基于太阳能蒸发的页岩气工业废水安全回用系统的制作方法

1.本实用新型涉及工业废水处理领域，特别是涉及一种页岩气开发过程中页岩气返排液处理领域。


背景技术：

2.页岩气作为一种重要的非常规天然气能源，具有储量大、分布广的特点。据统计，全球技术可开采页岩气储量约为206.68万亿立方米，这一储量可以满足全球超过100 年的能源需求。随着日益增长的能源需求，页岩气已经成为全球油气资源勘探开发的新兴亮点，在未来几十年里，页岩气将改变世界能源供给格局。
3.水平钻井技术和水力压裂技术的成功应用，极大地促进了页岩气资源的勘探和开采，这也引发了全球范围内的“页岩气革命”。页岩气开采应用的水平钻井和水力压裂技术，虽彻底解决了页岩气开采的技术难题，但开采过程中会大量的消耗水资源并产生大量的页岩气返排液，这带来了严重的水资源浪费、水环境和水生态问题。页岩气开采过程中压裂液的配制和钻井过程都需要消耗大量的水，单口页岩气井水力压裂所需水量约为7000～21000m3，其中的8～70％会在井的生命周期内被回收至地表，形成页岩气返排液与采出水(sgfpw)，其水量巨大，水质特征复杂(高盐度、悬浮物、中高浓度的有机化合物、天然产生的放射性元素和重金属)，且不同井成分差异很大。由于其水量大且成分复杂、难处理，页岩气开采废水的处置问题越来越引起公众担忧。因此，如何可持续再利用或无污染排放页岩气返排液是一项迫切的需求。
4.当前面对页岩气返排液主要的处理手段为深井灌注。这种不经处理直接排放的方式不但会对自然环境造成破坏，且有可能会引发地震。而较为环保的处理系统由于综合了电絮凝、精细过滤等工艺流程而存在能耗较高、处理工艺较复杂的特征。随着国家政策对废水排放的管制愈发严格，以及环境污染日益加剧，寻找更有效的处理方法刻不容缓。
5.cn201822145619.8公开了一种页岩气采出水处理装置。该系统使用包括依次连接的一次ph调节池、电絮凝反应筒、二次ph调节池、固液分离过滤箱及加热反应筒体。该装置可去除返排液中杂质有限，大多数污染物与无机盐离子无法得到有效去除，且装置出水水质无法满足多种排放、回用标准。cn201910323253.5公开了一种页岩气钻井废水处理方法，该方法通过对页岩气钻井废水依次进行混凝沉淀、fenton氧化-微电解、化学沉淀、除氨氮和四效蒸发处理。该工艺系统出水水质较好，但工艺流程较复杂，系统运行所需能耗大、费用高。
6.如何合理、高效、低成本地处理页岩气返排液，并实现水及资源的回收，减少污染物排放，缓解页岩气开发区水资源紧缺，避免环境污染，已成为目前亟待解决的难题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是针对页岩气返排液处理现状中的问题和不足，提供一种基于太阳能蒸发的页岩气工业废水安全回用系统，实现高效、低成本处理页岩气返排液，并实现
水资源循环利用和整个工艺污染物的零排放，缓解页岩气开发区水资源紧缺，同时避免环境污染。
8.本实用新型提供的基于太阳能蒸发的页岩气工业废水安全回用系统，包括预处理单元、太阳能蒸发单元和蒸馏水收集单元；所述预处理单元包括废水池、絮凝池、沉淀池、储水罐，所述废水池设置两个出口，其中一个出口依次连接计量投药泵和混合器、絮凝池、沉淀池、储水罐依次水路连通，另一个出口直接与沉淀池的一个进口连通；所述太阳能蒸发单元由太阳能蒸发反应池、表面蒸发材料和浓缩液储罐组成，所述表面蒸发材料浮于太阳能蒸发反应池内水体表面并覆盖全部水面，所述太阳能蒸发反应池的进口与储水罐的出口连通，太阳能蒸发反应池的出口与浓缩液储罐连通；所述蒸馏水收集单元由太阳能蒸发反应池外罩、蒸馏水预收集池和蒸馏水收集回用池组成，所述太阳能蒸发反应池外罩为高透光材质，位于太阳能蒸发反应池顶部上方，太阳能蒸发反应池外罩边沿设置有用于接收沿蒸发至外罩内壁冷凝后顺流到边沿的蒸馏水的集水槽；所述集水槽出水口与蒸馏水预收集池的进口连通，蒸馏水预收集池的出口与蒸馏水收集回用池进口连通，蒸馏水预收集池设置有放空管，所述放空管与预处理单元中的储水罐连通，在蒸馏水还不满足回用或排放标准时返回到储水罐中再次进行太阳能蒸馏。
9.进一步地，所述太阳能蒸发反应池外罩的覆盖面积大于太阳能蒸发反应池池口面积，所述集水槽位于太阳能蒸发反应池外罩边沿处罩内，且位于太阳能蒸发反应池池口外。
10.进一步地，所述集水槽沿太阳能蒸发反应池外罩边沿设置并沿外罩周向贯通成一体，集水槽的槽底设置利于水流向出水口流动的坡度。
11.进一步地，所述太阳能蒸发反应池外罩为半球形、弧面形、棱锥形中的一种。
12.进一步地，太阳能蒸发反应池外罩与太阳能蒸发反应池顶部直接封闭连接，或通过太阳能蒸发反应池外罩下自外罩内壁向下垂向设置、且绕太阳能蒸发反应池池口一周的罩裙与太阳能蒸发反应池侧墙连接，实现太阳能蒸发反应池外罩的固定；所述罩裙位于集水槽以内的外罩下，罩裙的材质与太阳能蒸发反应池外罩相同。
13.进一步地，太阳能蒸发反应池外罩可选择玻璃或其他透光材料制作。
14.进一步地，所述蒸馏水预收集池设置有放空管，所述放空管与预处理单元中的储水罐连通，在蒸馏水还不满足回用或排放标准时返回到储水罐中再次进行太阳能蒸馏。
15.进一步的，所述废水池液配套设置有液位计；太阳能蒸发反应池内设置有液位计，储水罐、太阳能蒸发反应池间设置有自动化阀门；太阳能蒸发反应池内设置有在线水质检测仪，太阳能蒸发反应池底部设置有浓缩液排放管，浓缩液排放管上设置有自动化阀门；蒸馏水预收集池的出水管路上设置有在线水质检测仪，在线水质检测仪内设自动化阀门，蒸馏水预收集池的放空管内设置自动化阀门。
16.进一步地，系统所带自动化仪器由计算机终端统一控制，所述计算机终端与各在线仪表和机电设备等连接以实现系统运行过程中的自动化调节；所述计算机终端与废水池液位计、计量投药泵、混合器连接实现自动配药投药混合；所述计算机终端与太阳能太阳能蒸发反应池液位计，与储水罐、太阳能蒸发反应池间的自动化阀门连接实现待处理原水自动加注；所述计算机终端与太阳能蒸发反应池内在线水质检测仪、浓缩液排放管内自动化阀门连接实现浓缩液的自动化排出收集；所述计算机终端与蒸馏水收集单元中在线水质检测仪、在线水质检测仪内自动化阀门、放空管内自动化阀门连接实现蒸馏水收集或回用。
17.进一步地，步骤(2)中表面蒸发材料为上表面经炭化处理的矩形木质太阳能蒸发板，太阳能蒸发板的木质纤维延伸方向垂直于板的上表面和下表面，板的厚度为3cm，上表面为炭化层，炭化层厚度为2～3nm。太阳能蒸发板的大小(即长宽规格)视反应池大小、待加工原木情况确定。优选地，木质优选巴尔沙木。
18.进一步地，所述太阳能蒸发板的表面炭化层通过以下方法炭化得到：采用加热平板对木质平板进行加热，加热平板温度为480～520℃，加热时间为22～28s，在木质平板表面形成2～3mm厚的高吸光炭化层。对处理后的炭化层表面用2000目砂纸打磨平整，从而在使用时能够更均匀地接受太阳照射，防止局部过热，影响材料性能稳定性。
19.本实用新型中，所述表面蒸发材料，经计算，在一个标准太阳光下(即光功率为 1kw
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)，太阳能蒸发的液体蒸发通量为1.4～1.7l
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(液体蒸发通量是个区间，这是因为在长时间运行条件下，材料性能会有一定程度的下降，对同一块材料来说，蒸发通量是关于时间的函数)。使用紫外-可见-近红外分光光度计对材料在250～2500nm波长范围内对太阳光的总吸收率进行了测定，结果显示其对太阳光的总吸收率可达85％以上。材料在250～2500nm波长范围内对太阳光的总吸收率可达85％以上。表面炭化层在一个标准太阳下对水溶液的光热转化速率可达1.4～1.7l
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(该量值由原水在一定时间内的重量差值减去暗蒸发的量计算得到。重量使用万分之一精度天平称量得到)。材料在500小时连续测试中性能表现稳定。由于材料的强亲水性，材料表面的结垢现象并不严重，且由于夜间材料并不进行表面蒸发，已经析出的盐类在液体的浸润下将会再次溶解到水中，防止了由于材料结垢而引起的材料性能下降。由于材料结垢而引起的材料性能下降是一般材料经常遇到的问题，天然木材由于其本身的优良性质克服了这一技术难点。
20.基于本发明提供的上述系统处理页岩气工业废水并安全回用的方法，包括以下步骤，
21.(1)预处理：依据页岩气工业废水原水的浊度，采用混凝沉淀或沉淀工序进行预处理，若原水浊度小于10ntu，则直接将原水进行沉淀；若原水浊度大于10ntu，则进行混凝沉淀；
22.(2)太阳能蒸馏：将预处理后的页岩气工业废水输送到太阳能蒸发反应池中，利用具有高吸光表面和吸水透水性能的表面蒸发材料浮于池内水体表面进行太阳能蒸馏，所述表面蒸发材料接收太阳照射的表面为高吸光材料，通过高吸光表面吸收太阳能为蒸发提供热源，同时通过吸水透水性能将水分运输至表面蒸发；
23.(3)蒸馏水收集：将太阳能蒸馏所得蒸馏水进行回收，蒸馏水达标排放或回用；不满足回用或排放标准时返回到储水罐中再次进行太阳能蒸馏；
24.(4)浓缩液处理：蒸发过程中太阳能蒸发反应池中剩余液体tds值大于 200000mg/l后成为浓缩液，将浓缩液转移至浓缩液储罐中，用作页岩气压裂液配制。
25.进一步地，步骤(1)混凝工序所用混凝剂为氯化铁、硫酸铝、聚合铝盐、聚合铁盐和复合铝铁中的任一种。优选地，所述聚合铝盐选择十八水合硫酸铝 (al2(so4)3·
18h2o)或聚合氯化铝(pac)，所述聚合铁盐选择六水合氯化铁 (fecl3·
6h2o)。
26.进一步地，步骤(1)混凝工序混凝剂的投量为300～1200mg/l。混凝剂用超纯水配制成浓度20g/l的母液后投加，铝盐投加量为300～1200mg/l，铁盐投加量为 300～1200mg/l。在实际操作过程中投加量需根据实际返排液水质情况进行适当调整。
27.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
28.1.本实用新型工艺流程简单，能适应多变的水质。
29.2.本实用新型系统紧凑，部件间连接合理工艺控制稳定，利于多种实际场地的使用。
30.3.本实用新型方法使用沉淀/混凝沉淀对页岩气工业废水原水进行预处理，去除返排液中悬浮物及胶体，处理效果好，可保障后续处理构筑物的正常运行，延长表面蒸发组件使用寿命。
31.4.本实用新型采用表面蒸发技术，利用的光热材料对太阳光进行光热转换为蒸馏提供能量进而得到蒸馏水。系统所需能耗仅存在于自动化控制仪器或测试仪器中，水蒸馏过程无需额外能量输入，系统总体能耗低，产水效率高。
32.5.本实用新型采用表面蒸发技术，蒸馏得到的产出液水质优良，可达到国家《污水综合排放标准》(gb8978-1996)一级标准及《农田灌溉水质标准》(gb5084-2021)。
附图说明
33.图1为本实用新型所述利用太阳能蒸发进行页岩气废水安全回用的的工艺流程图。
34.图2为本实用新型所述表面蒸发材料的示意图。
35.图3为本实用新型所述太阳能蒸发蒸发反应池结构示意图。
具体实施方式
36.下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
37.实施例1
38.本实施例所述页岩气废水回用方法，采用以下基于太阳能蒸发的页岩气工业废水安全回用系统，所述系统由预处理单元、太阳能蒸发单元和蒸馏水收集单元组成；所述预处理单元包括废水池、混合器、絮凝池、沉淀池、储水罐，所述废水池设置两个出口，其中一个出口与混合器、絮凝池、沉淀池、储水罐依次水路连通，另一个出口直接与沉淀池的一个进口连通；所述太阳能蒸发单元由太阳能蒸发反应池、表面蒸发材料和浓缩液储罐组成，所述表面蒸发材料浮于太阳能蒸发反应池内水体表面并覆盖全部水面，所述太阳能蒸发反应池的进口与储水罐的出口连通，太阳能蒸发反应池的出口与浓缩液储罐连通；所述蒸馏水收集单元由太阳能蒸发反应池外罩、蒸馏水预收集池和蒸馏水收集回用池组成，所述太阳能蒸发反应池外罩为高透光材质，位于太阳能蒸发反应池顶部上方，太阳能蒸发反应池外罩边沿设置有用于接收沿蒸发至外罩内壁冷凝后顺流到边沿的蒸馏水的集水槽；所述集水槽出水口与蒸馏水预收集池的进口连通，蒸馏水预收集池的出口与蒸馏水收集回用池进口连通。所述蒸馏水预收集池设置有放空管，所述放空管与预处理单元中的储水罐连通，在蒸馏水还不满足回用或排放标准时返回到储水罐中再次进行太阳能蒸馏。
39.所述太阳能蒸发反应池外罩为四棱锥棱锥形，与矩形太阳能蒸发反应池的大小和形状匹配，在池口的覆盖面积大于太阳能蒸发反应池池口面积。所述集水槽位于太阳能蒸发反应池外罩边沿处罩内，且位于太阳能蒸发反应池池口外。所述集水槽沿太阳能蒸发反应池外罩边沿设置并沿外罩周向贯通成一体，集水槽的槽底设置利于水流向出水口流动的
坡度。太阳能蒸发反应池外罩与太阳能蒸发反应池顶部直接封闭连接。太阳能蒸发反应池外罩为高透光玻璃制作。
40.所述废水池液配套设置有液位计、计量投药泵；太阳能蒸发反应池内设置有液位计，储水罐、太阳能蒸发反应池间设置有自动化阀门；太阳能蒸发反应池内设置有在线水质检测仪，太阳能蒸发反应池底部设置有浓缩液排放管，浓缩液排放管上设置有自动化阀门；蒸馏水预收集池的出水管路上设置有在线水质检测仪，在线水质检测仪内设自动化阀门，蒸馏水预收集池的放空管内设置自动化阀门。
41.该系统所带自动化仪器由计算机终端统一控制，所述计算机终端与各在线仪表和机电设备等连接以实现系统运行过程中的自动化调节；所述计算机终端与废水池液位计、计量投药泵、混合器连接实现自动配药投药混合；所述计算机终端与太阳能太阳能蒸发反应池液位计，与储水罐、太阳能蒸发反应池间的自动化阀门连接实现待处理原水自动加注；所述计算机终端与太阳能蒸发反应池内在线水质检测仪、浓缩液排放管内自动化阀门连接实现浓缩液的自动化排出收集；所述计算机终端与蒸馏水收集单元中在线水质检测仪、在线水质检测仪内自动化阀门、放空管内自动化阀门连接实现蒸馏水收集或回用。
42.本实施例所述页岩气废水回用方法如下：
43.(1)待处理废水原水来自四川省威远县某口页岩气井的返排液，水质参数如下： ph值为7.39，tds值为22.19g/l，doc为10.54mg/l，tn值为23.39mg/l。其中，ph表示溶液的酸碱度值；tds是总溶解固体，能够表示单位体积水样中溶解性固体的多少； doc表示可溶性有机碳，表示水样中需要被氧化的还原性物质的量(一般是有机物)； tn表示总氮，可以表征溶液中各种形态的无机氮和有机氮总量。
44.取废水池中页岩气工业废水原水，测定浊度。原水浊度小于10ntu的情况下，原水经过管道输入沉淀池静置30分钟以上。浊度大于10ntu的情况下，进行混凝沉淀。经过计量投药泵加入混凝剂后开启混合器搅拌15分钟，混合液经过管道输入絮凝池后再输入沉淀池静置30分钟以上。混凝剂为的铝盐与铁盐，铝盐可选择十八水合硫酸铝 (al2(so4)3·
18h2o)或聚合氯化铝(pac)，铁盐可选择六水合氯化铁(fecl3·
6h2o)。混凝剂用超纯水配制成浓度20g/l的母液后使用。优选地，铝盐投量范围为600mg/l；铁盐投量范围为300-1200mg/l。经过混凝沉淀后的页岩气原水浊度显著降低了，这将极大地降低原水对后续表面蒸发材料的损耗(如堵塞材料孔径等)，从而降低成本，增加了系统的效率与稳定性。
45.(2)沉淀池上清液经过管道进入储水罐，储水罐下流通过管道连接太阳能蒸发反应池，根据太阳能蒸发反应池中液位计和管道阀门的配合自动化控制上清液的加入量。
46.(3)收集蒸馏水，蒸馏水预收集池与放空管和蒸馏水转移管路相连，两处管路均设置自动化阀门。当在线水质检测仪测定蒸馏水水质不符合标准时，放空管阀门打开，蒸馏水转移管路阀门关闭；当在线水质检测仪测定蒸馏水水质符合标准时，蒸馏水转移管路阀门打开，放空管阀门关闭。
47.(4)从蒸馏水预收集池中收集蒸馏水至蒸馏水收集回用池，回用或排放。经计算，在一个标准太阳光下，液体蒸发通量为1.4～1.7l/m2。基于出水的水质特征，依照《农田灌溉水质标准》(gb5084-2021)，对产出水水质进行实时测定。页岩气废水经处理后，所得蒸馏水ph值为7.11，tds值为35.04mg/l，doc为3.34mg/l，tn值为1.22mg/l，水质符合国家灌溉标准(gb5084-2021)。
48.(5)在太蒸发过程中检测太阳能蒸发反应池中剩余液体tds值，tds值大于 200000mg/l后，液体成为浓缩液。浓缩液经浓缩液排放管转移至浓缩液储水罐，浓缩液用作页岩气压裂液配置使用。
49.以上所述，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。其中，附图仅用于示例型说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。