本实用新型涉及工业污废水处理领域，具体涉及页岩气压裂返排废液车载一体化处理设备。
背景技术：
页岩气是一种以吸附、溶解、游离态存在于页岩中的一种清洁、低碳的非常规能源。同时页岩气具有开发寿命长、产量高的优点，经成为全球油气资源勘探开发的“新宠儿”。目前，我国页岩气的开发利用还是以水力压裂为主。同时，随着页岩气压裂井次的不断增加，压裂作业过程排出残余废压裂液也在不断增加。具有关统计，我国页岩气开采每年排放的压裂废液高达100万吨左右，并且每口页岩气生产井压裂返排废液约30～50m3/d。压裂返排液成分十分复杂，往往含有大量的金属离子(如钙、镁、钡、锶等)、有机物、固体杂质等，现出高COD、高稳定性、高黏度、高含盐量、刺激气味强烈以及难降解等特点。这些物质进入环境后，如果处置不当，将会给生态环境造成极大的危害。因此，压裂返排废液处理成为页岩气开发利用过程中的一个关键环境问题。
随着人们对于环境问题不断的关注以及国家对环境控制的要求，对页岩气开采过程中所产生的压裂废液进行高效、低成本处理成为页岩气开发利用的迫切需求。一体化污水处理设备相对于传统处理设备而言总体积小，占地少，抗冲击负荷能力较强，污泥量较少易处理，出水水质稳定，水泵中可设于设备之中，工程投资小，而目前的污水处理少有专门针对页岩气压裂废液而设计的一体化处理设备。压裂返排液具有的高金属离子含量，高COD，高含盐量、高稳定性、难降解等特点，使得常规一体化处理设备难以对其进行有效处理。本实用新型旨在针对压裂返排废液本身具有成分复杂、多变性和分散性的特点，从经济和技术上可行来开发一种实用、有效和低成本的页岩气压裂返排废液车载一体化处理设备，实现废液减量化，且能因地制宜，便于移动，有一定灵活性。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于针对现有页岩气开采压裂返排废液处理量大的问题，提供一种处理效果好、操作简便、便于移动、处理成本低的车载一体化处理设备，重点是实现废液减量化，以解决我国页岩气开采行业压裂返排废液处理的难题。
本实用新型提出的一种页岩气压裂返排废液车载一体化处理设备，由压裂返排废液处理装置和机动车底盘构成。
压裂返排废液处理装置包括：依次由管道连通的混凝灌、Fenton反应罐、压滤机、沉淀池、砂滤罐、带循环列管蒸发器的蒸发器、蒸汽锅炉、水软化设备和软化水箱；分别采用PAC加药机和碳酸钠(Na2CO3)加药机与混凝灌相连；采用分别投加硫酸亚铁、硫酸、双氧水的3台加药机与Fenton反应罐相连，采用1台氢氧化钠加药机向安装在管路上的静态混合器加药，沉淀Fenton反应后废液中的Fe3+；在管道上设置相应阀门和抽水泵，在蒸发器底部设排水管。设备包括与Fenton反应罐相连的Fenton反应罐进水水量调节罐；与砂滤罐相连的砂滤罐进水水量调节罐；与砂滤罐和砂滤罐进水水量调节罐相连的砂滤罐进水高位配水箱。
整个压裂返排废液处理装置都通过连接固件固定到机动车底盘上。
其中循环列管大气蒸发器为方型或圆形塔状结构，蒸发器的塔内设置轴流式大功率风机、收水器、布水器、循环列管加热器、填料区和循环集水箱，塔外设置抽水泵；所述轴流式大功率风机设在蒸发器顶部出口处，风机的功率需保证蒸发器出口风速达到12-20m/s；布水器设在蒸发器上部，收水器安装在布水器与轴流式大功率风机之间；蒸发器中部为填料区，填充有蜂窝状结构的耐高温的防腐材料，循环列管加热器布置在填料区中，周围由填料包围，所述循环列管加热器与塔外热源联通，循环列管的长度及层数由所需换热量计算得到；蒸发器下部设置进风口，蒸发器底部设置循环集水箱。
进一步，压滤机分别于Fenton反应罐进水水量调节罐和砂滤罐进水水量调节罐串联连通，设有去液抽水泵。
进一步，压滤机与沉淀池串联连通，设有来液抽水泵。
进一步，砂滤罐与带循环列管蒸发器的蒸发器串联连通，设有去液抽水泵。
进一步，砂滤罐与砂滤罐进水水量调节罐和砂滤罐进水高位配水箱并联，同时调节砂滤罐水量。
进一步，该设备所有的加药装置均为自动计量加药装置。
进一步，压滤机的污渣排放口设有收渣箱。
本实用新型与现有技术相比，优点在于：
1、本实用新型利用化学混凝-Fenton深度氧化-物理压滤组合技术作为循环列管蒸发浓缩前处理步骤。混凝预处理后出水直接经压滤机压滤后进行后续Fenton深度氧化处理，深度氧化后的出水经沉淀后再循环回带式压滤机压滤，压滤出水后先进入砂滤罐，再进入蒸发器处理。通过化学混凝+Fenton深度氧化处理能有效去除废水中的绝大多数的有机物污染物和悬浮固体，经压滤实现固液分离，能够有效提高废水的蒸发效率，防止蒸发器结垢。
2、本发明特别采用了循环列管大气蒸发器作为蒸发浓缩设备，对物化处理后废水进行低温蒸发浓缩，大幅度减少废水外运量，能有效降低处理成本。本发明的大气蒸发器与现有技术常使用的蒸发器或冷却塔在结构上不同，在原理上也有本质区别。通常的蒸发器或冷却塔是通过低晗值的空气进入塔内，与温度较高的处理水流进行热交换后，高晗值的热风从顶部抽出，达到降温处理水水温的目的；而本发明的大气蒸发器是通过干燥的较高焓值的空气在大功率轴流风机作用下进入塔内，气体在塔内将热量传递给废水，提供废水蒸发所需的部分热量，之后低焓值高湿度的空气在被风机抽出，以此提高循环废水的蒸发量，达到浓缩的目的。循环列管大气蒸发器与传统蒸发器相比能大幅降低加热能耗。与用生物法进行后续处理相比，本方法的优点为处理设施较小、处理工艺简单、运行成本降低，对进水水质适用范围较广。用生物法处理时，高含盐量的废液可能会对微生物的生长有抑制作用，影响处理效果，而采用蒸发浓缩法则能避免此问题。且进行蒸发处理一方面能将废水进行减量化，有效降低处理成本，大幅度减少废水外运量；另一方面，将页岩气压裂废液浓缩，有利于后续外运处理时将废液中的金属盐类回收再利用，能有效解决页岩气压裂废液中含盐量较高的问题，将废液中的金属盐类资源化。
本大气蒸发器具有几个明显的结构创新，具体分析如下：
(1)本蒸发器必须要采用大功率风机，即要保证蒸发器出口风速达到12-20m/s，这是因为本蒸发器要达到的目的是：废水蒸发所需要的能量不是全部由加热列管提供，而是设计加热列管仅提供一部分蒸发所需热量，另一部分由大功率风机抽入的大量焓值较高的空气提供。即在大气蒸发器中，废液蒸发的所需的热量一部分由空气传热提供，一部分由循环列管加热提供。由于液体蒸发速度与液体表面空气流速有关，水膜液面空气的流动速度越大，越有利于加快蒸发速率，因此通过大功率风机，利用其风速高、气体通量大的优势，加强空气流通，提高水面空气的流动速度，使逸出的水蒸气分子迅速扩散，维持蒸发扩散动力为常数，不使其降低，可提高蒸发器内气体流量与气体流速，从而提高蒸发效率，这样能节省加热能耗，总能耗较全由加热列管加热提供废水蒸发所需热量的能耗大幅降低，这实质是本蒸发器原理上的创新。
(2)为了提高大功率风机抽入的空气的焓值，蒸发器的进风先会经过蒸发器一侧设置的进风筒，进风筒内设置有空气干烧管，对进入蒸发器内的空气进行加热，进一步提高空气的焓值且使进风保持干燥，从而有利于蒸发器内部的蒸发效率提高。
(3)本蒸发器的循环列管布置在填料区中，而不是分开布置，当废水淋入填料区时会获得一个较长的滞留时间，这个时间能同时被循环加热列管利用，加长对废水的加热时间，同时填料区表面积大，废水形成水膜后传热面积增大，能提高加热效率。
(4)本蒸发器对通过循环水泵提升循环喷淋的废水，不先进行额外加热来提高蒸发效率，是因为如果废水先被加热，废水温度会比空气温度高很多，水的热量会传递给温度较低的空气，造成热量损失，而废水蒸发过程是一个吸热过程，这种情况出现会不利于废水的蒸发，本蒸发器的废水循环是采用循环泵自然循环，同时将蒸汽加热列管放入填料区中，不会造成空气与废水之间的温差，从而减少不必要的热损失。另外，大气蒸发器设置有带有空气干烧管的进风筒，能对进入蒸发器的空气先一步进行加热，提高进入蒸发器空气的焓值，进入的空气将热量传递给废水会更有利于废水蒸发吸热。
(5)本大气蒸发器内采用了蜂窝状结构且耐高温防腐材料的填料，使用寿命长，蜂窝状结构填料比表面积大，一方面能有效增加废水与空气间的接触面积，使水分子逸出机会增多，另一方面，增大了换热面积，加快了蒸发速度。
3、本实用新型构造简单，安装方便，无需现场构建反应池和其它构建筑物等，极大的降低了投资成本。
4、本实用新型运行维护成本低，流程短，使用寿命长，整套工艺流程可以实现自动化控制，大大极少人员配置。
5、本实用新型采用撬装式车载平台，拆卸组装方便，实现流动作业，作业效率较高，同时可多套设备并联运行，极大的增加了压裂返排废液的处理量，扩大了其适应范围。
6、本实用新型集就地取水，就地处理，就地回用于一体，机动性强，能广泛的应用于页岩气开采的各种场地。
附图说明
图1是页岩气压裂返排废液车载一体化处理设备的示意图。
图2是一种具体结构的循环列管大气蒸发器的结构示意图。
图3是另一种具体结构的循环列管大气蒸发器的结构示意图。
图中，1—混凝灌；2—提升泵；3—Fenton反应罐；4—沉淀池；5—砂滤罐；6—PAC加药机；7—静态混凝器；8—碳酸钠加药机；9—循环列管大气蒸发器；10—压滤机；11—双氧水加药机；12—硫酸铁加药机；13—硫酸加药机；14—氢氧化钠加药机；15—Fenton反应罐进水水量调节罐；16—砂滤罐进水水量调节罐；17—砂滤罐进水高位配水箱；18—抽水泵；19—机动车底盘；20—循环水池；901—轴流风机；902—外壳；903—收水器；904—布水器；905—喷嘴；906—循环列管换热器；907—填料；908—进风格栅；909—流量计；910—循环水泵；911—循环给水箱；912—自动补水器；913—排水口；914—底座；915—压力表；916—观察窗；917—进风筒支架；918—进风筒；919—空气干烧管。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的结构：
如图1所示，页岩气压裂返排废液车载一体化处理设备由压裂返排废液处理装置和机动车底盘19构成。当设计处理水量在5m3/h时，整套一体化处理设备长约为8m，宽约为2.4m，运输车上设备最高处离地不超过4.2m，便于运输车装载、运输和移动。
压裂返排废液处理装置包括依次由管道连通的混凝灌1、Fenton反应罐3、带式压滤机10、沉淀池4、砂滤罐5、带循环列管蒸发器的蒸发器6、循环水池20；分别采用PAC加药机6和碳酸钠(Na2CO3)加药机10与混凝灌相连；采用3台加药机11、12、13(分别投加硫酸亚铁、硫酸、双氧水)分别与Fenton反应罐相连，采用1台氢氧化钠加药机14向安装在管路上的静态混合器7加药，沉淀Fenton反应后废液中的Fe3+；在管道上设置相应阀门和抽水泵，在蒸发器底部设排水管。
还包括与Fenton反应罐相连的Fenton反应罐进水水量调节罐15；与砂滤罐相连的砂滤罐进水水量调节罐16；与砂滤罐和砂滤罐进水水量调节罐相连的砂滤罐进水高位配水箱17。
参见图2，循环列管大气蒸发器9的外壳902为方柱型塔状结构，塔内设置轴流风机901、收水器903、布水器904、循环列管加热器906、填料床907和循环集水箱911，塔外设置抽水泵910。
其中，轴流风机901设在蒸发器顶部，为轴流式大功率风机，风机功率需要保证蒸发器出口风速达到12-20m/s。
布水器904设在蒸发器上部，由呈树枝状布置的配水干管和支管及喷嘴组成，喷嘴采用大流量雾化喷嘴，补水管直径和喷嘴规格根据设计水量选用，喷嘴数量及布置方式由布水流量和单个喷嘴喷水流量确定。
收水器903安装在布水器904与轴流风机901之间，为耐腐蚀材质，制作为波浪形。
循环列管加热器906安装在蒸发器中部，采用带翅片防腐且耐高温、高压不锈钢或紫铜管制作，外形为“U”型盘管结构，循环列管的长度及层数由所需换热量计算得到，确保大流量的流体强压循环，循环列管加热器与塔外的热源蒸汽锅炉10联通，热源来自于蒸汽锅炉。
填料床907采用耐高温的防腐材料制成，蜂窝状结构，其充填于循环列管加热器的盘管间。蒸发填料床有较宽通道，并且整个蒸发过程中达不到结晶条件，不会造成填料床堵塞，易于拆卸、冲洗和日常维护。
进风格栅908设置在蒸发器下部设置，循环集水箱911位于蒸发器底部。
以上结构外部采用防腐材料封装，形成循环列管大气蒸发器机组外壳902。
图3为循环列管大气蒸发器9的另一种结构形式，其在图2的基础上，增加了进风筒918，目的是提高抽入塔内的空气的温度。进风筒918与蒸发器于蒸发器下部进口处连通，进风筒外壳与蒸发器外壳连接处密封但可拆卸，非连接一侧用防腐材料密封，进风筒由支架917支撑，进风筒顶部同时需安装进风格栅，进风筒中安装空气干烧管919。
压裂返排废液处理过程主要由四个部分组成：
(1)混凝预处理：将压裂返排液泵入混凝预处理罐1中，用加药机9和加药机8向压裂返排液废水中加入铝系聚合氯化铝(PAC)和碳酸钠(Na2CO3)进行混凝预处理，使Ca2+、Mg2+离子形成沉淀，同时去除废水中的浊度、悬浮物压裂液残余成分、原油等杂质。所述混凝预处理絮凝过程的水力停留时间为15±5min。
(2)Fenton氧化：混凝预处理后出水采用螺杆泵泵入压滤机10压滤，实现固液分离，滤出废水由泵流入Fenton反应罐水量调节罐15，再流入Fenton反应罐3，用加药装置11、12、13向Fenton反应罐投加硫酸亚铁、硫酸、双氧水。H2O2在Fe2+离子的催化作用下通过Fenton氧化进一步将废水中的难降解有机物深度氧化降解，反应时间为1.25±0.25h。
(3)沉淀过滤：将经过Fenton氧化后的废水流入沉淀池4，流动过程中通过安装在管路中的静态混合器7由NaOH加药装置14向Fenton反应后的废水中投加NaOH沉淀水中的Fe3+离子，溶液经沉淀池沉淀后通过压滤机再次进行固液分离，滤液由泵进入砂滤罐进水水量调节罐16，再进入砂滤罐进水高位配水箱17，最后流入砂滤罐5。
(4)蒸发浓缩：出砂滤罐后的废水泵入循环列管蒸发器6进行蒸发浓缩。同时，为提高蒸发效率，设置循环水池，利用循环水泵将水循环起来，循环喷洒废水。产生的蒸汽以滤后废水作为冷凝水的废水冷凝器冷凝进行回用；浓缩后的处理水使用罐车进行外运处理。蒸发器中设计处理水量与循环水量的比例为1:10，设计蒸发效率为50％。
采用本设备对四川省某页岩气开采井压裂返排废液进行处理，处理过程中各阶段水质情况见表1。
原水COD为565mg/L，硬度3710mg/L，总溶解性固体1.52×104g/L，氯化物1.72×104mg/L，设计处理量为5m3/h。混凝预处理和带式压滤机部分，混凝池水力停留时间为15min，投加聚合氯化铝为3.75kg/h，Na2CO3投加量为18.55kg/h.Fenton氧化处理部分，FeSO4·7H2O投加量为1.25kg/h，H2O2投加量为3.14kg/h，H2SO4投加量为0.25g/h，NaOH投加量为0.54kg/h，氧化反应时间为1.25h，斜板沉淀池停留时间为3h，处理后出水水质为COD为72mg/L，硬度31.32mg/L，总溶解性固体为16.06g/L。循环列管蒸发器进行蒸发浓缩处理部分，设计蒸发量为50％。
表1压裂返排液各阶段处理后水质分析表