CN107417017B - 一种油气田压裂返排液污水的处理方法 - Google Patents

一种油气田压裂返排液污水的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了油气田压裂返排液污水的处理方法，依次包括以下步骤：步骤(1)：将油气田压裂返排液的pH值调节至3～10，静置过滤得上清液，向所述上清液中加入助凝剂进行电絮凝处理，再次过滤得滤液；步骤(2)：加入KMnO4进行化学氧化处理，过滤得滤液；步骤(3)：加入Fenton试剂进行三维电极‑电Fenton氧化处理，过滤得滤液；步骤(4)：所述滤液通过活性炭吸附柱进行循环吸附处理。通过本发明的油气田压裂返排液污水的处理方法能够解决现有技术压裂返排液处理标准不达标、处理周期长的技术问题。

Description

一种油气田压裂返排液污水的处理方法
技术领域
本发明属于油气田开发的污水处理技术领域，更具体地，涉及一种油气田压裂返排液污水的处理方法。
背景技术
压裂作为重要的增产措施，已成为低渗油气田开发的主导技术，为各大油气田所普遍采用。而压裂作业结束后，会产生大量压裂返排液，其中含有大量的有害固体悬浮物、难降解有机物、石油类等污染物，具有黏度、浊度、有机污染物(以COD为检测指标)含量高且稳定性强的特点，处理非常困难；如何实现压裂返排液的高效处理，是目前油气田环保以及制约压裂技术进一步大规模应用的重要科学问题。
压裂返排液的传统处理方法是采用污水池或大罐集中储存，依靠返排液自身挥发或沉降进行处理，此方法耗费大量时间及空间，且存在污水泄漏外溢的风险。近年来，随着国家环保要求的日益严苛，压裂返排液处理的研究逐渐集中到快速深度处理上，以期满足国家污水排放标准。现阶段处理压裂返排液的主要工艺有：生化处理方法、普通氧化法、高级氧化法、湿法氧化方法、电絮凝方法、微电解法、膜分离法等。但室内研究和现场应用均证实，仅凭单一处理技术难以实现返排液的达标排放处理，因此目前研究较多的是以联合几种工艺处理的深度处理工艺。深度处理工艺的研究主要热点集中于以生物处理技术为核心的工艺联合、以高级氧化技术为核心的工艺联合、以电化学氧化技术为核心的工艺联合和以膜技术为核心的工艺联合。以上这些工艺联合都能有效的降解压裂返排液的COD，但都有其各自不足，或是处理时间较长，亦或是出水仍无法满足排放标准要求。
为解决现有油气田压裂返排液处理工艺中存在的诸多不足，如处理后的压裂返排液不能满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)排放标准要求等的技术难题，必须研究开发新的技术对油气田压裂返排液进行深度处理。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种油气田压裂返排液污水的处理方法，以解决现有技术压裂返排液处理标准不达标、处理周期长的技术问题。
为实现上述目的，本发明的一种油气田压裂返排液污水的处理方法，依次包括以下步骤：
步骤(1)：将油气田压裂返排液的pH值调节至3～10，静置过滤得上清液，向所述上清液中加入助凝剂进行电絮凝处理，再次过滤得滤液；
步骤(2)：向步骤(1)中所述滤液中加入KMnO4进行化学氧化处理，过滤得滤液；
步骤(3)：向步骤(2)中所述滤液中加入Fenton试剂进行三维电极-电Fenton氧化处理，过滤得滤液；
步骤(4)：将步骤(3)中所述滤液通过活性炭吸附柱进行循环吸附处理。
本发明的有益效果在于：本发明采用电絮凝-化学氧化-(三维电极-电Fenton)氧化-吸附工艺联合处理油气田压裂返排液。首先采用电絮凝处理，利用电絮凝工艺的絮凝、电气浮作用去除水中的沉淀物、悬浮物，同时利用电絮凝工艺的电氧化还原、电吸附作用去除压裂返排液中部分可溶性无机离子、部分有机物，随后加入KMnO4进行化学氧化处理电絮凝出水，利用KMnO4的强氧化性部分有机物彻底分解或将大多数大分子有机物氧化为小分子物质，同时，利用KMnO4被还原而生成的新生态MnO2的絮凝作用去除部分悬浮物和不溶于水的有机物，进一步降低压裂返排液的COD值，用三维电极-电Fenton工艺对化学氧化出水深度氧化，将有机物无害化，最后通过活性炭吸附吸附柱进行吸附，去除少部分难以氧化或未来得及氧化的有机物，实现对压裂返排液的处理。经本发明的处理工艺处理，油气田压裂返排液颜色、黏度接近于自来水，处理后的压裂返排液的COD值满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本发明的一种油气田压裂返排液污水的处理方法，依次包括以下步骤：
步骤(1)：将油气田压裂返排液的pH值调节至3～10，静置过滤得上清液，向所述上清液中加入助凝剂进行电絮凝处理，再次过滤得滤液；
步骤(2)：向步骤(1)中所述滤液中加入KMnO4进行化学氧化处理，过滤得滤液；
步骤(3)：向步骤(2)中所述滤液中加入Fenton试剂进行三维电极-电Fenton氧化处理，过滤得滤液；
步骤(4)：将步骤(3)中所述滤液通过活性炭吸附柱进行循环吸附处理。
进一步地，所述步骤(1)中电絮凝处理的条件如下：
阳极采用铝、铁、不锈钢、铝合金、铁铝合金中的一种或两种，pH值为3～10，电流密度为50～300mA/cm2，电絮凝处理时间为30～180min，电絮凝处理温度为20～90℃；
电极间距为10～100mm；阳极和阴极的有效面积与待处理的上清液的体积比为50～300cm2/L。
进一步地，所述助凝剂为聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、聚合硅酸、聚活性硅胶、聚二甲基丙烯基氯化铵、聚丙烯酸及其衍生物、聚丙烯酰胺及其衍生物中的一种或多种混合物。
进一步地，所述步骤(2)中化学氧化处理的条件为：pH值为3～10，氧化处理温度为20～90℃，氧化处理时间为60～480min；所述氧化剂的质量浓度为500～5000mg/L。
进一步地，所述步骤(3)中三维电极-电Fenton氧化处理反应中三维电极处理的条件为：pH值为3～10，电流密度为10～150mA/cm2，氧化处理时间为30～180min，氧化处理温度为20～90℃。
进一步地，所述步骤(3)中三维电极为阳极-阴极-第三电极组合电极，其中阳极和阴极分别采用铝、铁、不锈钢、铝合金、钛网或石墨中的一种，第三电极采用活性炭柱、无定形活性炭、铝矾土陶砂、粉煤灰陶砂、黏土陶砂、页岩陶砂、垃圾陶砂、煤矸石陶砂、生物污泥陶砂、河底泥陶砂、铁碳柱、玻璃柱、铁屑、沸石中的一种或几种的混合物。
进一步地，所述第三电极与步骤(2)中所述滤液的质量比为0～5:1～5；阳极、阴极和第三电极的有效面积与步骤(2)中所述滤液的体积比为50～500cm2/L。
更进一步地，所述步骤(4)中活性炭吸附柱由下至上依次由100目的尼龙滤布、粒度直径为30～50mm的石英细沙、100目尼龙滤布、活性炭颗粒构成。
实施例1
首先取200mL压裂返排液Y加入NaOH调节其pH原值分别为3、5、8和10，静置用0.45μm的混合纤维素滤膜过滤得上清液，并向其中加入浓度为4mg/L的助凝剂PAM，搅拌使其充分溶解；对上述溶液进行电絮凝处理，选用铝板作电极，在温度为50℃，电流密度J为150mA/cm2，极板间距为20mm，电极有效面积与待处理滤液体积比为100cm2/L的条件下处理60min，过滤得滤液A；调节滤液A的pH值为7，向其投加浓度c为3000mg/L的KMnO4，30℃下氧化反应360min，过滤得滤液B；调节滤液B的pH值为3，向其加入Fenton试剂(所述Fenton试剂包括H2O2和催化剂，催化剂为Fe或Fe的氧化物)，并进行三维电极氧化处理，分别选用100目钛网、石墨板和活性炭柱为阳极、阴极和第三电极，在温度为50℃，极板间距d为50mm，电流密度为75mA/cm2，第三电极与待处理滤液质量比为1:1，主电极有效面积与待处理滤液体积比为300cm2/L的条件下氧化120min，其出水经调节pH值为8后，过滤得滤液C，最后将滤液C泵入活性炭柱进行吸附处理，吸附出水即为最后排放水D。采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB/T11914)的方法对上述每个工艺段处理后的滤液进行COD测定，其结果如表1所示。
表1
Figure BDA0001315438360000061
实施例2
首先取200mL压裂返排液Y加入NaOH调节其pH原值为8，静置用0.45μm的混合纤维素滤膜过滤得滤液，并向其中加入浓度为4mg/L的助凝剂PAM，搅拌使其充分溶解；对上述溶液进行电絮凝处理，选用铝板作电极，在温度为50℃，电流密度J分别为100、125、150和175mA/cm2，极板间距为20mm，电极有效面积与待处理滤液体积比为100cm2/L的条件下处理60min，其出水过滤得滤液A；调节滤液A的pH值为7，向其投加浓度c为3000mg/L的KMnO4，30℃下氧化反应360min，其出水过滤得滤液B；调节滤液B的pH值为3，向其加入Fenton试剂，对上述溶液进行三维电极氧化处理，分别选用100目钛网、石墨板和活性炭柱为阳极、阴极和第三电极，在温度为50℃，极板间距d为50mm，电流密度为75mA/cm2，第三电极与待处理滤液B质量比为1:1，主电极有效面积与待处理滤液B体积比为300cm2/L的条件下氧化120min，其出水经调节pH值为8后，过滤得滤液C；最后将滤液C泵入活性炭柱进行吸附处理，吸附出水即为最后排放水D。采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB/T11914)的方法对上述工艺段处理后清夜进行COD测定，其结果如表2所示。
表2
Figure BDA0001315438360000071
由表2可知，出水的CODcr随J增加而减小，当增加至150mA/L，最终出水达标，继续增加J，CODcr下降值不明显且能耗不断增大。
实施例3
首先取200mL压裂返排液Y加入NaOH调节其pH原值为8，静置过滤得滤液，并向其中加入浓度为4mg/L的助凝剂PAM，搅拌使其充分溶解；对上述溶液进行电絮凝处理，选用铝板作电极，在温度为50℃，电流密度J为150mA/cm2，极板间距为20mm，电极有效面积与待处理滤液体积比为100cm2/L的条件下处理60min，其出水过滤得滤液A；调节滤液A的pH值为7，向其投加浓度c分别为1000、2000、3000和4000mg/L的KMnO4，30℃下氧化反应360min，其出水过滤得滤液B；调节滤液B的pH值为3，向其加入Fenton试剂，对上述溶液进行三维电极氧化处理，分别选用100目钛网、石墨板和活性炭柱为阳极、阴极和第三电极，在温度为50℃，极板间距d为50mm，电流密度为75mA/cm2，第三电极与待处理滤液B质量比为1:1，主电极有效面积与待处理滤液B体积比为300cm2/L的条件下氧化120min，其出水经调节pH值为8后，过滤得滤液C；最后将滤液C泵入活性炭柱进行吸附处理，吸附出水即为最后排放水D。采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB/T11914)的方法对上述每个工艺段处理后的滤液进行COD测定，其结果如表3所示。
表3
Figure BDA0001315438360000081
由表3可知，出水CODcr随c增加而减小，当增至3000mg/L时，出水达标；继续增加c，出水含未反应完的过量KMnO4而带有粉色，造成二次污染，无法满足处理要求。
实施例4：
首先取200mL压裂返排液Y加入NaOH调节其pH原值为8，静置过滤得滤液，并向其中加入浓度为4mg/L的助凝剂PAM，搅拌使其充分溶解；对上述溶液进行电絮凝处理，选用铝板作电极，在温度为50℃，电流密度J为150mA/cm2，极板间距为20mm，电极有效面积与待处理滤液体积比为100cm2/L的条件下处理60min，其出水过滤得滤液A；调节滤液A的pH值为7，向其投加浓度c为3000mg/L的KMnO4，30℃下氧化反应360min，其出水过滤得滤液B；调节滤液B的pH值为3，向其加入Fenton试剂，对上述溶液进行三维电极氧化处理，分别选用100目钛网和石墨板为阳极和阴极，分别选用黏土陶粒、铁碳柱、活性炭柱和无定形活性炭作第三电极，在温度为50℃，极板间距d为50mm，电流密度为75mA/cm2，第三电极与待处理滤液B质量比为1:1，主电极有效面积与待处理滤液B体积比为300cm2/L的条件下氧化120min，其出水经调节pH值为8后，过滤得滤液C；最后将滤液C泵入活性炭柱进行吸附处理，吸附出水即为最后排放水D。采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB/T11914)的方法对上述每个工艺段处理后的滤液进行COD测定，其结果如表4所示。
表4
Figure BDA0001315438360000091
Figure BDA0001315438360000101
实施例5：
首先取200mL压裂返排液Y加入NaOH调节其pH原值为8，静置过滤得滤液，并向其中加入浓度为4mg/L的助凝剂PAM，搅拌使其充分溶解；对上述溶液进行电絮凝处理，选用铝板作电极，在温度为50℃，电流密度J为150mA/cm2，极板间距为20mm，电极有效面积与待处理滤液体积比为100cm2/L的条件下处理60min，其出水过滤得滤液A；调节滤液A的pH值为7，向其投加浓度c为3000mg/L的KMnO4，30℃下氧化反应360min，其出水过滤得滤液B；调节滤液B的pH值为3，向其加入Fenton试剂，对上述溶液进行三维电极氧化处理，分别选用100目钛网、石墨板和活性炭柱为阳极、阴极和第三电极，在温度为50℃，极板间距d分别为20、30、50和60mm，电流密度为75mA cm-2，第三电极与待处理滤液B质量比为1:1，主电极有效面积与待处理滤液B体积比为300cm2/L的条件下氧化120min，其出水经调节pH值为8后，过滤得滤液C；最后将滤液C泵入活性炭柱进行吸附处理，吸附出水即为最后排放水D。采用《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》(GB/T11914)的方法对上述每个工艺段处理后的滤液进行COD测定，其结果如表5所示。
表5
Figure BDA0001315438360000102
Figure BDA0001315438360000111
实施例6
本实施方法与具体实例1方式的不同是：助凝剂种类分别为聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸，其他与具体实施方式1相同。
实施例7
本实施方法与具体实例2方式的不同是：电絮凝处理两电极极板间距分别为10、20、40和60mm，其他与具体实施方式2相同。
实施例8
本实施方法与具体实例3方式的不同是：电絮凝处理的时间为30、60、90和120min，其他与具体实施方式3相同。
实施例9
本实施方法与具体实例4方式的不同是：三维电极氧化处理的电流密度分别为50、75、100和125mA/cm2，其他与具体实施方式4相同。
实施例10
本实施方法与具体实例5方式的不同是：三维电极氧化处理的氧化时间分别为60、90、120和180min，其他与具体实施方式5相同。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
步骤(1)：将油气田压裂返排液的pH值调节至3～10，静置过滤得上清液，向所述上清液中加入助凝剂进行电絮凝处理，再次过滤得滤液，所述电絮凝处理过程中电极间距为10～100mm，且阳极和阴极的有效面积与待处理的上清液的体积比为50～300cm2/L；
步骤(2)：向步骤(1)中所得滤液中加入KMnO4进行化学氧化处理，过滤得滤液，其中氧化剂的质量浓度为500～5000mg/L；
步骤(3)：向步骤(2)中所得滤液中加入Fenton试剂进行三维电极-电Fenton氧化处理，过滤得滤液；
步骤(4)：将步骤(3)中所得滤液通过活性炭吸附柱进行循环吸附处理；
所述步骤(2)中化学氧化处理的条件为：pH值为3～10，氧化处理温度为20～90℃，氧化处理时间为60～480min。
2.如权利要求1所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中电絮凝处理的条件如下：
阳极采用铝、铁、不锈钢、铝合金、铁铝合金中的一种或两种；pH值为3～10，电流密度为50～300mA/cm2，电絮凝处理时间为30～180min，电絮凝处理温度为20～90℃。
3.如权利要求2所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述助凝剂为聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、聚合硅酸、聚活性硅胶、聚二甲基丙烯基氯化铵、聚丙烯酸及其衍生物、聚丙烯酰胺及其衍生物中的一种或多种混合物。
4.如权利要求3所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中三维电极-电Fenton氧化处理反应中三维电极处理的条件为：pH值为3～10，电流密度为10～150mA/cm2，氧化处理时间为30～180min，氧化处理温度为20～90℃。
5.如权利要求4所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中三维电极为阳极-阴极-第三电极组合电极，其中阳极和阴极分别采用铝、铁、不锈钢、铝合金、钛网或石墨中的一种，第三电极采用活性炭柱、无定形活性炭、铝矾土陶砂、粉煤灰陶砂、黏土陶砂、页岩陶砂、垃圾陶砂、煤矸石陶砂、生物污泥陶砂、河底泥陶砂、铁碳柱、玻璃柱、铁屑、沸石中的一种或几种的混合物。
6.如权利要求5所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述第三电极与步骤(2)中所得滤液的质量比为0～5:1～5；阳极、阴极和第三电极的有效面积与步骤(2)中所得滤液的体积比为50～500cm2/L。
7.如权利要求4或6所述的油气田压裂返排液污水的处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中活性炭吸附柱由下至上依次由100目的尼龙滤布、粒度直径为30～50mm的石英细沙、100目尼龙滤布、活性炭颗粒构成。
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