口配置成接收进入的废水流。所述***还可包括电氧化模块，所述电氧化模块配置成接收进入的废水流且增加行进穿过所述电氧化模块的废水流的pH。在一些实施例中，模块中的一个或多个可配置成将废水流的pH增加到在约11与约12之间。在一些实施例中，可在不向水添加化学品的情况下增加流的pH。
还可提供包括至少两个电极的电凝聚模块。电凝聚模块可配置成接收进入的废水流且从行进穿过所述电凝聚模块的废水流去除一种或多种污染物；在一些实施例中，电氧化模块和电凝聚模块可为单个组合电化学处理单元的部分。
***还可包括浮选模块，浮选模块配置成接收进入的废水流并将其分离为水相流和一个或多个其它流，诸如油相流、污泥相流和/或包括油和固体粒子的流。蒸发模块可配置成从浮选模块接收水相流且还配置成沉淀水相流内的结垢元素；在一些实施例中，浮选模块还可配置成从进入浮选模块的废水流的表面撇去凝聚油。
在一些实施例中，所述***还可包括配置成将二氧化碳气体输送到蒸发模块的二氧化碳管道。在一些此类实施例中，输送到二氧化碳气体管道的二氧化碳气体可从废气产生，废气是由用于在废水处理的***的处理场所处的碳氢燃料的燃烧所引起。例如，输送到二氧化碳气体管道的二氧化碳气体可通过处理***的一个或多个模块从废气产生，废气是由碳氢燃料的燃烧所引起。
超过滤模块可配置成接收进水流且输送流出的渗透物流，所述渗透物流包括盐溶液，诸如包括氯化钠盐和/或一种或多种其它盐的溶液。在一些实施例中，此溶液可诸如借助于热处理模块加以进一步处理以获得可再使用盐产物。此热处理器可配置成从超过滤模块接收包括浓缩NaCl溶液的进水流且在第一口处输送固态NaCl且在第二口处输送净化水流。
在一些实施例中，还包括含反渗透(RO)模块。此可有利于将进水流分离为出水流，出水流包括一股或多股高TDS流和一股或多股低 TDS流。如果需要，高TDS流可被发送到蒸发器(诸如热处理器)，以产生一种或多种固态产物，诸如固态氯化钠盐产物。
还可提供一个或多个检测模块(诸如激光诱导击穿光谱模块)，其可配置成分析废水中的一种或多种化学成分的浓度。此类检测模块还可配置成将数据传输到***中的一个或多个其它模块，以调整***中的一个或多个操作参数或条件，诸如禁用废水处理***中的一个或多个模块、调整废水处理***中的一个或多个模块的操作参数、将废水流转向以绕过废水处理***中的一个或多个模块，或使废水再循环通过废水处理***中的一个或多个模块。
在一些实施例中，一个或多个检测模块可定位且配置成在废水进入电氧化模块之前检测废水的pH。在一些此类实施例中，所述***可配置成禁用电氧化模块和/或将废水流转向以在废水进入电氧化模块之前，在检测废水的阈值pH时避开电氧化模块和/或电凝聚模块。在一些实施例中，此阈值pH可为约11，且电氧化模块和/或电凝聚模块可配置成当从检测模块接收到废水流具有低于阈值的pH的指示时，将废水流的pH增加到在约11与约12之间。
在一些实施例中，所述***可包括移动废水处理***，所述移动废水处理***配置成允许将废水处理***运输到多个不同处理场所。例如，移动废水处理***可包括拖车和机动车中的至少一个。
在用于废水处理的方法的特定实例中，所述方法可包括：在废水进水口中接收进入的废水流；从废水搜集实时数据，所述数据包括涉及废水中的组分和废水中的一种或多种组分的浓度的数据中的至少一个；和使用实时数据以确定是否修改废水处理***中的一个或多个模块或参数。当根据实时数据确定应修改废水处理***中的一个或多个模块或参数时，所述方法还可包括修改废水处理***中的一个或多个模块或参数。从废水搜集实时数据的步骤可使用例如激光诱导击穿光谱技术来执行。
所述方法还可包括增加废水的pH。在一些实施方案中，增加废水的pH的步骤可使用电化学处理方法来执行，且增加废水的pH的步骤可在不向废水添加任何化学品的情况下来执行。
在一些实施方案中，在废水进水口中接收进入的废水流的步骤可在从废水搜集实时数据的步骤之后执行。
在一些实施方案中，修改废水处理***中的一个或多个模块或参数的步骤可包括以下步骤中的至少一个：禁用废水处理***中的一个或多个模块、调整废水处理***中的一个或多个模块的操作参数、将废水流转向以绕过废水处理***中的一个或多个模块，和使废水再循环通过废水处理***中的一个或多个模块。
在一些实施方案中，从废水搜集实时数据的步骤可包括评估废水的pH值以确定pH值是否满足pH阈值，诸如11。在一些此类实施方案中，增加废水的pH的步骤可包括将废水的pH增加到在约11与约 12之间。
在压裂场所处的废水处理的方法的具体实例中，所述方法可包括从压裂操作接收进入的废水流、确认废水内存在油，且当确认废水内存在油时，确定废水中是否存在超出特定阈值浓度的一种或多种碱土金属，诸如Ca、Mg、Sr和Ba。
当确认已超过阈值时，可增加水的pH值。在一些实施例中，pH 值可使用电化学处理方法增加到在约11与约12之间。
当确认还没有超过阈值时，可绕过调整水的pH值的步骤。在调整水的pH值或绕过调整水的pH值的步骤的步骤之后，可将水发送通过至少一个处理过程，所述至少一个处理过程包括以下过程中的至少一个：电凝聚、电氧化、溶气浮选处理、使用二氧化碳气体进行的结垢元素的沉淀，和超过滤。
在一些实施方案中，所述方法可包括确定废水中是否存在Ca且确定废水中的Ca是否超过第一阈值。所述方法还可包括确定废水中是否存在Mg且确定废水中的所述Mg是否超过第二阈值。在一些实施方案中，第一阈值可包括约1000mg/L，且第二阈值可包括约500mg/L。
当确认已超过第一阈值和第二阈值中的至少一个(或在一些实施方案中，超过所述两者)时，所述方法还可包括将水的pH值调整到在约11与约12之间。在一些实施方案中，此可使用电化学处理方法来执行。
当确认还没有超过第一阈值和第二阈值中的至少一个时，可绕过调整水的pH值的步骤。在一些实施方案中，除非还没有超过第一阈值和第二阈值两者，否则无法绕过调整水的pH值的步骤。
在调整水的pH值或绕过调整水的pH值的步骤的步骤之后，可将水发送通过本文中公开的处理过程中的一个或多个，举例来说，诸如电凝聚、溶气浮选处理、使用二氧化碳气体进行的结垢元素的沉淀，和超过滤。
在一些实施例中，如果碳浓度大于特定阈值，或总碱土金属(例如，Ca、Mg、Sr和Ba)或一种或多种此类碱土金属的浓度小于另一特定阈值，那么可通过禁用电氧化模块或将此模块周围的流转向来绕过电氧化。例如，在一些实施例中，当检测到碳浓度为约600mg/L的阈值和/或检测到碱土金属的浓度低于约50mmol/L时，可绕过电氧化。
在一些实施例中，一个或多个阈值浓度可与特定碱土金属相关联。例如，在一些实施例中，可在一些实施例中结合评估碳浓度，使用检测钙浓度小于特定阈值(诸如在一个优选实施例中为约800mg/L和在另一优选实施例中为约1000mg/L)，来确定是否绕过电氧化。然而，如果废水流中检测到的碳低于阈值且碱土金属浓度(或一种或多种此类碱土金属)高于另一阈值，那么可执行电氧化且反之可通过禁用电凝聚模块或将此模块周围的流转向来绕过电凝聚。
附图说明
本文的书面公开描述了非限制性和非穷举性的说明性实施例。参考附图中描绘的某些此类说明性实施例，其中：
图1是诸如废水的流体的处理***的一个实施例的示意图。
图2是诸如废水的流体的处理方法的一个实施方案的流程图。
图3是诸如废水的流体的处理方法的另一实施方案的流程图。
图4是压裂场所处的废水处理的方法的又一实施方案的流程图。
具体实施方式
通过参考附图可最佳地理解实施例，其中遍及全文相似部分是由相似数字指定。将容易了解，如本文附图中大体描述且说明的本公开的组件可被布置和设计成各种各样的不同配置。因此，以下对设备的实施例的更详细描述不旨在限制本公开的范围，而是仅仅表示本公开的可行实施例。在一些情况下，未详细示出或描述熟悉的结构、材料或操作以避免混淆本公开的各个方面。此外，可在一个或多个替代实施例和/或实施方案中以任何合适方式组合所描述的特征、结构、步骤或特性。
本公开提供了用来处理举例来说诸如石油天然气工业中的废水的流体的方法和***的各种实施例和实施方案。其中可采用本文中描述的发明方法和***的背景的更具体实例包括例如压裂返排水处理、生产水处理和蒸汽辅助重力泄油(SAGD)水处理。
在一些实施例和实施方案中，可借助于一个或多个移动处理单元提供一个或多个步骤和/或单元。在一些实施例中，整个***可包括移动处理***。例如，移动水处理***可配置成既运输流体、又处理流体，诸如废水。替代地，此类***可配置成提供移动处理，但是不提供运输。换句话说，***可配置成处理和分配在使用场所处的水。
一些移动***可包括例如拖车和/或机动车。一些此类***可包括一个或多个流体贮存容器、一个或多个流体处理单元，和/或一个或多个流体输送泵。在一些实施例中，流体处理***可并入到流体贮存容器中，使得废水例如在其包含于流体贮存容器中时可加以处理。
一些实施例还可为模块化的，使得一个或多个模块化单元可在***内单个地被取代。一些实施例既可为移动的、又可为模块化的，使得整个***或***的至少一部分提供在移动装置(诸如拖车或机动车) 上，且使得***中的一个或多个单元可为模块化的以允许选择性地取代***内的单个处理单元。
一些实施例可配置成借助于可持续的相对较低能量输入来发挥作用。一些实施例还可配置成对环境友好的。例如，一些实施例可提供废水处理，同时与替代***相比还提供低的碳排放量。
一些实施例还可提供从诸如由石油天然气生产引起的废物流回收资源，以使废物流适于再使用、回收或处置为对环境友好的废物形式。
一些实施例可包括使用二氧化碳气体作为某些物质(诸如镭和其它碱土金属)的选择性去除和回收中的碳酸盐的来源。在一些实施例中，二氧化碳可被提供作为来自另一过程(例如，碳氢燃料的燃烧) 的废气且被进料到此***或模块中而不是被丢弃。此可通过例如减小碳的排放促成本发明的各个实施例的环境友好方面。
如下文更详细地讨论，一些实施例可采用一个或多个电化学过程。通过这样做，在一些实施例和实施方案中，可提供不含化学试剂添加物的处理过程。此还可借此诸如通过在一些实施例中进一步减小与化学试剂的生产和/或运输到处理场所相关联的碳排放量来减小对环境的负面影响。
一些实施例可配置成将废水再循环以允许例如石油天然气工业中的再使用。换句话说，一些实施例可允许在一个或多个后期处理步骤、过程或***中使用已处理的废水。在一些实施例中，来自此类步骤、过程或***的废水然后可被输回到处理过程/***中使得水可被继续再使用、处理且然后再次使用而不沿途浪费水。在一些实施例中，回收可调控成满足指定的再使用准则。例如，一些实施例可配置成生产满足饮用水的联邦法规或满足特定许可的准则的处理水。
一些实施例可配置成生产氯化钠作为处理副产物。在一些此类实施例中，含水的氯化钠流可被提供作为处理副产物。一些此类实施例可经过配置使得氯化钠流包括浓缩的净化氯化钠含水流。在此类实施例中，还可提供后续热处理以生产有用的资源，诸如道路防结冰用盐。此类***中的成品盐产物可在其它处理步骤/***中使用，或替代地可被贮存以供出售或在其它***/过程中使用。
一些实施例和实施方案可配置成减小重金属氢氧化物副产物的量和/或使重金属氢氧化物副产物的量最小化。相反地，此类***和方法可配置成提供有用的副产物，所述副产物可被再使用、贮存以供日后出售或将在其它方面对环境产生更少的危害。例如，一些实施例可配置成提供碱土碳酸盐的浓缩源作为副产物。
一些实施例可配置成将废物分割成多个独立的废水流。这种分割可提供对环境友好的废物的有利再使用或生产，其不需要另外的化学试剂。
一些实施例和实施方案可包括使用例如交叉流过滤过程/***中的多孔膜。一些此类实施例可包括交叉流超过滤过程/***。在一些实施例中，所提供的多孔膜可包括陶瓷材料。替代地，多孔膜可包括烧结金属或聚合物结构。无关于所使用的材料，一些实施例可配置成借助于前述交叉流过滤有效地分离要回收的固态产物与含水流。其它实施例和实施方案可包括使用一种或多种其它类型的过滤，诸如砂过滤。
一些实施例和实施方案还可包括使用原位电化学产生的氧化剂，举例来说，诸如次氯酸钠。此类电化学产生的氧化剂在一些实施例中可获自废汽，诸如废盐水进料流和/或废氢氧化物流。
一些实施例还可包括硅石的去除。在一些实施例中，此去除可经由电凝聚完成。在此类实施例中，可保护下游障壁过滤装置不受硅石结垢影响。
一些实施例可包括水溶性有机污染物的电化学矿化。一些实施例还可或替代地包括经由所夹带的气体浮选分离重油，借此从可行的资源后续生产过程的交叉污染去除此类颗粒以供再使用。
一些实施例还可包括用于提高废液的pH的方法。在一些此类实施例中，可使用电化学处理方法以避免需要将化学品运输到处理场所。
一些实施例和实施方案还可包括使用一种或多种低能量蒸发技术。在一些此类技术中，可采用一个或多个水力空化过程。因为此类过程通常是在无需化学添加剂的情况下执行，所以其还可增强***避免危及环境的能力，且增强***允许废水处理后的循环/再使用的能力。在某些实施例中，此类***还可用来杀菌且减小***的某些组件的腐蚀。
在一些实施例和实施方案中，二氧化碳可用来在水力空化步骤中的一个或多个中形成碱土金属的碳酸盐。此可使所得碱金属碳酸盐呈现为细致分散的沉淀物，这可增强后续机械过滤的容易性且还可防止或至少减小蒸发***的一个或多个组件通过例如碱金属结垢物质的原位多价螯合作用而结垢。
一些实施例不但可配置成回收水或其它处理的流体，而且可或替代地配置成回收热能。例如，一些实施例可配置成使用来自一个或多个过程/***的废热以给净化的氯化钠的蒸发干燥提供燃料以用于生产有用的产物，举例来说，诸如道路防结冰用盐。替代地或另外地，来自一个或多个过程/***的废热可用来回收一种或多种其它具有潜在价值的资源作为处理副产物，举例来说，诸如锂盐。此类资源可被贮存以供日后再使用、现场使用或所述两者的组合。标题是“盐水中的锂化合物回收(Recovery of Lithium Compounds fromBrines)”的第 6,936,229号美国专利中提供了可用来回收锂盐的方法和***的实例，所述专利的全文以引用方式并入。
一些实施例和实施方案还可包括使用分析***和/或技术以搜集和/或处理数据以尝试优化一个或多个过程条件。在一些此类实施例中，***和/或技术可实时搜集此数据。通过这样进行优化过程条件，一些实施例可允许有效地分割废物流以有利于再使用。例如，在一些实施例和实施方案中，必要时可响应于实时参数和/或条件调整一个或多个电化学过程的电流密度和/或保持时间。作为另一实例，空化期间使用的二氧化碳的量可基于一个或多个实时参数和/或条件进行调整。类似地，在一些实施例和实施方案中，浮选/沉降的安定时间可基于一个或多个实时参数和/或条件进行调整。在其它实施例和实施方案中，而是可手动地调整此类参数中的一个或多个。当然，一些实施例可配置成选择性地调整以允许基于一个或多个实时条件进行自动调整，或必要时允许手动调整。
在一些实施例中，此类***和/或技术可包括使用激光诱导击穿光谱仪器或***或另一类似实时检测模块。一些此类实施例可包括使用野外便携式激光诱导击穿光谱仪器或***。替代地或另外地，可以应用X射线荧光(XRF)技术来评估实时条件。
现在将结合附图提供根据本公开内容的方法和***的实施例的某些实例的进一步细节。图1描绘用于处理流体(诸如废水)的***100 的实例。在一些实施例中，***100可包括移动处理***。因而，***100或其组成组件中的至少一个或多个可安装或以其它方式定位在例如机动车、拖车等等上。在此类实施例中，***100可借此被带到特定场所，诸如压裂场所、钻井场所、精炼厂或其中产生废水和/或例如石油天然气工业中需要水的另一场所。
来自此场所的废水可在例如废物进料口102处按路线通过处理***100。如所属领域一般技术人员将明白，进入废物进料口102的废水可包括例如油、水溶性有机化合物、悬浮固体、硅石、钠离子、钾离子、锂离子、氯离子、铁离子、锰离子、镁离子、锶离子、钙离子、钡离子、镭雷子和/或其它过渡金属离子和/或阴离子和/或阳离子物种。
在一些实施例中，当进入废物进料口102时，废水可首先按路线通过电氧化模块104。在一些实施例中，电氧化模块104可配置成原位产生某些物质，诸如次氯酸钠。在一些实施例中，诸如来自废物流的 NaCl的某些物质可用于产生次氯酸钠。
在一些实施例中，如图1中描绘，在进入电氧化模块104之前，可使用激光诱导击穿光谱(LIBS)模块140以分析进料中的一种或多种废水成分的浓度，废水成分诸如例如碱金属、碱土金属、总碳和/或铁。从LIBS模块140搜集的数据可用来更改和/或禁用处理***100中的一个或多个其它模块。
例如，在一些实施例中，如果LIBS模块140检测到碳浓度大于特定阈值、或总碱土金属(例如，Ca、Mg、Sr和Ba)或一种或多种此类碱土金属的浓度小于另一特定阈值，那么可通过禁用电氧化模块104 或将此模块周围的流转向来绕过电氧化模块104。例如，在一些实施例中，当检测到碳浓度为约600mg/L的阈值和/或检测到碱土金属的浓度低于约50mmol/L时，可通过禁用电氧化模块104或将此模块周围的流转向来绕过电氧化模块104。
在一些实施例中，一个或多个阈值浓度可与特定碱土金属相关联。例如，在一些实施例中，检测到钙浓度小于诸如例如约1000mg/L的特定阈值的步骤可用来确定是否要绕过电氧化。然而，电凝聚模块106 可保持活动且废水流可经进料通过所述电凝聚模块106。然而，如果由 LIBS模块140检测到的碳低于阈值且碱土金属浓度(或一种或多种此类碱土金属)高于阈值，那么可在电氧化模块104中执行电氧化且可通过禁用电凝聚模块106或将此模块周围的流转向来绕过电凝聚。操作参数(例如，处理时间的上限)可通过使用经由LIBS获得的主要的阳离子污染物(诸如Ca、Mg和/或Na)的浓度的检测值来确定以防止非所需的pH摆动。
LIBS模块140可包括物理地联机安装作为***100的部分的单元。替代地，LIBS模块140可包括由***100的操作者使用的手持或者换句话讲便携式装置。在一些实施例中，LIBS模块140可并入到***100中使得产生自LIBS模块140的数据可被自动地传输到***100 中的其它单元和/或以其它方式供***100使用，以更改***100的一个或多个功能、模块和/或方面。在替代实施例中，产生自LIBS模块 140的数据可由用户手动地输入到计算机***中，所述计算机***可为处理***100的整体部分且然后可由***100使用来更改***100的一个或多个功能、模块和/或方面。作为又一替代，在一些实施例中，产生自LIBS模块140的数据可用来手动地更改***100的一个或多个功能、模块和/或方面。例如，用户可自LIBS模块140获得一个读数且评估对***100中的一个或多个模块和/或一个或多个此类模块的一个或多个参数的需要，且必要时可根据此数据手动地禁用、脱机或以其它方式调整此模块。
在一些实施例中，诸如电氧化模块104和/或电凝聚模块106的模块中的一个或多个可配置成将废水流的pH增加到在约11与约12之间。废水流还可由电氧化模块104杀菌。另外，可减少总有机碳和/或在***中的这个阶段可沉淀Fe、Mn、Mg和/或其它重金属离子。
流然后可被发送到电凝聚模块106。电凝聚模块106可配置成沉淀硅石和/或分离所夹带的有机物质。在一些实施例中，电凝聚模块106 可与电氧化模块104组合在单个组合电化学模块中。换句话说，如果需要，与电氧化模块104和电凝聚模块106相关联的功能可组合在单个单元中。
一旦流离开电凝聚模块106(或组合电化学模块)，流然后就可被发送到浮选/沉降模块108。浮选/沉降模块108可配置成从流体表面撇去凝聚油。在一些实施例中，污泥(含有例如TSS、硅石、微生物细胞、Fe、Mn和/或过渡金属沉淀物)还可与浮选/沉降模块108内的水相分离。
在一些实施例中，电凝聚模块106可与浮选/沉降模块108组合。例如，DAF(“溶气浮选”)单元可凭借通过多孔管、圆盘和/或板(可位于EC/DAF模块中的EC腔室的底部上)鼓入空气或另一气体而与 EC模块组合。EC/DAF模块中的电极可由例如铁、钢、铝和/或不锈钢材料构成。
EC/DAF模块中的电极的几何形状/布置可具有板设计、环设计或所述两者的组合。在其中使用板的实施例中，此类板可为实心、多孔或网状的。然而，已发现，使用铝作为EC电极可免除DAF单元，在所述情况下，此实施例可简单地移除或绕过模块108而非组合模块106与108。在不受理论限制的情况下，认为此可能是真实的，因为形成于铝电极的表面上的气泡可提供与可能已经由DAF单元提供的功能相同或至少类似的功能。
电凝聚可有效地去除硅石和过渡金属，诸如Fe和Mn。然而，可能需要更高的电流和/或较长的处理时间来去除碱土金属。如下文实例中更详细地讨论，通过提供每块板相对较大的表面积、更大数量的平行板和/或降低板之间的距离，可减小实现所需处理结果必需的施加电压，借此降低能量使用/需求。在一些实施例中，各个板的电流的极性可交替以防止电极的表面上积累污垢且还平衡电极消耗。
一些实施例可配置成将浮选/沉降模块108的进水流分离为多个出水流。例如，在图1中描绘的实施例中，进入浮选/沉降模块108的流被分离为三股独立的出水流。即，在所描绘的实施例中，水相可被沿途输送到处理***100内的一个或多个另外的模块。油相可与浮选/沉降模块108分离，如在110处示出。且污泥相可与浮选/沉降模块108 分离，如在112处示出。污泥相112可含有例如TSS、微生物细胞、硅石、Fe、Mn和/或其它过渡金属沉淀物。在一些实施例中，污泥112 可沿途输送以供进一步处理。替代地，污泥112可被引导到水槽或其它贮存单元。在其它实施例中，进入浮选/沉降模块108的流而是可分离为刚好两股独立的出水流，诸如含水流和包括油、油脂和/或固体的流。
在所描绘的实施例中，水相被引导到蒸发和/或空化模块116中。在一些实施例中，蒸发/空化模块116可包括具有能量效益、低能量的蒸发模块。
在一些实施例中，如图1中描绘，二氧化碳气体114可被引入到蒸发模块116以促进水相内的结垢元素(例如，Ca、Mg、Ba和Sr) 的沉淀。在一些实施例中，二氧化碳可借助于水槽等等添加到***。替代地，二氧化碳可从产生自例如碳氢燃料(例如，柴油、天然气等等)的燃烧的废气转向，在此类实施例中这还可改进***100对环境的影响。在一些实施例中，在此过程中可以利用来自下述燃烧的二氧化碳，这种燃烧已经发生在***内的一个或多个模块处或原本已经发生在处理场所处。以此方式，***100不但可避免对环境的有害影响，而且可通过例如减小***的碳排放量改进环境。一些实施例可配置成在来自燃烧的二氧化碳可用时使用所述二氧化碳且当燃烧二氧化碳当前不可用时使用来自水槽的二氧化碳。
在一些实施例中，空化还可用来保证沉淀物维持适当的形态以用于过滤且不在设备上沉淀为污垢。在一些实施例中，此空化可提供在蒸发/空化模块116内。一些实施例可包括超声波的使用以在模块116 内产生空化以物理地降解流中的大颗粒物。另外地或替代地，一些实施例可包括使用热和/或高度氧化的条件。蒸发/空化模块116可以单输送模式或在一些实施例中以再循环模式使用。在其它实施例中，可在独立模块中提供蒸发及空化。
在一些实施例中，LIBS模块140可包括在模块116前面的管道中以引导空化模块116的操作。例如，在一些实施例中，Ca的量(经由一个或多个LIBS模块获得的数据)可影响CO2的空化处理的保持时间以及空化期间使用的压力。此外，在一些实施例中，可基于Ca和/或 Mg的浓度的信息引导pH调整。
在一些实施例中，由一个或多个LIBS模块140收集的化学数据可被反馈回到微调模块116。例如，如果Na含量大于约20mg/L，那么蒸汽与液体比可发生改变(通过降低操作温度和/或增加压力)。此外，对超过滤渗透物的LIBS分析可被反馈回来微调CO2的空化。例如，如果渗透物含有超过15mg/L的Ca，那么可需要增加CO2处理的保持时间。
在一些实施例中，如图1的实施例中描绘，另一LIBS模块140 可包括在模块116后面以保证满足处理目标。如果不满足此类处理目标，那么***100可配置成使流再循环返回通过模块116和/或一个或多个其它模块。例如，在一些实施例中，***100可配置成设置一个或多个处理阈值，诸如约600mg/L的阳离子(主要是Na、K、Ca和 Mg)的阈值。如果LIBS读数表明阳离子的总浓度大于约600mg/L，那么***100可配置成使流再循环通过蒸汽/空化模块116。
产生自蒸发/空化模块116的蒸汽在一些实施例中可冷凝，这可产生可适用于多种应用的低TDS(总溶解固体)的水。在所描绘的实施例中，来自蒸发/空化模块116的蒸汽可被输送到冷凝器118。产生自冷凝器118的水可被输送到水槽128。水槽128可包括可用来贮存水以供日后使用的贮槽。替代地，水槽128可包括回收水槽，所述回收水槽可被进料到现场的一个或多个其它过程/***中。在一些实施例中，水槽128可用于两个目的。换句话说，水槽128可用来回收水且还可用来贮存产生自***100的任何过量的水。如果需要，来自水槽128 的水可在130处从***100中输送出来。如图1中示出，水槽128可具有多个出口用于为其它***/过程/目的输送水，包括用于***100中涉及的过程和现场的其它过程/***。
在一些实施例中，如上文提及，***100可配置成产生现场可再使用的水。一些实施例可配置成充分处理废水使得一旦废水到达水槽 128就可饮用。在其它实施例中，此水不一定可饮用，但是可经充分清洁/处理以在处理场所处用于其它***/过程。
产生自蒸发/空化模块116的所得溶液可具有高盐浓度。此所得溶液还可含有沉淀的碳酸盐和/或其它固体。此溶液然后可输送通过交叉流过滤模块120(例如，超过滤)。交叉流过滤模块120在一些实施例中可包括交叉流超过滤模块120。交叉流过滤模块120在一些实施例中可包括由陶瓷、烧结金属和/或聚合材料制成的膜。如上文提及，在其它实施例中，可使用其它过滤模块和/或方法，诸如砂过滤或其它介质过滤。
从交叉流过滤模块120浓缩的固态物质可在122处从处理***100 输送出来。此类物质可作为用于***100内或原本在***100的场所处的一个或多个其它过程中的废物进行处置，或在122处可贮存在水槽或另一此贮存单元中以供日后使用或处置。因为来自交叉流过滤模块120的固态物质可包括Ca、Ba和/或Sr化学品的浓缩源，所以在一些实施例中可希望贮存和/或再使用此类化学品。
来自交叉流过滤模块120的渗透物(可包括浓缩NaCl溶液)可使用热处理器124进行热处理。一些实施例可配置成将水从热处理器124 和冷凝器118两者输送到贮槽128中，如图1中示出。热处理器124 在一些实施例中可使用产生自***100中的其它处的废热进行操作以进一步减小能量使用/需要。在一些实施例中，在126处可从热处理器 124输送固态产物。在一些实施例中，从热处理器124输送的固态产物可包括NaCl。在一些实施例中，此回收的NaCl可经贮存以供日后用于各种各样的应用，诸如例如冬季道路除冰。取决于废水源，可从废水回收一种或多种其它高价资源元素，诸如Li，所述回收如果具有经济价值，那么其可在一些实施例中经受进一步处理。如图1中示出，另外的水可从热处理器回收且被引导到水槽128。
在一些实施例中，模块120可替代地包括或另外包括反渗透(RO) 模块。此可有利于将进水流分离为出水流，出水流包括一股或多股高 TDS流和一股或多股低TDS流。如果需要，高TDS流可被发送到蒸发器(诸如热处理器124)，以产生一种或多种固态产物，诸如固态氯化钠盐产物。
在一些实施例中，反渗透(RO)单元可配置成产生具有低于约 100mg/l的TDS且可适用于多种应用或再使用的低TDS流。高TDS流可用于道路除冰操作或被引导到蒸发单元以产生固体盐产物。RO单元可装备有传统的聚合物或聚合物复合膜，所述膜包括一种或多种聚合物和/或添加剂，诸如例如石墨烯、石墨烯氧化物和/或碳纳米管，聚合物和/或添加剂可配置成增强膜效率和/或降低处理成本。虽然TDS>约 50,000mg/l的废物可能并不适用于经由RO通过当前已知技术进行的处理，但是希望此数字可随着开发较新、较高效率的膜而增加。
如果需要，LIBS模块140还可包括在模块124前面和/或后面，如先前讨论。例如，模块124前面的LIBS模块140可用来从模块120提供NaCl溶液的化学品分布，且此数据可用来引导热处理器124的操作。例如，在一些实施例中，在流进入模块124之前由一个或多个LIBS模块获得的盐浓度可用来确定稳定状态设定点(温度、产量等等)用于热处理。所述设定可使蒸馏物达到接近特定期望要求或阈值的质量。因此，模块124下游的LIBS模块140可用作质量控制检查点。
类似地，定位在模块124与128之间的LIBS模块可用来保证满足处理目标。例如，在一些实施例中，如果总阳离子(主要是Na)超过 20mg/L的阈值，那么可调整模块124的稳定状态设定点或可使流再循环返回通过模块124。
图2说明根据一个实施方案的流体处理方法的实例。如此图中示出，方法200可包括在步骤202中接收流体(例如，废水)流。
在步骤204中，可增加流体流的pH值。在一些实施方案中，可在步骤204之前沉淀或以其它方式去除Fe、Mn和/或其它金属。在其它实施方案中，步骤204期间获得的pH增加可用来使大部分Fe和/或其它此类金属由于与大气和/或溶解氧发生反应而脱离溶液。在一些实施例中，步骤204可包括将流体流的pH值提高到在约11与约12之间。又如上文描述，在一些实施方案中，此可通过使用电氧化模块而完成。在一些实施方案中，此模块还可原位产生次氯化钠。在一些实施方案中，在步骤204期间可通过将NaOH添加到流体流而获得pH增加。在某些实施例和/或实施方案中，可提供独立模块以增加或以其它方式调整流体流的pH值。
在步骤206中，可对流体流进行杀菌。步骤206可例如通过一种或多种物理、化学和/或电化学处理方法来执行。例如，在一些实施方案中，可将流体流加热到足够温度以破坏任何或至少大部分有害的病原体。在其它实施方案中，可使用辐射(举例来说，诸如使用伽马射线和/或紫外线辐射)来对流体流进行杀菌。化学方法可包括使用例如酸性物质、酒精、氧化化学品、杀菌剂或其它试剂，诸如清洁剂等等。在其它实施方案中，可结合一个或多个其它步骤进行杀菌。例如，一些实施方案可包括氧化期间的足够杀菌，在一些实施方案中，其可发生在步骤204期间。
在步骤208中，流体流可经历电凝聚过程。在一些实施方案中，此可造成硅石的沉淀和/或所夹带的有机物质的分离。
在步骤210中，由步骤208引起的凝聚油可从流体流的表面撇去。步骤212可包括使污泥与流体流的水相分离。在一些实施方案中，步骤212和210可同时发生，且可使用浮选/沉降模块而发生。
步骤214可包括沉淀结垢元素，举例来说，诸如钙、钡和锶。在一些实施方案中，此步骤期间可沉淀放射性镭以产生浓缩固体。此类固体可被贮存用于在适当许可的核废物处置场所处进行处置。在一些实施方案中，步骤214可使用二氧化碳气体来执行。在一些实施方案中，此气体可从产生自例如碳氢燃料(例如，柴油、天然气等等)的燃烧的废气而引入。在一些实施方案中，可使用来自下述燃烧的二氧化碳，这种燃烧在配置成执行方法200的***内的一个或多个模块处已经发生。在其它实施方案中，二氧化碳可从水槽等等引入。在一些实施方案中，步骤214可包括从现场燃烧过程抽取二氧化碳，或以其它方式从另一现场过程/***抽取二氧化碳，且如果此二氧化碳不可用，那么从备用水槽或其它贮存单元抽取二氧化碳。
步骤216可包括使水相经历空化步骤以修改沉淀物的形态以保证沉淀物不被沉淀为方法200中使用的设备上的污垢。在一些实施方案中，可产生空化气泡且气泡可分散在整个水相中。在一些实施方案中，此类气泡可借助于周期振荡或波动而引入。
步骤218可包括处理水相以产生蒸汽。在一些实施方案中，此蒸汽可经冷凝且贮存所得水以供日后使用。
步骤220可包括使水相经历交叉流过滤过程以浓缩来自水相的固体。在一些实施方案中，步骤220可包括交叉流超过滤过程。
步骤222可包括来自步骤220的渗透物的处理和/或贮存。例如，一些实施方案可包括热处理由步骤220引起的浓缩NaCl溶液以产生固态NaCl产物。此产物可被贮存以供日后使用。如图2中示出，可重复过程200以继续处理废水和/或其它流体流。应了解，在一些实施方案中，过程200中的各个步骤中的每一个可同时针对此进入的流体流的各个不同部分而发生。
本发明的一些实施方案和实施例可用来处理/处置各种废产物以产生适于排放到环境或再使用的低TDS水，好处是有机会从废物回收资源以供有利再使用。在一些实施方案和实施例中，可使废物产生最小化，且可使化学品消耗最小化。在一些实施方案和实施例中，此可通过避免需要大型化学品添加槽来完成，借此减小资本成本和运输费用。
一些实施例和实施方案还可包括在一个或多个步骤/阶段中使用实时、在线分析监测技术以通过调控对清洁目标的处理需求来优化处理效率和成本。此可通过应用采用发射光谱的紧急分析技术而实现。一些实施例和实施方案可采用野外便携式分析设备的使用。
在一些实施方案中，可采用原子光谱法，诸如激光诱导光谱或X 射线荧光(XRF)。例如，通过在电氧化模块前面安装激光诱导击穿光谱 (LIBS)，可在线且实时收集信息(举例来说，诸如盐浓度)，所述信息可引导流速、电流密度和/或保持时间的调整以保证最优性能。一个或多个此类在线分析工具还可安装在一个或多个另外的下游场所处。例如，在一些实施例和实施方案中，此类工具可用于超过滤渗透物或冷凝物的流(在图1的实施例中，其是在冷凝器118后面)以确定是否需要对先前处理步骤或模块的流进行进一步处理或回收来满足所需的再使用准则。
通过以下实例可进一步了解本发明的各种实施例和实施方案：
实例1
在第一可行实例中，根据本发明的一个实施例处理来自油压裂场所的水。此处理过程涉及电凝聚模块、空气浮选模块、二氧化碳空化和超过滤模块。
DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V，0-5A)用作电凝聚测试的电源。电凝聚模块中使用平行电镀的铁电极。电凝聚模块中使用的电流为约3.0A，相关电压设定为约4.0V，且执行处理达八分钟。空气浮选作用是凭借通过多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入水中而进行模拟。过滤是通过将水推动通过0.1μm的注射式过滤器而实现。
下表1表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。
表1
1 UDL：在检测限制下
2 无机碳
3 总有机碳
实例2
在第二可行实例中，根据本发明的另一实施例重复处理来自油压裂场所的水。此处理过程涉及电凝聚模块、空气浮选模块和超过滤模块。根据此实例的测试中并未执行空化。然而，电流在若干次反复测试中改变以确定由于电凝聚期间使用的电流而对处理产生的影响。
正如实例1的测试，DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V，0-5A) 用作电凝聚测试的电源，且电凝聚模块中使用平行铁电极板。空气浮选作用是凭借通过多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入水中而模拟。过滤是通过将水推动通过0.1μm的注射式过滤器而实现。然而，如上文提及，电凝聚模块中使用的电流在若干次反复测试中改变，而处理时间保持相同(六分钟)。
下表2表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。如表中示出，电凝聚对Fe、Mn、Si、细菌和油/油脂的去除具有重大影响，且无关于电流强度如何，只要电流高于约1A。然而，较高电流趋于造成更好地去除碱土金属(Mg、Ca、Sr和Ba)。然而，当然，需要更多能量来实现更高电流。因此，取决于具体排放需求和/ 或能量约束，如果需要可根据本文中提供的实例中指示的结果选择电流强度。例如，如果要求Ca含量在电凝聚之后低于40mg/L，那么3A 可为电流强度的适当选择。如果只针对Si、重金属、细菌和油/油脂设置约束，和/或如果使用另一方法来去除碱土金属，那么较低电流强度 (诸如约1A)可为优选的。
表2
1.数据不可用
实例3
在第三可行实例中，根据本发明的又一实施例重复处理来自油压裂场所的水。此处理过程涉及电凝聚模块、空气浮选模块和过滤模块。根据此实例并未在测试中执行空化。然而，与电凝聚相关联的处理时间在若干次反复测试中改变以确定由于电凝聚处理时间而对处理产生的影响，同时所施加电流保持相同(3A)。
正如实例1和2的测试，DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V， 0-5A)用作电凝聚测试的电源，且电凝聚模块中使用平行铁电极板。空气浮选作用是凭借经由多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入水中而进行再次模拟。过滤是通过将水推动通过0.1μm的注射式过滤器而实现。然而，如上文提及，电凝聚模块中的处理时间在若干次反复测试中改变。
下表3表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。在测试范围内，处理时间并未实质上影响Fe、Mn、Si、细菌和油/油脂的去除，因为此类成分的去除在两分钟处理之后已经变得明显了。如表中示出，较长处理时间趋于造成更好地去除碱土金属。然而，当然，与电凝聚处理时间相关联的效率方面存在取舍，因为较高处理时间造成较低产量且趋于需要更多能量。因此，取决于具体排放需求，应选择适当的处理时间。例如，如果由于电凝聚而将40mg/L 设置为Ca的允许排放水平，那么可能需要约八分钟的处理时间。如果只针对Si、重金属、细菌和油/油脂设置约束，和/或使用另一方法来去除碱土金属，那么更低的处理时间(诸如两分钟)可能已经足够。
表3
实例4
在第四可行实例中，根据本发明的又一实施例重复处理来自油压裂场所的水。此处理过程再次涉及电凝聚模块、空气浮选模块和过滤模块，但是不涉及空化模块。然而，用于电凝聚模块中的电极的金属在此实例中改变以确定由于此类材料而对处理产生的影响。
正如实例1到3的测试，DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V， 0-5A)用作电凝聚测试的电源，且电凝聚模块中使用平行电极板。空气浮选作用是凭借通过多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入水中而再次模拟。过滤是通过将水推动通过0.1μm的注射式过滤器而再次实现。然而，如上文提及，电凝聚模块中的电极在测试期间改变。更具体地说，在一次测试中使用铝电极且在另一次测试中使用铁电极。
下表4表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。如表中示出，铁趋于提供钙和镁的更好去除。如果废水富含钙或镁，和/或如果希望通过电凝聚进行大量的Ca和/或Mg的去除，那么铁电极的使用可能是优选的。
表4
电极材料 Ca(mg/l) Mg(mg/l) Fe(mg/l) Mn(mg/l) Si(mg/l) Ba(mg/l) Sr(mg/l)
原水 261 41.5 165 0.42 36.1 0.30 38.20
Al 136.95 7.09 UDL 0.05 UDL 0.01 25.60
Fe 79.03 2.54 UDL 0.05 UDL 0.03 28.18
然而，还发现使用铝作为电极材料可消除对DAF单元的需要。在不受理论限制的情况下，认为此可能是适用的，因为形成于铝电极的表面上的气泡可提供与将由DAF单元提供的功能相同或至少类似的功能。铝电极对于某些***可能是优选的，诸如处理具有相对较低的钙浓度(例如，低于约200mg/L)的废水的***、对排放量具有严格限制的***和/或不具有DAF单元/模块的***。另外，铁电极可能是优选的，因为其可适用于更广泛的废水特性。
实例5
在第五可行实例中，根据本发明的另一实施例重复处理来自油压裂场所的水。此处理过程再次涉及电凝聚模块、空气浮选模块和过滤模块，但是不涉及空化模块。然而，电凝聚模块中的电极(铝板电极) 的数量在此实例中改变以确定由于改变电极数量而对处理产生的影响。
正如实例1到4的测试，DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V， 0-5A)用作电凝聚测试的电源，且电凝聚模块中使用平行电极板。空气浮选作用是凭借通过多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入水中而进行再次模拟。过滤是通过将水推动通过0.1μm的注射式过滤器而再次实现。然而，如上文提及，电凝聚模块中使用的板电极的数量在测试期间根据表5中呈现的数据改变。
下表5表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。如表中示出，即使使用相同电流，增加电极的数量也趋于造成污染物的更好去除。此表明，可通过增加电凝聚模块中使用的板的数量减小能量消耗而不牺牲性能。
表5
板数量 电压(V)a Ca(mg/l) Mg(mg/l) Fe(mg/l) Mn(mg/l) Si(mg/l) Ba(mg/l) Sr(mg/l)
原水 - 261.0 41.5 165 0.4 36.1 0.3 38.2
6块板 3.3 25.5 UDL UDL 0.02 UDL 0.1 23.1
4块板 4.9 20.6 UDL UDL 0.05 UDL 0.1 15.0
2块板 8.0 23.0 2.7 UDL 0.05 UDL 0.1 21.0
a 在相同电流下控制实验
还认为，可单独地或结合较高数量的电极板(优选的平行电极板) 通过提供每块板较大的表面积和/或提供板之间的较小距离来实现能量消耗的显著改进。在一些实施例中，电流的极性可交替以防止电极的表面上积累结垢且还平衡电极之间的消耗速率。此类结果还表明，与用于许多***的铝相比，铁由于其适用于处理具有更广泛范围特性的废水而可为电极的更好材料选择。可需要约6A分钟的最小电荷(I t) 用于去除重金属、细菌、硅石和/或油/油脂。可需要较高电荷来通过电凝聚更好地去除碱土金属污染物。
实例6
在第六可行实例中，根据本发明的另一实施例处理来自玛西拉页岩中的压裂气井场所的水。此处理过程涉及电化学模块、pH调整、空化模块和过滤模块。更具体地说，在此实例中，电化学模块包括电氧化模块。由于废水特性，此实例中省略了电凝聚模块。另外，所述实例还省略了浮选/沉降模块。在不受理论限制的情况下，认为形成于电化学模块的电极的表面上的气泡可提供浮选/沉降模块的相同功能中的一个或多个，诸如分离有机和轻碎片与散装液体。
电氧化是通过将电流传导通过浸入在水下的涂有混合金属氧化物的钛板而实现。此实例中使用的电极包括平行的网状板。然而，期望其中板可为例如实心或多孔的其它实施例。另外，期望其中电极的几何布置可采用环设计的其它实施例。
电氧化是在1A电流下进行1分钟。然而，预期此类参数可高度取决于***的特定几何形状和其它参数。例如，每块板较大表面积、更多板和/或板之间的较短距离的使用可允许显著地减小所施加电压，借此提供能量消耗的显著改进。
根据此实例的原理的处理可成批或以连续过程执行。在一些实施例中，高的氯化物(或溴化物)浓度可造成产生自由氯化物(或自由溴化物)，这可有利于重金属的氧化、有机物的分解和/或废水中的杀菌。在一些实施例中，因此，可能有用的是，用pH监测装置和/或游离氯分析器装备电氧化模块，从而允许灵活地控制大范围的废水且微调给水的变动。
下表6表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。
表6
Na(mg/l) K(mg/l) Ca(mg/l) Mg(mg/l) Fe(mg/l) Ba(mg/l)
之前 125500.0 1170.0 14859.0 1512.0 3.7 51.6
之后 125704.0 1207.0 0.8 UDL1 0.4 0.2
Cl(mg/l) Br(mg/l) SO4(mg/l) 硅石(mg/l) TSS2(mg/l) TN(mg/l)
之前 127954.0 259.5 46.3 4.61 5755.5 229.6
之后 123188.0 23.9 49.4 UDL 0 2.7
Al(mg/l) Mn(mg/l) B(mg/l) TOC3(mg/l) 油/油脂(mg/l) 细菌(RLU)
之前 0.0 1.1 24.6 29.9 1 75
之后 UDL UDL 39.7 15.3 0 0
1.UDL：在检测限制下
2.总悬浮固体
3.总有机碳
实例7
在第七可行实例中，根据本发明的另一实施例重复处理来自玛西拉页岩中的压裂气井场所的水。此处理过程再次涉及包括电氧化模块的电化学模块、pH调整、除了此实例的一次反复的所有反复中的空化模块，和超过滤模块。此实例中再次省略了电凝聚和浮选/沉降模块。然而，在此实例中，通过添加NaOH改变此实例中的pH调整以确定由于改变此参数而对处理效力产生的影响。
正如实例6，电氧化是通过将电流传导通过浸入在水下的涂有混合金属氧化物的钛板而实现。电氧化再次在1A电流下进行1分钟。
下表7表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。在表7中示出的反复实验中的一个中，在不使用空化模块作为示出空化效应的参考的情况下获得结果。Ca主要是经由形成微溶的氢氧化物的机制而去除。在一些实施例中，在无空化模块的情况下可能无法实现污染物的接近完全去除。另外，在废水流进入空化模块之前测量图表中的pH值。如表中示出，在空化之前增加废水流的 pH值趋于改进处理效力。另外，调整到更高pH值可改进碱土金属的去除。在较低pH值下，为了使CO2的空化正常运行且有效，可能需要将pH调整为至少约11.5。另外，可主要以氢氧化物的形式去除Ca。值得一提的是，空化模块之后的流出物的pH为约中性的。因此，对于某些实施例，后续阶段中不需要添加酸。
表7
Ca(mg/l) Mg(mg/l) Fe(mg/l) Mn(mg/l) Si(mg/l) Ba(mg/l) Sr(mg/l)
原水 14859.0 1512.0 3.7 1.1 2.4 51.6 2921.0
pH＝8a 9628.0 UDL 0.3 0.1 UDL 51.5 2902.0
pH＝8.8a 6185.0 UDL 0.4 0.1 UDL 50.0 2701.0
pH＝9.7a 3542.0 UDL 0.4 0.1 UDL 50.4 2762.0
pH＝10.5a 975.0 UDL 0.4 0.1 UDL 38.8 2292.0
pH＝11.5a 0.8 UDL UDL UDL UDL 0.2 1.7
无CO2的pH＝11.5b 109.0 0.19 0.05 UDL 0.1 47.2 2891.7
a 这些pH是在CO2空化之前测量的值。
b 实验结果是在无CO2空化的情况下获得的。
实例8
在第八可行实例中，根据本发明的另一实施例处理来自压裂场所的水。此处理过程再次涉及包括电氧化模块的电化学模块、电凝聚模块、空气浮选模块、pH调整、包括CO2水力空化模块的空化模块、和包括超过滤模块的交叉流过滤模块。
DC电源(Sinometer HY3005D，0-30V，0-5A)用作此实例中的电氧化和电凝聚步骤的电源。电氧化是通过使用浸入在水下的涂有混合金属氧化物的钛板传导电流(传导1A电流达1分钟)而实现。电凝聚是通过使用铁板传导电流(传导3A电流达6分钟)而实现。空气浮选作用是凭借通过多孔石/入口溶剂过滤器将空气鼓入液体而进行模拟。过滤是通过将液体推动通过0.1μm的注射式过滤器而实现。
下表8表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。
表8
Na(mg/l) K(mg/l) Ca(mg/l) Mg(mg/l) Fe(mg/l) Ba(mg/l) Cu(mg/l)
之前 100023.0 41.8 190.1 41.8 10.1 0.1 0.1
之后 101250.5 37.0 UDL1 UDL UDL UDL UDL
Mn(mg/l) Cl(mg/l) Br(mg/l) 硅石(mg/l) TN2(mg/l) 油/油脂(mg/l) 细菌(RLU)
之前 0.4 111323.0 53.6 36.1 21.0 7452.0 378
之后 UDL 110244.0 1.4 UDL UDL UDL 0
1.UDL：在检测限制下
2.总氮量
实例9
在第九可行实例中，执行测试以模拟蒸发模块的潜在实施例。更具体地说，此实例应被认为是低能量蒸发模块的实例。为了获得下表中的结果，在热板上加热400ml的水，同时进行搅拌。蒸馏物被蒸发、冷凝和收集，且分析蒸馏物的化学性质来评估下表9中指示的特定水平。此测试说明蒸发模块(诸如模块116)的示例性实施例的效力。然而，其它蒸发技术(诸如机械蒸气压缩式蒸发器和热蒸发器)可替代地或另外用于此模块。
下表9表明了根据此实例废水既在处理之前、又在处理之后的各种成分含量。“蒸发模块前”数据表示流体流(诸如废水)中的污染物，所述流体流可进入蒸发模块，诸如图1的***中的蒸发模块116。“蒸馏物”数据表示蒸馏物流中的污染物，所述蒸馏物流可离开蒸发模块，诸如图1中的蒸发模块116。因此，“蒸馏物”数据可表示例如进入图1的***中的冷凝器118的流体流。“浓缩”数据表示浓缩流中的污染物，所述浓缩流可离开蒸发模块，诸如图1中的蒸发模块116。因此，“浓缩”数据可表示例如进入图1的***中的过滤模块120的流体流。
此结果表明根据本发明的处理***的可行实施例的潜在效力，在此情况下，此实施例包括电凝聚模块、空气浮选模块、CO2空化模块、超过滤模块和高效率蒸发器模块。流出物(“干净”流)只含有15mg/L 的Na、0.2mg/L的K、26.1mg/L的Cl和0.1mg/L的Br(至少实质上没有碱土金属、重金属、硅石、油/油脂和细菌)。在一些实施例中，杂质最少的浓缩盐溶液还可经浓缩和/或结晶以产生除冰剂用于冬天的局部应用，或可由另一工业伙伴接受用于各种用途。
表9
1.总氮量
图3中描绘根据一些实施方案的方法300的另一实例。在步骤302 中，在废水处理***中的一个或多个阶段中将LIBS技术或用于搜集实时数据以评估和/或更改废水处理***的另一技术/设备/***应用于废水流。在一些实施方案中，步骤302可包括使用LIBS模块，诸如图1 的***100中的LIBS模块140。在一些实施方案中，步骤302可包括在废水流进入废水处理***时或之前执行废水流的分析。因为步骤302 中涉及的LIBS分析是在特定处理步骤之前执行且可用来更改如下文讨论的此处理步骤，所以步骤302应被认为是预处理LIBS分析/步骤/模块。
获自步骤302中执行的分析的数据然后可用来在步骤304中确定是否需要修改处理***中的一个或多个后续模块/步骤。例如，在一些实施例中，***100的进水流中由LIBS检测的钙和镁的浓度可用来确定电凝聚或电氧化是否应当在役。此外，此信息可用于引导是否需要进行pH调整且此调整需要的程度。
如果获自步骤302的数据批准修改一个或多个后续处理参数，那么方法300从步骤304进行到步骤306，此时可对处理***中涉及的一个或多个处理模块、参数和/或方法实施修改。例如，在一些实施例中，由蒸发/空化模块之前的一个或多个LIBS模块监测的钙的浓度可用来在CO2压力和/或保持时间方面影响将操作空化的方式。此外或替代地，可单独地或结合进水流的化学分布(如由LIBS模块确定)使用此数据以评估此阶段中是否可能需要进行pH调整和pH调整的程度。在一些实施方案中，步骤302可包括完全禁用一个或多个后续模块，或替代地绕过此模块。
在步骤304中，如果获自步骤302的数据指示无需修改任何模块/ 步骤/参数，那么方法300从步骤304进行到步骤308。在步骤308中，废水流可经历特定处理，诸如本文中提及的具体处理模块中的任何一个。类似地，在步骤304中，如果获自步骤302的数据指示需要修改任何模块/步骤/参数，那么方法300在已实施这一修改或这些修改之后从步骤306进行到步骤308。
在步骤308中涉及的处理之后，可在步骤310中执行另一LIBS 分析。再者，与步骤302相同，步骤310可包括使用LIBS模块，诸如 LIBS模块140。然而，因为步骤310中涉及的LIBS分析是在步骤308 中涉及的处理之后执行且可用来重复如下文讨论的此处理步骤，所以步骤310应被认为是后期处理LIBS分析/步骤/模块。
步骤310可包括在废水经历步骤308中涉及的处理之后评估废水以保证其满足某些处理目标和/或阈值。获自步骤310的数据然后可用来在步骤312中确定是否再次将水发送通过步骤308的处理，如图3 中指示。在一些实施方案中，如果步骤312的分析表明需要重复先前处理，那么废水可再循环通过相同处理模块。替代地，如果步骤312 的分析表明需要重复先前处理，那么废水可被引导到另一相同或类似处理模块以供进一步处理。
为了用实例说明步骤310和312的原理，在一些实施方案中，针对模块108之后的流出物流，一种或多种重金属(例如，Fe)的阈值可被设置为0.4mg/L(返回参考图1)。Fe超过阈值的液体然后可再循环而返回通过电化学处理模块。如果模块108之后的流不含有超过阈值的颗粒，那么流可被引导通过后续模块而不再循环。
如果步骤312的分析指示步骤308的处理已经足够和/或无需进行进一步此处理，那么方法300可进行到步骤314，此时可执行另一类型的处理。再者，步骤314的处理可包括使用先前公开的处理模块中的任何一个。
图4中描绘根据其它实施方案的方法400的又一实例。在步骤402 中，废水流(诸如来自压裂场所的压裂水流)进入水处理***。在步骤402之后，方法400可进行到步骤404或步骤432。源于步骤404的过程包括如下文更详细讨论的与源于步骤432的过程相比对环境更友善或友好的过程。根据本发明的某些实施例的一些水处理***可配置成选择性地执行源于步骤404的过程或源于步骤432的过程。替代地，此类***可配置成执行源于步骤404的过程或源于步骤432的过程。在配置成选择性地执行源于步骤404的过程或源于步骤432的过程的实施例中，在其中不存在环境问题或环境问题不太重要的情况下可借助于源于步骤432的过程执行处理。
在源于步骤404的过程之后，可在步骤404中确定废水中是否存在油。此确定可通过例如标准分析技术或目测来作出。在一些实施方案中，步骤404可包括是否希望存在油的预定指示，其可取决于实施所述过程的场所而作出。例如，压裂场所处实施的过程可经配置使得步骤404自动地将过程引导到步骤406(下文讨论)，从而有效地禁用开始于步骤408的方法400的部分。
如果在步骤404中的确定指示水中不存在油，那么过程进行到步骤408，此时作出另一确定：特定化学品和/或物质的含量是否超过预定阈值。在一些实施方案中，步骤408包括确定是否存在量超过阈值的Ca。在一些此类实施方案中，此阈值可为约1000mg/L。步骤408中涉及的确定中的一个或多个在一些实施方案中可使用激光诱导击穿光谱而作出。
在一些实施方案中，步骤408还可包括确定是否存在量超过阈值的Mg。在一些此类实施方案中，此阈值可为约500mg/L。
在一些实施方案中，步骤408还可包括确定水中的无机碳是否大于Ca含量的阈值百分比。例如，在一些实施方案中，步骤408还可包括确定水中的无机碳是否大于Ca含量的约60％。
在某些优选实施方案中，步骤408可包括作出如上文概述的三个独立确定。例如，在某些优选实施方案中，步骤408可包括确定Ca含量是否大于约1000mg/L、Mg含量是否大于约500mg/L和无机碳含量是否大于Ca含量的约60％。
如果这些确定中的一个或多个(在优选实施方案中，每个确定) 满足预定阈值，那么过程进行到步骤420，此时作出又一确定：水中是否存在细菌。在一些实施方案中，步骤420可包括确定是否存在阈值量的细菌。在一些实施方案中，步骤420可包括确定是否存在任何可检测含量的细菌。例如，可使用涉及废水内的三磷酸腺苷(ATP)的检测的方法作出一个或多个此类确定。
在步骤420中，如果确定存在细菌和/或细菌超过预定阈值，那么过程可进行到步骤422，此时采取一个或多个步骤来杀菌和/或去除细菌。例如，在一些实施方案中，步骤422可包括激活和/或引导水通过电氧化过程。在一些实施方案中，电氧化过程可在电化学模块(诸如图1的电化学模块104)中执行。
在步骤422之后，过程可进行到步骤424，此时可作出pH调整。在优选实施方案中，步骤424可包括将水的pH增加到在约11与约12 之间。在步骤420中，如果确定不存在细菌和/或细菌不超过预定阈值，那么过程可直接从步骤420进行到步骤424。
在步骤424之后，可在步骤426处将水引导到浮选/沉降模块，诸如图1中的模块108。在某些优选实施方案中，可在步骤426中使用 DAF(“溶气浮选”)单元。
在步骤426之后，可在步骤428处将水引导到蒸发模块(诸如模块116)，这可促进结垢元素的沉淀。在一些实施方案中，步骤428可使用二氧化碳气体来执行。在一些实施方案中，此气体可从产生自例如已经发生在配置成执行方法400的***内的一个或多个模块处的碳氢燃料(例如，柴油、天然气等等)的燃烧或以其它方式抽取自远离此***的现场燃烧过程的废气引入。
所述过程然后可进行到步骤430以进行流的超过滤。在一些实施方案中，步骤430可包括将流发送通过交叉流过滤模块，诸如图1的交叉流过滤模块120。
在步骤430之后，过程然后可进行到步骤442，此时水流可从处理***中引导出来。优选地，在步骤442中，水包括Ca和Mg含量小于约10mg/L且无任何可检测或至少无任何显著量的细菌、油或任何重金属的NaCl溶液。
在一些实施方案中，方法400可终止于步骤442中。然而，在其它实施方案中，过程然后可继续进行到步骤444以通过进一步浓缩和/ 或结晶提取自流的盐来作进一步处理。在一些实施方案中，步骤444 可在不同场所/***处执行。在其它实施方案中，可使用用于执行先前描述的步骤的相同***。在一些实施方案中，步骤444可使用热处理器(诸如模块124)来执行。浓缩盐可在448处被收集而与在446处的干净水流分开。
返回到方法400中的步骤408，如果步骤408的确定中的一个或多个是在预定阈值下，那么过程进行到步骤412，步骤412可包括电凝聚过程。在一些实施方案中，步骤412可包括启动和/或引导流到电凝聚模块，诸如模块106。
在步骤412的电凝聚处理之后，过程然后可进行到步骤414、416 和418。步骤414、416和418可包括类似或相同于步骤426、428和 430的步骤。在一些实施方案中，此类步骤可分别包括溶气浮选处理、使用二氧化碳的结垢元素的沉淀、和超过滤。
返回到步骤404，如果废水流中检测到油(或如果过程/***配置成呈现存在油)，那么方法400可从步骤404进行到步骤406，此时作出确定：特定化学品和/或物质的含量是否超过预定阈值。在一些实施方案中，步骤406包括确定是否存在量超过阈值的Ca。在一些此类实施方案中，此阈值可为约1000mg/L。步骤406中涉及的确定中的一个或多个在一些实施方案中可使用激光诱导击穿光谱而作出。
在一些实施方案中，步骤406还可包括确定是否存在量超过阈值的Mg。在一些此类实施方案中，此阈值可为约500mg/L。
在一些实施方案中，步骤406还可包括确定水中的无机碳是否大于Ca含量的阈值百分比。例如，在一些实施方案中，步骤406可包括确定水中的无机碳是否大于Ca含量的约60％。
在某些优选实施方案中，步骤406可包括作出如先前描述的三个独立确定。例如，在某些优选实施方案中，步骤406可包括确定Ca含量是否大于约1000mg/L、Mg含量是否大于约500ppm或mg/L和/或无机碳含量是否大于碱土金属的总含量的约60％(摩尔百分比)。
如果此类确定中的一个或多个(在优选实施方案中，每个确定) 满足预定阈值，那么过程进行到步骤410，此时作出pH调整。正如步骤424，步骤410在某些优选实施方案中可包括将pH值调整到在约11 与约12之间。
如果步骤406的确定中的一个或多个是在预定阈值下，那么过程从步骤406进行到步骤412。如先前提及的步骤412可包括电凝聚过程。在步骤412之后，过程然后可进行到如先前描述的步骤414、416、418、 442和444。
作为源于步骤404的过程的替代，方法400而是可如图4中示出的那样从402进行到步骤432。在步骤432中，可将碳酸盐(诸如碳酸钙)添加到废水以促进水的进一步处理，举例来说，诸如重金属的沉淀。
在步骤432之后，水流可经受步骤434处的水力旋转器或安定过程，其可用来分离某些类型的流体和/或其它物质(诸如油)与水。过程然后可进行到步骤436，其可包括电凝聚过程，如上文结合步骤412 所描述。
步骤438可包括将流引导到和/或通过浮选/沉降模块，诸如图1中的模块108。在某些优选实施方案中，可在步骤438中使用DAF(“溶气浮选”)单元。在步骤438之后，水可经历在步骤440中的超过滤，诸如交叉流超过滤模块。所述过程然后可进行到上文描述的步骤442。
本领域技术人员应当理解，在不脱离本文提出的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节作出修改。此外，可以期望各种实施例或其特征的任何合适的组合。
在整篇说明书中，对“一个实施例/实施方案”、“实施例/实施方案”或“所述实施例/实施方案”的任何引用皆意指结合所述实施例/实施方案描述的特定特征、结构、或特性包括在至少一个实施例/实施方案中。因此，如整篇说明书所叙述的引用短语或其变型形式未必全部涉及相同实施例/实施方案。
类似地，应当理解，出于精简本公开的目的，在对实施例的以上描述中，各种特征有时在单个实施例、附图或其描述中被组合在一起。然而，此公开方法不应解释为反映任何权利要求需要比所述权利要求中明确叙述的特征更多的特征的意图。相反，发明方面在于少于任何单个前述公开的实施例或实施方案的所有特征的组合。因此，本公开应被认为是说明性的而非限制性意义的，且所有此类修改均旨在包括在其范围内。
同样，上文结合各种实施例对益处、其它优点以及问题解决方案进行了描述。然而，益处、优点、问题解决方案以及可导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何元素，不应被理解为是决定性的、必需的或必要的特征或元素。
还应了解，本文中描述的方法步骤和/或动作可彼此交换。换句话说，除非实施例的正确操作明确要求具体顺序的步骤或动作，否则可修改具体步骤和/或动作的顺序和/或使用。另外，应了解，此类方法的其它实施方案不一定需要包括所叙述步骤中的每一个，且还应了解，来自本文中公开的某些实施方案的某些步骤可与其它实施方案交换，如所属领域一般技术人员将明白。
对本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本文阐述的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节做出修改。本发明的范围应因此只由以下权利要求书确定。

Claims (14)

1.一种用于废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：
在废水进水口中接收进入的废水流；
从所述废水搜集实时数据，所述实时数据包括涉及所述废水中的组分和所述废水中的一种或多种组分的浓度的数据中的至少一个；
使用所述实时数据以确定是否修改废水处理***中的一个或多个模块或参数；
当根据所述实时数据确定应修改所述废水处理***中的一个或多个模块或参数时，修改所述废水处理***中的一个或多个模块或参数；
增加所述废水的pH，其中增加所述废水的pH的所述步骤是使用电化学处理方法来执行，且其中增加所述废水的pH的所述步骤是在不向所述废水添加任何化学品的情况下来执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在废水进水口中接收进入的废水流的所述步骤是在从所述废水搜集实时数据的所述步骤之后执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中从所述废水搜集实时数据的所述步骤是使用激光诱导击穿光谱来执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述废水处理***中的一个或多个模块或参数的所述步骤包括以下步骤中的至少一个：禁用所述废水处理***中的一个或多个模块；调整所述废水处理***中的一个或多个模块的操作参数；将废水流转向以绕过所述废水处理***中的一个或多个模块；和使所述废水再循环通过所述废水处理***中的一个或多个模块。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从所述废水搜集实时数据的所述步骤包括评估所述废水的pH值以确定所述pH值是否满足pH阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述pH阈值为11，且其中增加所述废水的pH的所述步骤包括将所述废水的所述pH增加到在11与12之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学处理方法包括电凝聚处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学处理方法包括电氧化处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述从所述废水搜集实时数据的步骤包括测量所述废水中的至少一种碱土金属的浓度。
10.一种用于处理在压裂场所处的废水的方法，所述方法包括以下步骤：
根据压裂操作接收进入的废水流；
确认所述废水内存在油；
当确认所述废水内存在油时，确定所述废水中是否存在碱土金属且确定所述废水中的碱土金属的浓度是否超过阈值；
当确认已超过所述阈值时，使用电化学处理方法将所述水的pH值调整到在11与12之间；
当确认还没有超过所述阈值时，绕过调整所述水的pH值的所述步骤；和
在调整所述水的pH值或绕过调整所述水的pH值的所述步骤的步骤之后，将所述水发送通过至少一个处理过程，所述至少一个过程包括电凝聚、溶气浮选处理、使用二氧化碳气体进行的结垢元素的沉淀、和超过滤中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述废水中的碱土金属的浓度是否超过阈值的所述步骤包括：
确定所述废水中是否存在Ca且确定所述废水中的所述Ca是否超过第一阈值；和
确定所述废水中是否存在Mg且确定所述废水中的所述Mg是否超过第二阈值，且其中所述方法还包括：
当确认已超过所述第一阈值和所述第二阈值中的至少一个时，使用电化学处理方法将所述水的pH值调整到在11与12之间；和
当确认还没有超过所述第一阈值和所述第二阈值中的至少一个时，绕过调整所述水的pH值的所述步骤。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述阈值为至少50mmol/L。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一阈值为1000mg/L。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二阈值为500mg/L。
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