一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置及方法与流程

本发明涉及一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置及方法，属于工业废水处理技术领域。

背景技术：

页岩气开发过程中的体积压裂施工已成为页岩气增产的主要手段，随着“井工厂”开发模式的进行，体积压裂过程水资源消耗量持续增加，给区域水资源供应造成较大压力；同时体积压裂过程产生的大量返排液，呈现高悬浮物、高稳定性等特点，如不经过处理外排，将会对周边环境造成严重污染，因此目前生产企业多在现场就地开展返排液回用处理，实现区域内水资源的循环利用，降低对周边环境的压力，有效控制页岩气开采成本。

结合压裂废液循环利用途径，目前页岩气体积压裂废液常规处理技术主要包括：化学絮凝、化学氧化、微电解、电絮凝等多种处理技术。部分页岩气生产企业已形成了加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术并在现场应用，其基本处理回用流程为：物理分离→稳定性调整→水质调节→清水混合稀释后作为压裂用水。该处理方式相对简单，但脱稳分离过程对水质的适应性较差，且部分成分较复杂的返排液处理后需与清水稀释才能满足压裂用水要求。

随着体积压裂废液回用工作的逐步深入，废液中微生物的影响引起了广泛重视。由于压裂废液回用次数的增多和暂存时间的增加，部分地区出现了废液暂存池内液体发黑发臭、回用配液质量下降、回用处理设备腐蚀等问题。经分析上述现象与压裂废液中硫酸盐还原菌、腐生菌等微生物有密切关系。为了降低微生物的不利影响，部分企业采用在废液中投加杀菌剂的方式对微生物含量进行控制，并取得了一定效果。但是，以次氯酸钠为主要成分的杀菌剂，一方面具有较强的腐蚀性，对操作人员和操作环境有一定影响，余氯也会造成后续处理设备的腐蚀，另外，随着药剂应用时间的增加，杀菌效率也呈现降低趋势，药剂投加量持续增加，造成返排液回用处理成本大幅增加。

因此，优选杀菌技术实现体积压裂废液中微生物含量的控制，有效降低杀菌处理成本，是页岩气开发体积压裂过程实现水资源高效回用的关键问题。

技术实现要素：

为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置。

本发明的另一个目的在于提供一种体积压裂废液电化学杀菌处理方法。本发明利用电磁水处理杀菌技术，在电场作用下实现电化学杀菌和氧化杀菌的同步作用，可显著降低体积压裂废液回用处理过程中化学杀菌剂的使用量和处理成本。

为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置，其中，所述体积压裂废液电化学杀菌处理装置包括：电磁杀菌反应器及直流型变频脉冲电源；所述直流型变频脉冲电源与所述电磁杀菌反应器电连接，用于为所述电磁杀菌反应器供电；

所述电磁杀菌反应器由管内外均镀锌的铁管制作而成，其包括进液口及出液口；

所述电磁杀菌反应器的外壁缠有若干圈绝缘导线，以产生感应电场。

在以上所述的装置中，优选地，所述直流型变频脉冲电源为由微电脑控制的直流型变频脉冲电源。

在以上所述的装置中，优选地，若干圈所述绝缘导线于所述电磁杀菌反应器外壁的缠绕方式为平绕。

在以上所述的装置中，优选地，所述绝缘导线的圈数为20-60圈。

在以上所述的装置中，优选地，所述绝缘导线的圈数为40圈。

在以上所述的装置中，优选地，所述绝缘导线为4-7芯导线，每根导线的截面积为0.03-0.08cm²。

在以上所述的装置中，优选地，所述绝缘导线为5芯导线，每根导线的截面积为0.06cm²。

在以上所述的装置中，优选地，所述绝缘导线的阴极端设置有可移动的线卡，用以灵活调整所述绝缘导线的圈数。

其中，于所述绝缘导线的阴极端设置可移动的线卡，于电磁杀菌过程中，根据进水水质具体情况，可以通过调整线卡位置灵活调整所述绝缘导线的圈数，进而可以实现施加电场强度和有效停留时间的调整，提高单位能耗杀菌效率。

本发明利用可灵活调节线圈数量的电磁杀菌反应器，可根据来水水质情况，进行电场强度、有效停留时间的便捷调节，从而在保证杀菌效率的前提下，可合理控制能耗，降低处理成本，该电化学杀菌技术较常规杀菌技术耗电量降低15-20％。

优选地，所述装置还包括化学杀菌处理单元，所述化学杀菌处理单元的入口通过管路与所述电磁杀菌反应器的出液口相连。

本发明所提供的体积压裂废液电化学杀菌处理装置采用经优化的直流脉冲变频电场作用于电磁杀菌反应器，利用直流脉冲电流产生反冲高压实现微生物的快速杀灭，同时利用水体(体积压裂废液)在直流脉冲电场作用下产生的氧化性物质，破坏微生物正常的生理功能，达到杀灭微生物的作用。本装置利用优化设计的电磁杀菌反应器，具有较好的电场传递和电池形成特性，在反应过程中产生的瞬间反冲高压，提高了电磁场能量的传递效率；对电磁杀菌反应器扫频范围和扫频周期的优化，可以充分发挥交变电场在细胞膜两侧的作用力，从而抑制细胞活性，高效杀灭细菌。

另一方面，本发明还提供了一种体积压裂废液电化学杀菌处理方法，其中，所述方法利用以上所述的体积压裂废液电化学杀菌处理装置，包括：

体积压裂废液进入电磁杀菌反应器进行电磁杀菌，其中，电磁杀菌过程中，所用直流型变频脉冲电源的扫频过程设置为由低频向高频往复变化。

在以上所述的方法中，使用由微电脑控制的直流型变频脉冲电源作为电磁杀菌反应器的电源，所用直流型变频脉冲电源的扫频过程、频率区间、扫描周期、载频频率、波形等均可以根据处理需求以及待处理体积压裂废液的水质参数进行实时调节，从而实现反冲电场的优化调节，提高杀菌效率；优选地，电磁杀菌过程中，所用直流型变频脉冲电源的扫频过程设置为由低频向高频往复变化，频率区间为20hz-65hz，扫描周期为1.0-1.8s，载频频率为1mhz。

在以上所述的方法中，通过优选电场频率，选择适用于不同水质的最佳操作参数，可以强化杀菌效率。其中，电场扫描周期采用微电脑控制，设定为扫描周期及波形均可以在一定范围内随机变化，从而避免因频率周期性变化造成的杀菌效率降低的问题。

在以上所述的方法中，优选地，所述频率区间为45hz，扫描周期为1.2s。

在以上所述的方法中，优选地，所用直流型变频脉冲电源的波形在包括矩形波、尖脉冲波、锯齿波和阶梯波在内的多种波形中切换。

在以上所述的方法中，优选地，电磁杀菌过程中，采用阶梯波步进式电场，电场强度变化时间为100-400ms。

其中脉冲波形采用步进阶梯形设计，可以与随机变化的扫描周期实现良好的耦合，同时步进阶梯波形可以增加感应反冲电压的不规律性，从而提高电磁场能量的转化效率，提高电磁场的各种物理、化学和生物作用效果，经试验证明，在相同的微生物杀灭率条件下，该波形可以降低电耗8-17％。

在以上所述的方法中，优选地，电磁杀菌反应器内，体积压裂废液的流速为0.4-0.7m/s。在该流速下，体积压裂废液通过电场产生的洛伦兹力，可以与脉冲电场激发产生的感应电流有效耦合，破坏细胞膜或者使蛋白质和酶变性，从而破坏其生理功能，提高杀菌效率。

在以上所述的方法中，采用镀锌铁管和常规绝缘导线制作的电磁杀菌反应器，可根据处理量需求和停留时间要求，合理进行管径、管长和流速设计，保证水体在电场条件的充分作用时间，并利用水体流动穿过电磁场产生的洛伦兹力，实现与电场作用的叠加，选用的最佳流速条件，可使杀菌效率提高约10％。

在以上所述的方法中，优选地，电磁杀菌反应器内，体积压裂废液的流速为0.5m/s。

优选地，所述方法还包括将电磁杀菌处理后的体积压裂废液进行化学杀菌处理。

于电磁杀菌反应器经杀菌处理后的体积压裂废液进入化学杀菌处理单元，其中，所述化学杀菌处理单元中根据水质情况少量投加有化学杀菌剂，以实现沿程缓释杀菌的作用，保证体积压裂废液回用过程中的微生物控制。

在本发明所提供的该体积压裂废液电化学杀菌处理装置中，所用电磁杀菌反应器采用镀锌铁管和常规绝缘导线制作得到，可根据来水水质变化情况，灵活调节线圈数量、施加电场强度和有效停留时间，从而有效控制处理成本；

所用电磁杀菌反应器配有由微电脑控制的直流型变频脉冲电源，可在电磁杀菌反应器内形成反冲高压，以实现高效杀灭微生物的作用；

所用电磁杀菌反应器配有由微电脑控制的直流型变频脉冲电源，可通过对扫频频率区间、扫描周期、载频频率和脉冲波形的优化设计，充分发挥交变电场在抑制细胞活性、高效杀灭细菌方面的作用，降低杀菌过程的能量消耗；

通过对反应器管径、长度和流体流速的合理设计，在脉冲电场静态杀菌的同时，可实现与洛伦兹力的有效耦合，强化杀菌效果的同时，进一步降低过程能耗和综合成本；经优化设计的电磁杀菌反应器，在缩短反应时间、降低综合成本等方面较常规电化学杀菌技术具有明显优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中提供的体积压裂废液电化学杀菌处理装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2中提供的体积压裂废液电化学杀菌处理装置的结构示意图。

主要附图标号说明：

1、电磁杀菌反应器；

2、直流型变频脉冲电源；

3、化学杀菌处理单元。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置，其结构示意图如图1所示，从图1中可以看出，该装置包括：电磁杀菌反应器1及直流型变频脉冲电源2；所述直流型变频脉冲电源2与所述电磁杀菌反应器1电连接，用于为所述电磁杀菌反应器供电；

所述电磁杀菌反应器1由管内外均镀锌的铁管制作而成，其包括进液口及出液口；

所述电磁杀菌反应器1的外壁缠有若干圈绝缘导线，以产生感应电场；

本实施例中，所述直流型变频脉冲电源2为由微电脑控制的直流型变频脉冲电源，该电源为常规设备；

本实施例中，若干圈所述绝缘导线于所述电磁杀菌反应器外壁的缠绕方式为平绕，所述绝缘导线的圈数为40圈；

本实施例中，所述绝缘导线为5芯导线，每根导线的截面积为0.06cm²；

本实施例中，所述绝缘导线的阴极端设置有可移动的线卡，用以灵活调整所述绝缘导线的圈数。

实施例2

本实施例提供了一种体积压裂废液电化学杀菌处理装置，其结构示意图如图2所示，从图2中可以看出，该装置包括：电磁杀菌反应器1、直流型变频脉冲电源2及化学杀菌处理单元3；所述直流型变频脉冲电源2与所述电磁杀菌反应器1电连接，用于为所述电磁杀菌反应器供电；所述化学杀菌处理单元3的入口通过管路与所述电磁杀菌反应器1的出液口相连；

所述电磁杀菌反应器1由镀锌铁管制作而成，其包括进液口及出液口；

所述电磁杀菌反应器1的外壁缠有若干圈绝缘导线，以产生感应电场；

本实施例中，所述直流型变频脉冲电源2为由微电脑控制的直流型变频脉冲电源，该电源为常规设备；

本实施例中，若干圈所述绝缘导线于所述电磁杀菌反应器外壁的缠绕方式为平绕，所述绝缘导线的圈数为40圈；

本实施例中，所述绝缘导线为5芯导线，每根导线的截面积为0.06cm²；

本实施例中，所述绝缘导线的阴极端设置有可移动的线卡，用以灵活调整所述绝缘导线的圈数。

实施例3

本实施例提供了一种体积压裂废液电化学杀菌处理方法，其中，所述方法利用实施例1提供的体积压裂废液电化学杀菌处理装置，该方法包括以下具体步骤：

体积压裂废液进入电磁杀菌反应器进行电磁杀菌，其中，电磁杀菌过程中，所用直流型变频脉冲电源的扫频过程设置为由低频向高频往复变化，频率区间为45hz，扫描周期为1.2s，载频频率为1mhz；

电磁杀菌过程中，采用阶梯波步进式电场，电场强度变化时间为100-400ms；

电磁杀菌反应器内，体积压裂废液的流速为0.5m/s；

本实施例中，所述体积压裂废液为某油气开发企业体积压裂废液，处理规模为1.50m³/h，废液中，硫酸盐还原菌(srb)为2.8-4.1×10⁴个/mg、腐生菌(tgb)为1.0-1.7×10⁶个/mg、铁细菌(fb)为6.8-7.5×10²个/mg；

在不投加处理药剂的条件下，采用本实施例3中的处理方法对体积压裂废液进行电化学杀菌处理后，装置出水cod为50-80mg/l、硫酸盐还原菌(srb)为0.45-0.9×10⁴个/mg、腐生菌(tgb)为0.2-0.4×10⁶个/mg、铁细菌(fb)为1.6-1.5×10²个/mg，与未经处理的体积压裂废液进行对比后可知，经本发明所提供的方法处理后微生物杀灭率大于75％。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。