一种基于膜技术的页岩气开采废水的处理工艺的制作方法

本发明涉及一种基于膜技术的页岩气开采废水的处理工艺。

背景技术：

页岩气是一种以吸附、溶解、游离状态赋予泥页岩中的清洁、低碳、非常规天然气资源。页岩气开发具有开采寿命长、产量高和生产周期长的优点，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点。页岩气井多采用大规模水力压裂，其技术原理是利用储层的天然裂缝或人为诱导产生裂缝系统，将其含有各种添加剂的压裂液在高压下注入地层，进一步扩大储层裂缝网络，再通过支撑剂支撑裂缝来改善储层裂缝网络系统，从而达到增产的目的。其中，以清水压裂为主，清水压裂液成本低、岩石渗透率高、易于彻底清洁进入气层，尤其在低渗透油气藏储层改造中显示出良好的效果。然而，清水压裂有以下缺点：1.水平井和水力压裂技术需要消耗大量的淡水资源；2.页岩气开采产生的废液包含复杂的成分，如重金属、污垢等；3.甲烷作为天然气的主要成分会释放进入水体而造成污染。因此，页岩气开采对淡水的大量需求已与农用和家用水形成竞争，加剧了淡水资源缺乏的现状。

地下水污染是页岩气开采中面临的另一大问题，根据国土资源部的统计，我国已经有90％的地下水被污染，地下水污染可能通过农业灌溉进入食物，而被人们食用，危害人们身体健康。

选用合适的方式对页岩气开采废水回收处理，既是保护我国良好的水域生态、自然环境的需要，也是稳定发展国民经济的需要。

膜分离技术集成由于无相变、低能耗、设备模块化、操作方便安全、启动快、运行可靠性高、不污染环境、投资少等优点，而广泛应用于各领域中用于物质的分离和提纯。在废水治理方面，膜分离技术已得到了广泛的重视，对于页岩气开采废水这样的高浓度有机废水，常用的工艺流程为过滤-沉淀-RO膜处理，这种处理方式虽然结构简单，操作简便，但会存在以下不足：首先，过滤后的有机污水进入沉淀池，经沉淀，在沉淀池产生大量的淤泥，提高了单独进行淤泥处理的成本；另外，过滤+沉淀组合的处理方式处理污染物的能力低，经过滤及沉淀后的产出液仍然含有大量的污染物及胶体，当进行RO膜处理时，极易导致RO膜堵塞，使RO膜处理效率降低。针对上述情况，本领域技术人员又提出采用生化-物化-RO膜的工艺方法进行高浓度有机污水处理。这种处理方式工艺复杂，当有机废水的浓度提高时容易出现污染物的处理不彻底，难以达到回用的标准。使用膜分离集成技术进行废水处理的一个难点是如何减少分离步骤，简化工序的同时对膜分离后的浓缩物进行处理，实现真正意义上的零污染排放。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于膜技术的页岩气开采废水的处理工艺，用以解决简化处理工艺和零污染排放不能兼顾的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于膜技术的页岩气开采废水的处理工艺，所述的页岩气开采废水被收集于浓缩池中，其pH值为7～9，耗氧量小于等于435ppm，铁离子含量小于等于6.2ppm，钾离子含量小于等于152ppm，钠离子含量小于等于8330ppm，锶离子含量小于等于79ppm，锌离子含量小于等于0.1ppm，氯化物小于等于13300ppm，氨氮含量小于等于33.3ppm，所述处理工艺包括⑴浓缩：在浓缩池中，加入化学试剂使金属离子沉淀使得所述页岩气开采废水的总硬度小于50ppm，调节pH值至6～9，还包括对经过步骤⑴处理后的页岩气开采废水依次进行如下步骤的处理：

⑵管式纳滤膜分离：将步骤⑴处理后的所述页岩气开采废水通入管式纳滤膜设备，保持所述页岩气开采废水的流量在1～1.2m³/h，进行分离获得透过液和浓缩液，所述管式纳滤膜设备选用能够截留有机物和高价离子而允许一价离子透过的纳滤膜，所得的浓缩液的一部分在所述管式纳滤膜设备中循环，剩余部分回流至浓缩池中；

⑶反渗透膜分离：所述反渗透膜分离是使管式纳滤膜分离所得的透过液连续通过反渗透膜分离系统进行反渗透膜分离获得浓水和产水，反渗透膜分离得到的产水可直接用于页岩气清水压裂工艺，保持反渗透膜分离得到的浓缩液流量为0.25m³/h进入二次蒸汽机械压缩蒸发器，蒸汽经冷凝回收可直接用于页岩气清水压裂工艺，结晶物分离后回收。

所述反渗透膜分离系统包括进液泵系统、反渗透膜装置以及浓缩液循环排放系统，所述进液泵系统包括低压泵系统和高压泵系统，所述低压泵系统包括超滤水箱、超滤水泵和保安过滤器，步骤⑵管式纳滤膜分离的透过液进入超滤水箱超滤出水，然后经过超滤水泵进入保安过滤器，保安过滤器过滤透过液中粒径大于等于5um的颗粒，防止大颗粒物进入反渗透膜装置，所述高压泵系统包括换热器和高压柱塞泵，过滤后的透过液经过换热器进行温度调节然后进入高压柱塞泵，高压柱塞泵将透过液泵入反渗透膜装置，在高压柱塞泵的作用下渗析出浓水和产水，浓缩液循环排放系统控制循环废水的量及调整压力，控制浓水排放的流量为0.25m³/h，产水可直接用于页岩气清水压裂工艺。

作为优选，步骤⑴的具体过程为：将页岩气开采废水在浓缩池中加入化学药剂使大部分的金属离子转化为固态沉淀物，经过压滤机进行固液分离，所得液态物质回流至浓缩池。

作为优选，控制液态物质的污染指数小于等于3。

作为优选，所述化学物质选自碳酸钠、氢氧化钠或氧化钙。

作为优选，所述反渗透膜采用管网式渗透膜。

作为优选，进行管式纳滤膜分离时，控制透过液和浓缩液比例为4:1。

作为优选，所述浓缩液循环排放系统为截止阀，截止阀设置在浓水端控制反渗透膜内的压力。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明的处理工艺省略了传统工艺的预处理和生化步骤，节约了生产成本，以较低的成本实现了真正意义上的零污染排放。

附图说明

图1是本发明一具体实施例的基于膜技术的页岩气开采废水的处理工艺流程图；

图2是本发明一具体实施例的反渗透膜分离的处理工艺流程图；。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例所涉及的页岩气开采废水的水质如下：

pH值：7～9

耗氧量≤435ppm

铁离子含量≤6.2ppm

钾离子含量≤152ppm

钠离子含量≤8330ppm

锶离子含量≤79ppm

锌离子含量≤0.1ppm

氯化物≤13300ppm

氨氮含量≤33.3ppm

参见图1和图2所示的工艺流程，本发明处理工艺主要步骤如下：

⑴浓缩：将页岩气开采废水在浓缩池中加入碳酸钠、氢氧化钠或氧化钙使大部分的金属离子转化为固态沉淀物，使得所述页岩气开采废水的总硬度小于50ppm并调节pH值至6～9，页岩气开采废水经过压滤机进行固液分离，所得液态物质回流至浓缩池。所涉及的页岩气开采废水经过上述处理工艺处理后，水质如下：

耗氧量≤300ppm

SDI₁₅≤3

铁离子含量≤0.1ppm

氯化物≤0.05ppm

⑵管式纳滤膜分离：将步骤⑴处理后的清液通入管式纳滤膜设备，保持清液的流量在1～1.2m³/h，进行分离获得透过液和浓缩液。所述管式纳滤膜设备选用能够截留有机物和高价离子而允许一价离子透过的纳滤膜，所得的浓缩液的一部分在所述管式纳滤膜设备中循环，剩余部分回流至浓缩池中，控制透过液和浓缩液比例为4:1。

⑶反渗透膜分离：所述反渗透膜分离是使管式纳滤膜分离所得的透过液连续通过反渗透膜分离系统进行反渗透膜分离获得浓水和产水，反渗透膜分离得到的产水的TDS≤1000ppm，可直接用于页岩气清水压裂工艺，保持反渗透膜分离得到的浓水流量为0.25m³/h进入二次蒸汽机械压缩蒸发器，蒸汽经冷凝回收可直接用于页岩气清水压裂工艺，结晶物分离后回收。

所述反渗透膜分离系统包括进液泵系统、反渗透膜装置以及浓缩液循环排放系统，所述反渗透膜装置采用管网式渗透膜，所述进液泵系统包括低压泵系统和高压泵系统，所述低压泵系统包括超滤水箱、超滤水泵和保安过滤器，步骤⑵管式纳滤膜分离的透过液进入超滤水箱超滤出水，然后经过超滤水泵进入保安过滤器，保安过滤器过滤透过液中粒径大于等于5um的颗粒，防止大颗粒物进入反渗透膜装置，所述高压泵系统包括换热器和高压柱塞泵，过滤后的透过液经过换热器进行温度调节然后进入高压柱塞泵，高压柱塞泵将透过液泵入反渗透膜装置，在高压柱塞泵的作用下渗析出浓水和产水，浓缩液循环排放系统控制循环水的量及调整压力，控制浓水排放的流量为0.25m³/h，产水可直接用于页岩气清水压裂工艺。

所述浓缩液循环排放系统为截止阀，截止阀设置在浓水端控制反渗透膜内的压力。

纳滤膜和反渗透膜的浓缩倍数为4倍，所述页岩气开采废水经过上述处理工艺后，回收率为75％。本发明的处理工艺省略了传统工艺的预处理和生化步骤，节约了生产成本，以较低的成本实现了真正意义上的零污染排放。

本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。