CN113121070A - 一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波液相放电‑曝气生物滤池耦合装置及使用方法，属于油田压裂返排液处理技术领域。该耦合装置的反应器顶部设有进水口，底部设有排液口，且反应器上部分为微波液相放电处理单元，下部分为曝气生物滤池处理单元：微波液相放电处理单元的等离子体激发装置包括波导管和石英，波导管一端与微波发生器连接，另一端设在反应器微波液相放电处理单元部分的反应器侧壁上，石英设在波导管内且石英外表面上设有多个凹槽；曝气生物滤池处理单元，自下而上依次设有曝气装置、承托板以及滤料。本发明采用微波液相放电‑曝气生物滤池耦合工艺的形式处理油田难降解废水，在提高处理效率的同时，能够保证较低的运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及油田压裂返排液处理技术领域，具体涉及一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置及使用方法。
背景技术
目前，我国油藏探明储量中低/特低渗透油田占比为60％，开采低/特低渗透油田对于缓解能源紧张具有一定意义。但是，低渗透油田具有低丰度、低压、低产的特点，开采难度较大，油田压裂作业成为油田增产的有效方式。由于大规模采用复杂性较高的压裂作业，造成压裂返排液排放量不断增高。压裂返排液成分复杂，主要包括胍胶、甲醛、石油类和苯系物，如果处理不当会对油田周围的生态环境产生重大影响。
随着压裂作业的大规模推广，越来越多的压裂返排液需要进行处理，其外排和回用处理方式需要达到较高的水质处理标准。但是，压裂返排液成分复杂，化学性质稳定，目前的处理工艺较复杂，处理成本高，处理效果差，对于压裂返排液的处理依然缺乏较为成熟的成套工艺。因此，开发高效率、低能耗的处理工艺对于油气开发具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置及使用方法。
本发明的目的之一是提供一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，包括反应器，所述反应器顶部设有进水口，底部设有排液口，且反应器上部分为微波液相放电处理单元，下部分为曝气生物滤池处理单元：
微波液相放电处理单元，包括微波发生器和等离子体激发装置，所述等离子体激发装置包括波导管和石英，所述波导管一端与微波发生器连接，另一端设在反应器微波液相放电处理单元对应的反应器侧壁上，所述石英设在波导管内且石英外表面上设有多个凹槽；
曝气生物滤池处理单元，自下而上依次设有曝气装置、承托板以及滤料，曝气装置与氧气供应装置连接，承托板上设有孔径，且孔径小于滤料直径。
较佳地，波导管为矩形波导管。
较佳地，进水口连接有缓冲水箱。
较佳地，滤料为海绿石滤料。
较佳地，反应器底部还设有反冲洗进水口，滤料上方的反应器侧壁上设有反冲洗出水口，所述排液口和反冲洗进水口均位于曝气装置的下方。
反应器的底部还设有排渣口。
本发明的目的之二是提供上述微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置的使用方法，包括以下步骤：
S101、油田压裂返排液经反应器的进水口注入到该反应器内，油田压裂返排液的注入流速控制在9×10-7m3/s；
S102、打开微波发生器和曝气装置控制电源，调节微波发生器的输入功率，调节曝气装置使反应器顶部的溶解氧为3～4mg/L；
S103、油田压裂返排液经过微波液相放电处理单元处理后，废水在重力作用下向下流动，废水经滤料及曝气装置再次处理；
S104、处理后的废水经过排液口被排放到反应器外部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的耦合装置利用微波在油田压裂返排液中放电产生等离子体，等离子体中的高能电子(5-20eV)可以将污水中有机大分子断键分解并引发后续的链式反应，这此过程中产生了大量的分子碎片，其中包含了具有高氧化电位的·OH、·O，氧化电位分别为2.8V、2.42V，这些活性粒子可以进一步攻击周围的大分子有机物，使其氧化分解。通过合理控制等离子体处理时间，达到可生化性的最低要求，实现快速、高效、节能预处理的目的。
本发明采用微波液相放电-曝气生物滤池耦合工艺对油田压裂返排液进行处理。经过微波放电处理后，油田压裂返排液中的大分子物质得到有效降解，废水COD显著降低，废水的可生化性得到提高。因此，经微波液相放电处理后的油田压裂液适宜采用生物工艺对其进行后续处理。处理后的压裂返排液经曝气生物滤池处理单元强化处理后，水质较好，能够满足油田回注水标准。
在本发明中，采用微波液相放电-曝气生物滤池耦合工艺的形式处理油田难降解废水，在提高处理效率的同时，能够保证较低的运行成本。具有较高的实施和推广价值。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图；
图2为本实施例等离子体激发装置的内部结构示意图；
图3为本实施例耦合工艺对COD的降解效能图；
图4为本实施例耦合工艺对含油量的降解效能图；
图5为本实施例耦合工艺对悬浮物的降解效能图；
图6为本实施例耦合工艺对氨氮的降解效能图；
图7为本实施例耦合工艺中各项指标去除率；。
附图标记说明：
1.反应器，2.进水口，3.排液口，4.微波发生器，5.等离子体激发装置，6.波导管，7.石英，8.曝气装置，9.承托板，10.滤料，11.凹槽，12.缓冲水箱，13.反冲洗进水口，14.反冲洗出水口，15.排渣口，16.等离子体。
具体实施方式
下面结合附图1-2，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供的一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置及使用方法，包括包括反应器1，所述反应器1顶部设有进水口2，底部设有排液口3，且反应器1上部分为微波液相放电处理单元，下部分为曝气生物滤池处理单元：
微波液相放电处理单元，包括微波发生器4和等离子体激发装置5，所述等离子体激发装置5包括波导管6和石英7，所述波导管6一端与微波发生器4连接，另一端设在反应器1微波液相放电处理单元对应的反应器1侧壁上，所述石英7设在波导管6内且石英7外表面上设有多个凹槽11；
曝气生物滤池处理单元，自下而上依次设有曝气装置8、承托板9以及滤料10，曝气装置8与氧气供应装置连接，承托板9上设有孔径，且孔径小于滤料10直径。
其中，波导管6为矩形波导管。
其中，进水口2连接有缓冲水箱12。
其中，滤料10为海绿石滤料。
其中，反应器1底部还设有反冲洗进水口13，滤料10上方的反应器1侧壁上设有反冲洗出水口14，所述排液口3和反冲洗进水口13均位于曝气装置8的下方。
反应器1的底部还设有排渣口15。
实施例2
上述微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置的使用方法，包括以下步骤：
S101、油田压裂返排液经反应器1的进水口2注入到该反应器1内，油田压裂返排液的注入流速控制在9×10-7m3/s；
S102、打开微波发生器4和曝气装置8控制电源，调节微波发生器4的输入功率，维持功率在2000W以上，调节曝气装置8使反应器1顶部的溶解氧为3-4mg/L；
S103、油田压裂返排液经过微波液相放电处理单元处理后，废水在重力作用下向下流动，废水经滤料10及曝气装置8再次处理；
S104、处理后的废水经过排液口3被排放到反应器1外部。
该耦合工艺在运行时，首先打开缓冲水箱的控制开关，油田压裂返排液经过耦合工艺的进水口注入到该耦合工艺反应器内，控制进水流速9×10-7m3/s；；打开微波发生器和曝气装置控制电源，同时调节微波发生器的输入功率；由于曝气装置的曝气作用，反应器内部充满大量气泡，调节曝气装置的功率，使反应器顶部的溶解氧为3～4mg/L；注入反应器内的油田压裂返排液首先经过微波液相放电处理单元处理，微波等离子体激发装置的凹槽处放电产生大量的高能电子、自由基、活性原子、分子等可以有效降解油田压裂返排液中胍胶等大分子物质；微波放电间隔为40min，持续放电时间为20min。经过微波液相放电处理单元处理后，废水经重力作用被转移至曝气生物滤池处理单元，其内部海绿石滤料上附着较多的微生物菌胶团，对有机物有较强的吸附降解能力；最后处理后的废水经过最终出水口被排放到反应器外部；该反应器的水力负荷为3.1×10-3m3/h，其容积负荷可达5kg COD/(m3·h)；在反应器底部设置排渣口，排渣周期为144h；每运行一段时间，需要对曝气生物滤池处理单元进行反冲洗处理，反冲洗过程中，反冲洗清水经由反冲洗进水口注入到曝气生物滤池处理单元底部，反冲洗水的流速为2.7×10-6m3/s，曝气生物滤池处理单元中的海绿石滤料经水力冲刷作用，使其再生过滤和处理能力，反冲洗清洗水经过反冲洗出水口排出体系外，控制反冲洗的周期为70h，每次冲洗时间为2h。
本实施例采用微波液相放电-曝气生物滤池耦合工艺；曝气生物滤池底部提供大气水比曝气方式，在保证滤池溶解氧要求的同时，为顶端的微波放电单元提供放电气源；本实施例的海绿石滤料，便宜易得，有较高的孔隙率和生物附着性；本实施例耦合工艺反应器底部为斜板形式，设置排渣口，提升最终出水水质。
本实施例放电-生物耦合结合的优势在于，微波激发等离子体是在凹槽附近的气体鞘层中产生，而滤池底部设置的曝气装置可以不断为放电提供气源，因此降低了等离子体的点火功率，节约了能耗。同时，压裂返排液碱度较高，其中的碱性物质作为电解质有利于进一步降低点火功率，在提高能量利用效率的同时，避免了酸催化反应的发生，放电产生的液相产物相对简单，有利于微生物的后续处理。
降解实验
采用有效容积为16L的耦合工艺反应器对油田压裂返排液进行降解实验。每3天取样测定耦合工艺对返排液污水中的COD、石油类物质、悬浮物固体、氨氮。实验数据如图3-7所示。该耦合工艺中，微波放电对COD的去除效果相比于其他指标较差，仅为9.8％，对氨氮的处理效果相对较好，达到47.3％。含油量和悬浮物的去除率分别21.6％和23.1％。虽然微波放电对各项指标的去除相对较低，但是其中的高能自由基对胍胶等大分子物质启动较好的断链效果，将较大分子的胍胶转化为较小的分子形式，使其后续可以被生物滤池继续处理，其中生物处理单元对COD、含油量、悬浮物以及氨氮的去除率可分别达到了70.0％、57.1％、74.4％和51.9％。最终出水中COD、含油量、悬浮物以及氨氮分别达到了79.7％、78.7％、97.5％和99.1％，各项指标都取得了较高的处理效果。该耦合工艺改善了油田压裂返排液中大分子物质难于被生物处理工艺降解的难点问题，为油田压裂返排液处理提供了新的工艺组合形式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，包括反应器(1)，所述反应器(1)顶部设有进水口(2)，底部设有排液口(3)，且反应器(1)上部分为微波液相放电处理单元，下部分为曝气生物滤池处理单元：
微波液相放电处理单元，包括微波发生器(4)和等离子体激发装置(5)，所述等离子体激发装置(5)包括波导管(6)和石英(7)，所述波导管(6)一端与微波发生器(4)连接，另一端设在反应器(1)微波液相放电处理单元对应的反应器(1)侧壁上，所述石英(7)设在波导管(6)内且石英(7)外表面上设有多个凹槽(11)；
曝气生物滤池处理单元，自下而上依次设有曝气装置(8)、承托板(9)以及滤料(10)，曝气装置(8)与氧气供应装置连接，承托板(9)上设有孔径，且孔径小于滤料(10)直径。
2.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，所述波导管(6)为矩形波导管。
3.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，所述进水口(2)连接有缓冲水箱(12)。
4.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，所述滤料(10)为海绿石滤料。
5.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，所述反应器(1)底部还设有反冲洗进水口(13)，滤料(10)上方的反应器(1)侧壁上设有反冲洗出水口(14)，所述排液口(3)和反冲洗进水口(13)均位于曝气装置(8)的下方。
6.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置，其特征在于，所述反应器(1)的底部还设有排渣口(15)。
7.如权利要求1所述的微波液相放电-曝气生物滤池耦合装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、油田压裂返排液经反应器(1)的进水口(2)注入到该反应器(1)内，油田压裂返排液的注入流速控制在9×10-7m3/s；
S102、打开微波发生器(4)和曝气装置(8)控制电源，调节微波发生器(4)的输入功率，调节曝气装置(8)使反应器(1)顶部的溶解氧为3～4mg/L；
S103、油田压裂返排液经过微波液相放电处理单元处理后，废水在重力作用下向下流动，废水经滤料(10)及曝气装置(8)再次处理；
S104、处理后的废水经过排液口(3)被排放到反应器(1)外部。
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