一种超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化的处理设备

1.本发明属于压裂返排液无害化处理设备技术领域，尤其涉及一种超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化的处理设备。


背景技术：

2.水力压裂技术自1947年在美国试验成功以来，已经从简单的低排放压裂增产方式发展为成熟的增产技术，一项美国石油公司研究表明，如果没有水力压裂，未来10年美国国内的天然气产量将下降57％，石油产量将下降23％。基于多个数据库综合数据表明，从2012年到2014年间，美国通过水力压裂技术开采页岩气，每年用水量高达1.16亿方，并产生类似数量的压裂返排液。
3.压裂返排液包含各类化学添加剂，以及从储层中提取的盐、重金属、放射性核素、原油、天然气化合物及天然有机物等，使其具有污染物组分复杂、稳定性高、毒性大等特点。并且压裂返排液还具有返排量大、黏度高、水质颜色差、返排时间长等特点，导致压裂返排液无害化处理难度较大。
4.目前压裂返排液现场处理中，将气浮技术作为预处理方法应用最为广泛。与离心机、水力旋流器和平板分离器三种相比，气浮技术能更好地分离细小颗粒和油脂，且具有设备装置占地面积小，对油的密度要求低等优点。其基本原理是通过向压裂返排液中通入气体，并在重力影响下以微小气泡形式上浮，由于压裂返排液中的憎水性污染物表面容易附着气泡，使压裂返排液中的油脂、悬浮颗粒等污染物粘附在气泡上，随着气泡一起上浮到水面，形成泡沫——气、水、颗粒(油)三相混合体浮渣，通过刮渣板刮去浮渣达到分离污染物的目的。
5.功率超声是指超声波频率在20khz～100khz之间的超声波，将其作用在水中会产生一系列理化生效应。其中在超声处理压裂返排液应用中最主要的效应是空化作用，其基本原理是存在于液体中的微气泡在声场作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后闭合，在气泡闭合时产生冲击波，最终崩溃。空化作用形成的局部高温达5000k、压力达50mpa，使得水蒸气发生分裂和链式反应，产生羟基自由基，羟基自由基同难挥发的有机物进行氧化反应，降解为水和小分子物质。
6.光催化法是一种低成本、环境友好、反应条件温和并能有效去除压裂返排液中污染物的方法。其降解机理是：光催化材料在光的激发下，产生电子与空穴，然后空穴与氢氧根结合生成羟基自由基，而电子与氧气结合生成超氧自由基，这两种自由基都有很强的氧化性，可以将吸附在光催化材料表面的有机污染物氧化成二氧化碳、水等无机小分子，从而达到净化废水的目的。
7.然而，现有超声波气浮装置还存在产生的气泡速率过慢、气泡较大、破乳与分离效果不显著的问题；而压裂返排液无害化处理具有工艺复杂，设备占地面积广、能耗大、维修频率高等缺点。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化的处理设备，该处理设备结构简单、使用操作方便、无污染、能量利用率高、 cod和油脂去除效果显著。
9.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
10.一种超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化的处理设备，包括壳体，其特征在于所述壳体内设有斜挡板，所述斜挡板将壳体分隔为空化气浮区和光催化氧化区，所述空化气浮区和光催化氧化区通过上部连通，所述空化气浮区下部设有污泥区、排泥管，所述空化气浮区侧部与进水管连接，所述进水管设有臭氧进气口、水力空化装置，所述空化气浮区内部设有超声波换能器，所述壳体顶部设有刮渣板、排渣槽、排渣管，所述光催化氧化区下部设有出水管、排泥管。所述光催化氧化区内部设有光催化隔板、紫外线灯管。
11.进一步地，所述壳体为圆柱形，材质为碳钢，立式安装，具有较强的可移动性、占地面积较小。
12.进一步地，所述水力空化装置为文丘里管，所述文丘里管的组成结构包括长度各为20cm 的入口段、出口段和收缩段，长度为1mm的喉部，长度为70mm的扩散段，其中收缩角α为15
°
；扩散角θ为7
°
。
13.进一步地，所述斜挡板倾斜角度为60～80
°
，可使压裂返排液形成旋流，促进微小气泡与油脂聚合。
14.进一步地，所述超声波换能器通过超声波接线端与壳体外的超声波发生器相连。
15.进一步地，所述超声波换能器采用环形布置和轴向平行固定，并沿着圆周均匀布置8个超声波换能器。
16.进一步地，所述超声波换能器超声频率为20～60khz，超声功率为150～300w。
17.进一步地，所述刮渣板由刮渣电机驱动旋转，所述排渣槽用于收集刮渣板旋转来的浮渣并通过排渣管向外排出，所述刮渣板的材质为碳钢，刮渣速度0.02m/s，刮渣电机功率为0.75～ 2.5kw。
18.进一步地，所述光催化氧化区包括至少一个轴向平行固定于壳体的光催化隔板，所述光催化隔板包括基板，以及设置于基板两侧表面的光催化层，相邻光催化隔板之间形成流通道，相邻光催化隔板之间设置有紫外线灯管，所述紫外线灯管的功率为150w～200w，压裂返排液经过臭氧和光催化氧化剂tio2的共同处理后，将吸附在光催化隔板16表面的有机污染物氧化成二氧化碳、水等无机小分子。
19.本实用新型的优点和积极效果是：
20.1、科学高效。利用水力空化装置和超声装置同时产生的微气泡数量多、直径小，气浮效率高，可控性强。同时超声波产生的空化作用可以提高臭氧氧化压裂返排液中有机物的效率，并结合光催化氧化作用大大降低了压裂返排液中的cod值。
21.2、经济环保。在该处理设备中通入的臭氧不仅可以产生微小气泡用于气浮处理，还可以耦合超声波及紫外光氧化压裂返排液中的污染物，提高臭氧利用率，减少处理成本。
22.3、工艺简单、占地面积小。气浮技术和高级氧化技术作为污水处理中的一种成熟技术，其工艺和技术都可以应用到压裂返排液处理中。其次，可以根据不同技术的原理，将三种技术耦合使用，设计的一体化处理设备高效低能地处理压裂返排液，且该处理设备工
艺简单、所占面积较小。
附图说明：
23.图1超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化处理设备示意图
24.图2水力空化装置示意图
25.其中，1、臭氧进气口，2、进水管，3、水力空化装置，4、污泥区，5、排泥管，6、空化气浮区，7、超声波接线端，8、超声波换能器，9、壳体，10、刮渣板，11、刮渣电机，12、排渣槽，13、排渣管，14、光催化氧化区，15、紫外线灯管，16、光催化隔板，17、斜挡板， 18、出水管，19、排泥管，20、入口段，21、收缩段，22、喉道，23、扩散段，24、出口段。
具体实施方式：
26.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
27.一种超声气浮法结合光氧化压裂返排液一体化的处理设备，如图1所示，该处理设备包括壳体9，在壳体9内设有斜挡板17，所述斜挡板17将壳体9分隔为空化气浮区6和光催化氧化区14，具体地说，空化气浮区6和光催化氧化区14上部连通，所述空化气浮区6下部设有污泥区4、排泥管5，所述空化气浮区6侧部与进水管2连接，所述进水管2包括臭氧进气口1、水力空化装置3，所述空化气浮区6内部设有超声波换能器8，所述壳体9顶部设有刮渣板10、排渣槽12，所述光催化氧化区14下部设有出水管18、排泥管19，所述光催化氧化区14内部设有光催化隔板16、紫外线灯管15。
28.所述壳体9采用圆柱型，材质碳钢，立式安装，具有较强的可移动性、占地面积较小。
29.所述进水管2为切向分布管，压裂返排液从进水管2进入空化气浮区6，在进水管2内部设有水力空化装置3，其中水力空化装置3为文丘里管，所述水力空化装置3包括入口段 20、收缩段21、喉道22、扩散段23、出口段24，所述入口段20和出口段24长度为20cm、直径为4mm的管道，是为了压裂返排液在文丘里管的进出口处稳定流动，所述收缩段21长度为20mm，喉部24长度为1mm、直径为1mm，扩散段23长度为70mm，收缩角α为15
°
，扩散角θ为7
°
。所述进水管2上部设有臭氧进气口1，用于向壳体内鼓入臭氧，其中臭氧浓度为10～40mg/l。
30.所述污泥区4，在重力分离下沉淀污泥。所述排泥管5用于排出污泥。
31.所述斜挡板17设计为上端垂直设计，下端倾斜设计且倾斜面于水平面成60～80
°
，主要是可以使压裂返排液形成旋流，促进微小气泡与油脂聚合。
32.所述超声波换能器8通过超声波接线端7与壳体外的超声波发生器相连，其中空化气浮区6上部设置有2组超声波换能器8，采用环形布置和轴向平行固定，每组沿着空化气浮区6 内测圆周均匀布置12个超声波换能器，所述超声波换能器8超声频率为20～60khz，超声功率为150～300w。所述空化气浮区6可利用超声波换能器产生超声空化作用，与水力空化装置产生的空化作用相结合，产生超微气泡将压裂返排液中的油脂、悬浮颗粒等浮渣运送到刮渣板10处。
33.所述刮渣板10由刮渣电机11驱动旋转，排渣槽12用于收集刮渣板4旋转来的浮渣并通过排渣管13向外排出，所述刮渣板10材质碳钢，刮渣速度0.02m/s，刮渣电机11功率0.75～ 2.5kw。压裂返排液流经壳体9顶部的刮渣区处理后流向光催化氧化区14。
34.所述光催化氧化区14包括至少一个轴向平行固定于壳体9的光催化隔板16，光催化隔板16包括基板，以及设置于基板两侧表面的光催化层，相邻光催化隔板16之间形成流通道，相邻光催化隔板16之间设置有紫外线灯管15，所述紫外线灯管的功率为150w～200w，压裂返排液经过臭氧和光催化氧化剂tio2的共同处理后，将吸附在光催化隔板16表面的有机污染物氧化成二氧化碳、水等无机小分子，而处理后的压裂返排液通过出水管18排出，而光催化氧化区14在重力作用下沉降少量污泥并通过排泥管19排出。
35.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。