CN110921745A - 一种高含盐废水处理*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高含盐废水处理***，包括n个依次串联形成n级蒸发***的蒸发水槽，设置在每级蒸发水槽中的用于连通下一级蒸发水槽的溢流管，设置在每级蒸发水槽的主集气管，设置在第一级蒸发水槽中的加热器，设置在第一级蒸发水槽上的第二进料口，与第二进料口连通的并向第一级蒸发水槽提供料液的原料液管，设置在第n级蒸发水槽的底部的第一出口，以及与集水管均连通的产水管。本发明中从第三级蒸发水槽开始，后面的每级蒸发水槽利用前隔一级蒸发水槽产生的水蒸气在本级的蒸发水槽中的换热器中发生相变产生的热源为主加热热源，避免了能源的浪费。

Description

一种高含盐废水处理***

技术领域

本发明涉及一种含盐废水处理***，具体地说，是涉及一种高含盐废水处理***。

背景技术

石油天然气的勘探开发过程中，油田和气田在开发过程中需要加入多种物质，产生成分复杂、含盐量高的钻井废水、压裂返排液、气田产出水三大类废水，统称为油气田废水。油气田废水主要特点为高COD、高悬浮物、高盐度，这类废水属于难降解的高含盐有机污水，如果未经处理直接外排，将造成诸多环境危害，其规范化达标处理已是油气田废水研究的一个热点和难点。

机械式蒸汽再压缩(MVR)蒸发器，其利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的焓值，被提高热能的二次蒸汽打入蒸发室进行加热，将二次蒸汽已有的热能进行循环利用，从而可以在不增加外部鲜蒸汽，依靠蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。但是MVR技术的设备投资废用、占地面积和运营成本都比较大，此外，该设备安装较为繁琐，对油气田废水的要求也比价高，不适用于油气田这种移动并且有大量废水产生的项目。因此如何对这些高含盐废水进行有效处理，是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种高含盐废水处理***。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高含盐废水处理***，包括n个依次串联形成n级蒸发***的蒸发水槽，设置在每级蒸发水槽中的用于料液流入下一级蒸发水槽中的溢流管，设置在每级蒸发水槽上的用于排出本级产生的水蒸气的主集气管，设置在第一级蒸发水槽中的加热器，设置在第一级蒸发水槽上的第二进料口，与第二进料口连通的并向第一级蒸发水槽提供料液的原料液管，设置在第三级到第n级所述蒸发水槽中并用于接收前隔一级的主集气管排出的水蒸气的第三换热器，用于接收第三换热器中产生的冷凝水的产水管，其中，从第m-2级的主集气管排出的水蒸气在第m级的第三换热器中相变产生的热量作为第m级中料液主加热的热源，第三换热器中未冷凝的水蒸气汇入到本级的主集气管中，第n-1级和第n级中产生的水蒸气和空气通过同级的主集气管排出，3≤m≤n。

进一步地，所述蒸发水槽个数n为6≤n≤20。

进一步地，所述第三换热器底部设有集水管和第一副集气管，集水管连通到产水管上，第一副集气管连通到本级的主集气管上。

进一步地，还包括让每级中的料液产生微气泡的曝气装置，所述曝气装置包括设置在每级蒸发水槽内的曝气膜组件，以及与曝气膜组件均连接的并向曝气膜组件提供空气的气管。

进一步地，所述曝气膜组件由疏水性中空纤维膜制成。

进一步地，所述第n级和第n-1级中的集水管在汇入产水管之前设置有连通到同级的主集气管上的第二副集气管。

进一步地，所述原料液管路上沿原料液的流向依次设置第一换热器和第二换热器，第一换热器与产水管连接，第二换热器与第n级和第n-1级中的主集气管连接，设置在第二换热器上的并连接到第一换热器的混合气管。

进一步地，所述第一换热器上设有用于排放空气和未冷凝水蒸气的第二出口、用于冷凝水作为产水排放的第三出口和用于料液进入的第一进料口。

进一步地，还配置有与所述第一出口对应设置的收集槽。

进一步地，所述n级蒸发水槽采用从上往下多层串联或同一平面上单层串联。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用空气吸湿与夹带原理，通过向曝气装置通入空气，利用曝气膜组件材料为疏水性中空纤维膜，空气穿过曝气膜组件在料液中形成带空气的微气泡，使待料液受热更加均匀，并且增大了相界面水分子和水蒸气分子之间的流动性从而提高了设备的蒸发效率。

(2)本发明利用高温下空气吸湿能力大于低温下空气的吸湿能力的原理，通过曝气膜组件在蒸发水槽的料液中形成微气泡，并同时在第一级蒸发水槽中设置加热器，其它第m(3≤m≤n)级的蒸发的水槽均利用第m-2级蒸发水槽产生的水蒸气进行加热，提高了本发明整个***的温度，增加了整个***的空气吸湿能力，从而提高整套***的蒸发能力。

(3)本发明中由n个蒸发水槽依次串联形成n级蒸发，料液依次经过串联的蒸发水槽形成逐级蒸发浓缩方式，该方式可以准确的控制浓水结晶单元，便于实现结晶盐和浓缩液的分离，并且分离后的浓水又作为原料液进行循环，实现了接近零排放。此外，固液的快速定级分离，有效避免造成结晶盐对设备管路的堵塞问题。

(4)本发明从第m(3≤m≤20)级开始均利用第m-2级中料液在蒸发浓缩过程中产生的水蒸气在第m级中的换热器中发生相变产生的热作为热源，利用多效蒸发原理降低本发明的蒸发装置能耗。同时本发明的第二级中的料液利用本身的高温进一步蒸发浓缩，随着蒸发浓缩将会带走大量的热量从而扩大进入第三级中的料液与第一级中产生的水蒸气之间的温差，提高第一级中产生的水蒸气的携带热量的利用率，而第m级中料液利用第m-2级中产生的水蒸气进行加热，也是利用第m-2中产生的水蒸气与第m级中料液较大的温差来提高水蒸气的携带热量的利用率。

(5)本发明利用膜曝气装置对料液的搅动，一方面减少蒸发器内各部件的污染与结垢，另一方面强化传热，提高蒸发器的功效。

(6)本发明在原料液管上沿原料液流向依次设置有第一换热器和第二换热器对进入第一级蒸发水槽的原料液进行预热，原料液与从产水管来的冷凝水以及从混合气管来未冷却的水蒸气和热空气在第一换热器中发生热交换，对原料液进行第一次预热，并在第二换热器中与第n-1级和第n级的主集气管来的水蒸气和热空气进行换热，对料液进行第二次预热。原料液进行预热一方面缩短了第一级中的料液加热到设定温度的时间，另一方面将***中的热能进行充分的利用，避免了能源的浪费。

附图说明

图1为本发明一种高含盐废水处理***的示意图。

图2为本发明中第一级蒸发水槽的示意图。

图3为本发明中第三级到第n-1级之间任意一级蒸发水槽的示意图。

图4为本发明中第n级蒸发水槽的示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-蒸发水槽，2-加热器，3-曝气装置，4-溢流管，5-主集气管，6-第一副集气管，7-第二副集气管，8-集水管，9-产水管，10-第三换热器，11-第二换热器，12-第一换热器，13-气管，15-第一进料口，14-第二进料口，16-第一出口，17-第二出口，18-第三出口，19-收集槽，20-混合气管，21-原料液管，22-曝气膜组件。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1～4所示，本实施例公开当n＝9时，形成九级蒸发的一种高含盐废水处理***，本实施例包括9个蒸发水槽1、溢流管4、原料液管21、加热器2、集水管8、产水管9、主集气管5、第一副集气管6、第一出口16、第二进料口14、第三换热器10。具体地，本***由9个蒸发水槽依次串联形成九级的蒸发***，9个蒸发水槽可以是从上到下依次串联，从上往下依次是第一级蒸发水槽、第二级蒸发水槽和第三级蒸发水槽在第一层串联，第四级蒸发水槽、第五级蒸发水槽和第六级蒸发水槽在第二层串联，第七级蒸发水槽、第八级蒸发水槽和第九级蒸发水槽在第三层串联；还可以是9个蒸发水槽在同一平面依次串联，可以是串联成一行，也可串联成多行。此外，本发明中的蒸发水槽的串联方式不限于以上几种情况，根据实际情况可以调整。

具体地，本实施例的九级蒸发浓缩***中还设置有曝气装置3，曝气装置包括曝气膜组件22和气管13，其中曝气膜组件和气管连通。每级蒸发水槽内均设置有排出本级中产生的水蒸气的主集气管，第八级和第九级中的主集气管合并设置。从第三级到第九级的蒸发水槽内均设置有用于接收前隔一级的主集气管排出的水蒸气的第三换热器，第三换热器的底部设置有集水管和第一副集气管，第三级到第九级中的第一副集气管连通到同级设置的主集气管上，集水管连通到产水管上；每级蒸发水槽中还均设置有用于料液流入下一级蒸发水槽连通的溢流管。此外，原料液管在管路上根据原料液的流向依次设置有第一换热器12和第二换热器11，第一换热器位于第二换热器之前，第一换热器与产水管连接。每级蒸发水槽中的曝气膜组件和第三换热器间隔设置，每级蒸发水槽中的曝气膜组件和第三换热器的个数不限于图1所示，根据实际情况可进行调整，第三换热器的个数也不限于图1所示，根据实际情况也可进行调节。

具体地，第一级蒸发水槽包括设置在第一级蒸发水槽上的用于原料液进入的第二进料口，第一级蒸发水槽内还设置有加热器，加热器与曝气膜组件间隔设置，第一级蒸发水槽的主集气管设置在其顶部，设置在第一级蒸发水槽中的溢流管的进水口位于第一级蒸发水槽的底部，其出水口位于第二级蒸发水槽内并高于其出水口。此外，加热器的个数不限于图1所示，根据实际情况可以进一步调整，加热器对原料液进行加热可以直接采用电进行加热，也可以通过蒸汽对原料液进行加热，第一级蒸发水槽中的加热的温度设定在80℃～100℃。

当预热后的原料液进入到第一级蒸发水槽中时，启动加热器对第一级中的料液进行加热，然后通过空气管往曝气膜组件通入空气，调节空压机阀门和气动定值器阀门控制曝气膜组件的曝气强度，促进曝气膜组件在每级蒸发水槽的料液中产生微气泡，增大了相界面水分子和水蒸气分子之间的流动性，提高蒸发效率。第一级中的料液在蒸发浓缩过程产生的水蒸气和微气泡转化成的热空气通过第一级中的主集气管送入到第三级中的第三换热器中，第一级中加热后的料液经溢流管进入到第二蒸发水槽中。

具体地，第二级中的主集气管穿过第二级蒸发水槽底部并伸入其内部设置，并且该主集气管的进气口高于第二级蒸发水槽中料液的液面并靠近第二级蒸发水槽的顶部。设置在第二级蒸发水槽中的溢流管的进水口位于第二级蒸发水槽的底部，其出水口位于第三级蒸发水槽内并高于其出水口。第二级利用从第一级进入的料液本身的高温进一步蒸发浓缩，料液在第二级蒸发浓缩过程中产生的水蒸气和微气泡转化成的热空气通过第二级上的主集气管送入到第四级中的第三换热器中，第二级中加热后的料液经溢流管进入到第三蒸发水槽中。

具体地，第三级、第五级和第六级中的主集气管穿过本级蒸发水槽底部并伸入其内部设置，并且该主集气管的进气口高于本级中蒸发水槽中料液的液面并靠近本级蒸发水槽的顶部；第四级、第七级、第八级和第九级的主集气管设置在本级蒸发水槽的顶部。第三级和第六级中的溢流管从蒸发水槽底部伸入到蒸发水槽内，其料液的入口的高于本级中料液的液面；第四级、第五级、第七级和第八级中的溢流管的进水口位于本级蒸发水槽的底部，其出水口位于下级蒸发水槽内并高于其出水口。第三级、第四级、第五级、第六级、第七级、第八级和第九级中的第三换热器分别与第一级、第二级、第三级、第四级、第五级、第六级和第七级中的主集气管连接。第八级和第九级的集水管在汇入产水管之前设置有连通到同级蒸发水槽的主集气管的第二副集气管7，第二副集气管与本级的主集气管连通，第八级和第九级的主集气管合并设置并同时与第二换热器连接。此外，第九级蒸发水槽的底部还设置有第一出口，在第一出口对应位置设置有用于收集结晶盐的收集槽19。

第三级、第四级、第五级、第六级、第七级、第八级和第九级中的料液分别与从第一级、第二级、第三级、第四级、第五级、第六级和第七级中的主集气管排出的水蒸气和微气泡转化成的热空气在本级的第三换热器中发生热交换，将水蒸气在第三换热器中变成冷凝水发生相变产生的热量作为主加热热源，热空气降温释放的热量作为副加热热源，生成的冷凝水通过集水管汇聚到产水管中，未冷凝的水蒸气和热空气通过第一副集气管汇聚到设置在本级的主集气管中。第三级、第四级、第五级、第六级和第七级中的料液在蒸发浓缩时产生的水蒸气和微气泡转化成的热空气通过分别通过本级中的主集气管排出并送入到第五级、第六级、第七级、第八级和第九级中的第三换热器中，其料液通过溢流管依次的从三级蒸发水槽流入第九级蒸发水槽中。

具体地，本***中所有的曝气膜组件和第三换热器为相同装置，为了让浸入在料液中的曝气膜组件在通入空气后能够在料液中产生微气泡，曝气膜组件选用疏水性中空纤维膜制成，优选聚丙烯疏水性中空纤维膜或者聚四氟乙烯的疏水性中空纤维膜，但是本发明不限于以上两种材料，根据实际情况可以进行替换。

具体地，在第一换热器的上设置有用于排放空气和未冷凝水蒸气的第二出口17、用于冷凝水作为产水排放的第三出口18和用于原料液进入的第一进料口15。在第二换热器上设置有与第一换热器连接的混合气管20，原料液通过第一进料口进入到第一换热器中，并与从产水管来的带有能量的冷凝水、从混合气管来的未冷凝的水蒸气和空气在第一换热器中进行换热，对原料液进行第一次预热。第二换热器与第八级和第九级中的主集气管连接，原料液在第二换热器中与从主集气管来的水蒸气和热空气进行换热，对原料液进行第二次预热。

本实施例的具体实现方法如下：

S1：对原料液进行预热，原料液在第一换热器中与第三换热器中产生的并带有能量的冷凝水、以及第二换热器中未冷却的水蒸气和空气进行换热，对原料液进行第一预热；第一次预热后的原料液进入到第二换热器中，在第二换热器中与第八级蒸发水槽和第九级蒸发水槽蒸发浓缩产生的水蒸气和空气以及第八级和第九级中的第三换热器中未冷却的水蒸气和空气进行换热，对原料液进行第二次预热。

S2：九级蒸发浓缩

预热后的原料液进入到第一级蒸发水槽中时，启动设置在第一级蒸发水槽中的加热装置对料液进行加热，将加热温度设定在80℃～100℃；从第三级到第九级均利用前隔一级中蒸发浓缩过程中产生的水蒸气作为主要加热的热源，利用前隔一级产生的微气泡转化的热空气和前隔一级中第三换热器中未冷却的水蒸气和热空气作为副加热的热源；料液通过溢流管依次从第一级蒸发水槽流入到第九级蒸发水槽，并在每级蒸发水槽中均发生蒸发浓缩，形成九级蒸发浓缩。

S3：产生微气泡

在S2步骤加热一段时间***温度稳定时，通过气管往曝气膜组件中通入空气，通过调节空压机阀门、气动定值器阀门控制空气的流水，从而控制曝气强度，空气穿过曝气膜组件在在每级的料液中产生微气泡，使待蒸发液受热更加均匀且增大了相界面水分子和水蒸气分子之间的流动性从而提高了设备的蒸发效率。

S4：结晶盐、冷凝水、水蒸气和空气排出

料液经过九级蒸发浓缩后在第九级蒸发水槽中饱和并析出结晶盐，析出的结晶盐从设置在第九级蒸发水槽上的第一出口排出进入到收集槽中，每级蒸发浓缩过程产生的水蒸气在第三换热器、第二换热器以及第一换热器中发生冷凝相变转变成的冷凝水作为产水从设置在第一换热器上的第三出口排出，未冷凝的水蒸气和空气从设置在第一换热器上的第二出口排出。

基于上述所述的***，本发明进行了小试实验，设定蒸发水槽个数n为7时，形成7级蒸发浓缩的处理***，具体地，首先是往第一级蒸发水槽中加入电导率为66900μs/cm、总溶解固体值(TDS)为56740mg/L的原料液13L，在整个蒸发浓缩的过程中还补加42L原料液，原料液在加入第一级蒸发水槽之前都进行预热，设定第一级中料液的加热温度为90℃并将第一级中料液加热至90℃。然后往曝气膜组件中通入空气，通过调节空压机阀门、气动定值器阀门，使空气流量为105L/h，检测膜侧压力为0.012MPa，控制气液分离距离为21cm，膜面积为3.01×10-2m2，使曝气膜组件的曝气强度为1Nm3/(m2·h)。在水蒸汽和热空气的作用下，2h后整套设备的温度可达到稳定，此时，第二级蒸发水槽中的料液的温度达到85℃，第三级蒸发水槽中的料液的温度达到80℃、第四级蒸发水槽中的料液的温度达到75℃、第五级蒸发水槽中的料液的温度达到70℃、第六级蒸发水槽中的料液的温度达到65℃、第七级蒸发水槽中的料液的温度达到60℃。膜曝气初始蒸发效率为2000g/h，产水电导率为308μs/cm；浓缩时间30h时检测TDS值为347460mg/L，膜曝气蒸发的效率为1700g/h，产水电导为313μs/cm，其原因是随着浓缩倍数的提升，水的蒸汽分压减小，导致的蒸发效率下降。35h时检测TDS值为347590mg/L，由于原水盐类成分复杂，所以通过TDS值粗略判断其母液是否达到过饱和状态，经观察此时的母液待停机1min后，液体表面立马结晶成盐，则第七级中的料液饱和，析出的结晶盐排出，分离后的浓的料液作为原料液进行下一次的蒸发浓缩。

基于上述所述***和小试实验，本发明还在内蒙古和重庆进行了实地实验，如下：

例1：

内蒙古鄂尔多斯某井场压裂返排液处理，此时采用的蒸发浓缩***中的蒸发水槽有9个，形成9级蒸发浓缩***。首先通过对返排液絮凝沉降处理去除原料液中的悬浮物等细小颗粒后得到原料液，将原料液通过原料液泵送入9级蒸发浓缩***中第一级蒸发水槽中，设定加热温度，待各级温度梯度形成后(第一级为90℃后续依次为85℃、80℃、75℃、70℃、65℃、60℃、55℃、50℃)开启膜曝气风机通过气管往曝气膜组件内通入空气进行蒸发处理，蒸发过程中的水蒸气在换热器中相变产生的冷凝水作为产水排入产水池，40h后第九级蒸发水槽中进行蒸发浓缩后料液饱和析出的固体结晶盐从设置在第九级蒸发水槽底部的第一出口排出。经过膜曝气蒸发处理后所得的产水为冷凝水的含盐量从79800mg/L降低到了350mg/L，产水为冷凝水的COD从4608mg/L降低COD为62mg/L符合《污水综合排放标准》一级标准。

例2：

重庆大足某页岩气钻井平台压裂返排液处理，此时采用的蒸发浓缩***中的蒸发水槽有6个，形成6级蒸发浓缩***。首先通过对返排液絮凝沉降处理去除原料液中的悬浮物，将原料液通过原料液泵送入6级蒸发浓缩***中的第一级蒸发水槽中，设定加热温度，待各级温度梯度形成后(第一级为90℃后续依次为85℃、80℃、75℃、70℃、65℃)开启膜曝气风机通过气管往曝气膜组件内通入空气进行蒸发处理，水蒸气在蒸发过程中的换热器中相变产生的冷凝水作为产水排入产水池，33h后第六级蒸发水槽中进行蒸发浓缩后料液饱和析出的固体结晶盐从设置在第六级蒸发水槽底部的第一出口排出。经过膜曝气蒸发处理后所得产水为冷凝水的含盐量从120600mg/L降低到了480mg/L，产水为冷凝水的COD从3977mg/L降低COD为19mg/L符合《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》DB51/2311—2016。

Claims (10)

1.一种高含盐废水处理***，其特征在于，包括n个依次串联形成n级蒸发***的蒸发水槽(1)，设置在每级所述蒸发水槽(1)中的用于料液流入下一级蒸发水槽中的溢流管(4)，设置在每级所述蒸发水槽(1)上的用于排出本级产生的水蒸气的主集气管(5)，设置在第一级所述蒸发水槽(1)中的加热器(2)，设置在第一级所述蒸发水槽(1)上的第二进料口(14)，与所述第二进料口(14)连通的并向第一级蒸发水槽(1)提供料液的原料液管(21)，设置在第三级到第n级所述蒸发水槽(1)中并用于接收前隔一级的主集气管排出的水蒸气的第三换热器(10)，用于接收所述第三换热器(10)中产生的冷凝水的产水管(9)，其中，从第m-2级的主集气管排出的水蒸气在第m级的第三换热器中相变产生的热量作为第m级中料液主加热的热源，第三换热器中未冷凝的水蒸气汇入到本级的主集气管中，第n-1级和第n级中产生的水蒸气和空气通过同级的主集气管排出，3≤m≤n。

2.根据权利要求1所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述蒸发水槽个数n为6≤n≤20。

3.根据权利要求1所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述第三换热器(10)底部设有集水管(8)和第一副集气管(6)，所述集水管(8)连通到产水管(9)上，所述第一副集气管(6)连通到本级的主集气管(5)上。

4.根据权利要求3所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，还包括让每级中的料液产生微气泡的曝气装置(3)，所述曝气装置(3)包括设置在每级蒸发水槽内的曝气膜组件(22)，以及与所述曝气膜组件(22)均连接的并向曝气膜组件提供空气的气管(13)。

5.根据权利要求4所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述曝气膜组件(22)由疏水性中空纤维膜制成。

6.根据权利要求5所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述第n级和第n-1级中的集水管(8)在汇入产水管(9)之前设置有连通到同级的主集气管上的第二副集气管(7)。

7.根据权利要求6所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述原料液管路上沿原料液的流向依次设置第一换热器(12)和第二换热器(11)，所述第一换热器(12)与产水管(9)连接，所述第二换热器(11)与第n级和第n-1级中的主集气管(5)连接，设置在所述第二换热器(11)上的并连接到第一换热器(12)的混合气管(20)。

8.根据权利要求7所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述第一换热器(12)上设有用于排放空气和未冷凝水蒸气的第二出口(17)、用于冷凝水作为产水排放的第三出口(18)和用于料液进入的第一进料口(15)。

9.根据权利要求8所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，还配置有与所述第一出口(16)对应设置的收集槽(19)。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种高含盐废水处理***，其特征在于，所述n级蒸发水槽采用从上往下多层串联或同一平面上单层串联。

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