页岩气废水处理和膜清洗装置

1.本实用新型涉及环保设备领域，具体而言，涉及一种页岩气废水处理和膜清洗装置。


背景技术：

2.由于能源短缺，以页岩气为代表的非常规资源的开采在全球范围呈爆发式增长。页岩气开采过程中广泛采用的水平井技术和水力压裂技术消耗了大量的淡水资源，同时产生了大部分的返排废水。页岩气废水成分复杂，含有大量的阳离子、阴离子、有机物、天然放射性物质等，主要表现为总溶解性固体(tds)高、有机物含量高等特点；若不妥善处理，这些污染物的存在会严重影响当地地表水和地下水的水质安全和居民健康。此外，有关页岩气废水标准的缺乏，使得页岩气废水的处理更为棘手。
3.由于页岩气贮藏条件的差异，页岩气开采水量消耗大(23650-34000m3)、废水量大(19800m3)，同时废水中污染物浓度相对较低。页岩气废水经适当处理后可用于地表水排放或灌溉农田，通过需要脱盐处理来降低tds和离子的含量。目前，开采早期的页岩气废水中tds一般低于海水盐度(35000mg/l)，因此反渗透是一种经济有效的脱盐处理技术。反渗透对进水水质有严格的要求，超滤技术作为反渗透脱盐的预处理日益得到关注。目前，采用超滤-反渗透技术处理页岩气废水的中试及现场案例鲜有报道；同时，超滤出水中仍然存在造成反渗透膜严重污染的有机物和无机离子等，使得实际运行中反渗透膜的通量和盐截留率较低且不够稳定。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种页岩气废水处理和膜清洗装置，其采用超滤-纳滤-反渗透膜组合技术净化页岩气废水，能够改善页岩气开采过程中产生的返排废水难以处理及反渗透膜污染严重的问题。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.本实用新型提供一种页岩气废水处理和膜清洗装置，包括：
7.超滤膜系统、纳滤膜系统和渗透膜系统，所述超滤膜系统包括超滤膜进水管、超滤膜池、超滤膜组件、集水管路、抽吸泵、超滤产水池、反冲洗池、反冲洗水泵、鼓风机、曝气装置、超滤放空管和超滤废水池，所述超滤膜进水管与所述超滤膜池连通；所述超滤膜组件以及所述曝气装置均设于所述超滤膜池内；所述超滤膜组件、所述集水管路、所述抽吸泵以及所述超滤产水池依次连通；所述反冲洗池通过所述反冲洗泵与所述集水管路连通；所述鼓风机与所述曝气装置连通，所述超滤废水池与所述超滤膜池连通；所述超滤产水池与所述纳滤膜系统连通，所述纳滤膜系统与所述渗透膜系统连通，所述渗透膜系统包括反渗透浓水池，所述反渗透浓水池与所述反冲洗池连通。
8.在可选的实施方式中，所述纳滤膜系统包括增压泵、第一段纳滤膜组件、第一段纳滤产水管、纳滤产水池、第一段纳滤浓水管、第二段纳滤膜组件、第二段纳滤产水管、第二段
纳滤浓水管和纳滤浓水池，所述增压泵通过纳滤进水管路与所述超滤产水池连通；所述第一段纳滤膜组件与所述增压泵连通，所述第一段纳滤膜组件通过所述第一段纳滤浓水管与所述第二段纳滤膜组件连通；所述第一段纳滤膜组件通过所述第一段纳滤浓水管与所述纳滤产水池连通，所述第二段纳滤膜组件通过所述第二段纳滤产水管与所述纳滤产水池连通；所述第二段纳滤膜组件通过所述第二段纳滤浓水管与所述纳滤浓水池连通；
9.在可选的实施方式中，所述反渗透膜系统还包括高压泵、反渗透膜组件、反渗透产水管、清水池、反渗透浓水管，所述高压泵通过反渗透进水管路与所述纳滤产水池连通，所述高压泵设于所述反渗透进水管路上，所述反渗透进水管路远离所述纳滤产水池的一端与所述反渗透膜组件连通，所述反渗透膜组件通过所述反渗透产水管与所述清水池连通，所述反渗透膜组件通过所述反渗透浓水管与所述反渗透浓水池连通；所述反渗透浓水池与所述反冲洗池通过反冲洗管路连通，反冲洗管路上设置有反冲洗阀。
10.在可选的实施方式中，所述超滤膜组件中的超滤膜设置为有机膜；所述超滤膜的截留分子量为10-300kda。
11.在可选的实施方式中，所述超滤膜设置为平板膜或中空纤维膜。
12.在可选的实施方式中，所述纳滤膜组件中的纳滤膜的材质设置为醋酸纤维素或聚酰胺；所述纳滤膜的截留分子量为90-300da。
13.在可选的实施方式中，所述反渗透膜组件中的反渗透膜的材质设置为醋酸纤维素或聚酰胺；所述反渗透膜的截留分子量不超过100da。
14.在可选的实施方式中，所述集水管路上设置有压力传感器和产水阀；所述放空管路上设置有放空阀；所述纳滤进水管路上设置有止回阀；所述反渗透进水管路上设置有止回阀。
15.在可选的实施方式中，所述曝气装置设于所述超滤膜组件的下方。
16.在可选的实施方式中，所述第一段纳滤膜组件和所述第二段纳滤膜组件均设置为多组。
17.本实用新型实施例的有益效果是：
18.综上，本实施例提供的页岩气废水处理和膜清洗装置，页岩气废水进入超滤膜池，在抽吸泵的负压抽吸作用下由中空纤维超滤膜组件的外侧进入内侧，由于中空纤维超滤膜的物理截留作用，待滤水中的颗粒物、胶体、溶解性大分子有机物和细菌等得到有效去除。
19.超滤产水经增压泵进入纳滤膜组件，纳滤膜通过静电斥力作用、溶解-扩散作用及膜孔筛分作用能够截留绝大部分胶体、有机物、多价离子和部分一价离子，水质得到进一步净化；超滤预处理极大程度上缓解了纳滤膜的污染和结垢问题，增加了系统运行的稳定性；第一段纳滤单元的浓水作为第二段纳滤单元的进水，提高了系统的回收率。
20.纳滤产水经高压泵增压进入反渗透膜组件，由于静电斥力作用、溶解-扩散作用及膜孔筛分作用，反渗透膜能够基本完全截留纳滤产水中残留的一价离子、多价离子和有机物等；由于超滤和纳滤处理去除了造成反渗透膜污染和结垢的有机物和多价离子等，反渗透膜污染和结垢问题得到有效缓解，增加了反渗透通量。
21.超滤-纳滤-反渗透工艺中反渗透浓水主要成分为一价离子，当反渗透浓水作为超滤膜反冲洗用水时，由于一价阳离子对超滤膜有机污染的溶解等作用，超滤膜得到显著控制。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
23.图1为本实用新型实施例的页岩气废水处理和膜清洗装置的结构示意图。
24.图标:
25.1-超滤膜系统；1.1-超滤膜进水管；1.2-超滤膜池；1.3-超滤膜组件；1.4-抽吸泵；1.5-超滤产水池；1.6-反冲洗水池；1.7-反冲洗水泵；1.8-鼓风机；1.9-曝气装置；1.10-超滤放空管；1.11-超滤废水池；2-纳滤膜系统；2.1-增压泵；2.2-第一段纳滤膜组件；2.3-第一段纳滤产水管；2.4-纳滤产水池；2.5-第一段纳滤浓水管；2.6-第二段纳滤膜组件；2.7-第二段纳滤产水管；2.8-第二段纳滤浓水管；2.9-纳滤浓水池；3-反渗透系统；3.1-高压泵；3.2-反渗透膜组件；3.3-反渗透产水管；3.4-清水池；3.5-反渗透浓水管；3.6-反渗透浓水池。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理
解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.请参阅图1，本实施例提供了一种页岩气废水处理和膜清洗装置，能够有效改善页岩气开采过程中产生的返排废水难以处理及反渗透膜污染严重的问题。
33.本实施例中，页岩气废水处理和膜清洗装置包括超滤膜系统1、纳滤膜系统2和反渗透膜系统，多个系统配合作业，实现废水的净化和膜的有效清洗。
34.其中，超滤膜系统1包括超滤膜进水管1.1、超滤膜池1.2、超滤膜组件1.3、集水管路、抽吸泵1.4、超滤产水池1.5、反冲洗池、反冲洗水泵1.7、鼓风机1.8、曝气装置1.9、超滤放空管1.10和超滤废水池1.11，超滤膜进水管1.1与超滤膜池1.2连通；超滤膜组件1.3以及曝气装置1.9均设于超滤膜池1.2内，且曝气装置1.9设于超滤膜组件1.3的下方。超滤膜组件1.3、集水管路、抽吸泵1.4以及超滤产水池1.5依次连通；反冲洗池通过反冲洗泵与集水管路连通；鼓风机1.8与曝气装置1.9连通，超滤废水池1.11与超滤膜池1.2连通。可选的，集水管路上还可以设置压力传感器和产水阀，压力传感器用于监测集水管路中的水压，从而实现智能化控制。产水阀用于控制流量、水位等。同时，在放空管路上设置有放空阀，放空阀也可以称作排空阀，其作用是将有压力的气体或者液体，在非工作的时候或者紧急状态通过它排放掉，避免发生其它意外。
35.纳滤膜系统2包括增压泵2.1、第一段纳滤膜组件2.2、第一段纳滤产水管2.3、纳滤产水池2.4、第一段纳滤浓水管2.5、第二段纳滤膜组件2.6、第二段纳滤产水管2.7、第二段纳滤浓水管2.8和纳滤浓水池2.9，增压泵2.1通过纳滤进水管路与超滤产水池1.5连通，纳滤进水管路上可以设置止回阀。第一段纳滤膜组件2.2与增压泵2.1连通，第一段纳滤膜组件2.2通过第一段纳滤浓水管2.5与第二段纳滤膜组件2.6连通；第一段纳滤膜组件2.2通过第一段纳滤浓水管2.5与纳滤产水池2.4连通，第二段纳滤膜组件2.6通过第二段纳滤产水管2.7与纳滤产水池2.4连通；第二段纳滤膜组件2.6通过第二段纳滤浓水管2.8与纳滤浓水池2.9连通。可选的，第一段纳滤膜组件2.2和第二段纳滤膜组件2.6均设置有多组，例如，本实施例中，第一段纳滤膜组件2.2设置为四组，第二段纳滤膜组件2.6设置为两组。
36.反渗透膜系统包括高压泵3.1、反渗透膜组件3.2、反渗透产水管3.3、清水池3.4、反渗透浓水管3.5和反渗透浓水池3.6，高压泵3.1通过反渗透进水管路与纳滤产水池2.4连通，高压泵3.1设于反渗透进水管路上，反渗透进水管路远离纳滤产水池2.4的一端与反渗透膜组件3.2连通，反渗透膜组件3.2通过反渗透产水管3.3与清水池3.4连通，反渗透膜组件3.2通过反渗透浓水管3.5与反渗透浓水池3.6连通；反渗透浓水池3.6与反冲洗池连通。可选的，反渗透进水管路上可以设置止回阀。此外，反渗透膜组件3.2可以设置为多组，例如，本实施例中，反渗透膜组件3.2设置为两组。
37.需要说明的是，超滤膜组件1.3中的超滤膜可以设置为有机膜，进一步的，有机膜包括聚醚砜(pes)、聚砜(ps)、聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚丙烯(pp)、聚丙烯腈(pan)或醋酸纤维素(ca)等。在其他实施例中，超滤膜还可以为无机膜，包括氧化铝(al2o3)、氧化锆(zro2)、氧化钛(tio2)、氧化硅(sio2)、碳化硅(sic)、石墨烯(go)、沸石或玻璃纤维等。其中，超滤膜的截留分子量为10-300kda。此外，超滤膜还可以设置为平板膜、管式膜或中空纤维膜等。
38.纳滤膜组件中的纳滤膜的材质可以设置为醋酸纤维素、聚呱嗪酰胺、聚酰胺或无机膜等，无机膜可以包括氧化铝(al2o3)、氧化锆(zro2)、氧化钛(tio2)或氧化硅(sio2)等；其
中，纳滤膜的截留分子量为90-300da。
39.反渗透膜组件3.2中的反渗透膜的材质可以设置为醋酸纤维素或聚酰胺；反渗透膜的截留分子量不超过100da。
40.本实施例提供的页岩气废水处理和膜清洗装置的处理工艺包括如下步骤：
41.一、超滤系统处理页岩气废水。具体的，页岩气废水通过与超滤膜装置连通的进水管路进入超滤膜池1.2，至待滤水浸没超滤膜组件1.3，待滤水通过抽吸泵1.4的负压抽吸作用，由超滤膜组件1.3的外侧进入内侧从而得到净化，超滤产水汇集于集水管路，然后进入超滤产水池1.5；超滤膜组件1.3采用恒通量运行，过滤通量采用10-50l/(m2·
h)，例如过滤通量为30l/(m2·
h)；过滤周期为30-180min，例如，过滤周期为60min；超滤膜的截留分子量为100kda。
42.二、超滤产水经过纳滤系统处理。具体的，纳滤进水采用超滤产水，首先经过增压泵2.1进入第一段纳滤膜组件2.2，然后，第一段纳滤膜组件2.2的浓水经第一段纳滤浓水管2.5进入第二段纳滤膜组件2.6；第一段纳滤膜组件2.2和第二段纳滤膜组件2.6的产水分别经第一段纳滤产水管2.3和第二段纳滤产水管2.7进入纳滤产水池2.4；从第二段纳滤膜组件2.6流出的浓水经过浓水管路2.8进入纳滤浓水池2.9。其中第一段纳滤膜组件2.2和第二段纳滤膜组件2.6中纳滤膜均为恒压运行，运行压力0.5-3mpa，例如运行压力为2mpa。纳滤膜的材质均为聚酰胺膜，截留分子量均为300da；通过纳滤产水流量反馈调节进水流量以保持恒定的回收率(回收率能够达到85％)。
43.三、纳滤产水经过反渗透系统3处理。具体的，反渗透进水采用纳滤产水，经过高压泵3.1进入反渗透膜组件3.2；反渗透产水经反渗透产水管3.3路3.3进入清水池3.4，清水池3.4中的水可作为补给水继续用于页岩气开采，也可用于灌溉或地表排放；反渗透浓水经过浓水管路进入反渗透浓水池3.6。反渗透浓水通过管路送入超滤膜反冲洗水池1.6.6作为超滤膜反冲洗用水。反渗透膜采用恒压运行，运行压力3-6mpa，例如，运行压力为5mpa；反渗透膜材质为聚酰胺膜，膜的截留分子量为100da；通过反渗透产水流量反馈调节进水流量以保持恒定的回收率(回收率能够达到50％)。
44.四、反渗透浓水作为超滤膜反冲洗用水。具体的，超滤-纳滤-反渗透工艺中反渗透浓水池3.6中的液体送入超滤膜反冲洗水池1.6，反冲洗水通过反冲洗泵1.7反向打入超滤膜组件1.3中对中空纤维超滤膜进行清洗，鼓风机1.8通过曝气装置1.9对超滤膜组件1.3进行曝气来强化反冲洗效果；超滤膜反冲洗后，将超滤膜池1.2中进行全部或部分放空，污染物经超滤放空管1.10排入超滤废水池1.11。其中超滤膜反冲洗在恒通量下进行，反冲洗通量可以为15-150l/(m2·
h)，例如，反冲洗通量为60l/(m2·
h)；反冲洗持续时间可以为30-180s，例如反冲洗持续时间为60s；在水反冲洗的同时进行曝气，曝气强度(以膜池底面积计算)可以采用90m3/(m2·
h)，曝气时间可以为60s。其中，反渗透膜的过滤压力为3-6mpa，过滤周期为6-24h，错流速度为0.1-0.5m/s。
45.进一步地，本发明涉及一种超滤-纳滤-反渗透全膜法净化页岩气废水时减轻超滤膜污染的方法，所述方法包括：
46.将反渗透浓水送入超滤膜反冲洗水池1.6，利用反渗透浓水对超滤膜进行反冲洗。即反冲洗水通过反冲洗泵反向打入中空纤维超滤膜组件1.3中对膜进行清洗，反冲洗的同时施以曝气来强化反冲洗效果；超滤膜反冲洗后，将超滤膜池1.2中进行全部或部分放空，
污染物经管路排入废水池。
47.本技术提供的页岩气废水处理和膜清洗装置的工作原理如下：
48.页岩气废水进入超滤膜池1.2，在抽吸泵1.4的负压抽吸作用下由中空纤维超滤膜组件1.3的外侧进入内侧，由于中空纤维超滤膜的物理截留作用，待滤水中的颗粒物、胶体、溶解性大分子有机物和细菌等得到有效去除。
49.超滤产水经增压泵2.1进入纳滤膜组件，纳滤膜通过静电斥力作用、溶解-扩散作用及膜孔筛分作用能够截留绝大部分胶体、有机物、多价离子和部分一价离子，水质得到进一步净化；超滤预处理极大程度上缓解了纳滤膜的污染和结垢问题，增加了系统运行的稳定性；第一段纳滤单元的浓水作为第二段纳滤单元的进水，提高了系统的回收率。
50.纳滤产水经高压泵3.1增压进入反渗透膜组件3.2，由于静电斥力作用、溶解-扩散作用及膜孔筛分作用，反渗透膜能够基本完全截留纳滤产水中残留的一价离子、多价离子和有机物等；由于超滤和纳滤处理去除了造成反渗透膜污染和结垢的有机物和多价离子等，反渗透膜污染和结垢问题得到有效缓解，增加了反渗透通量。
51.超滤-纳滤-反渗透工艺中反渗透浓水主要成分为一价离子，当反渗透浓水作为超滤膜反冲洗用水时，由于一价阳离子对超滤膜有机污染的溶解等作用，超滤膜得到显著控制。
52.本实施例中以处理的原水为四川盆地某一页岩气井的废水为例进行说明，由表1可以看出，原水表现为高含盐量(tds＝19000mg/l)、高有机物(cod
cr
＝530mg/l)的水质特性。试验结果如表1-3所示。由表1可以看出，页岩气废水经过超滤-纳滤-反渗透膜组合工艺处理后污染物得到有效去除，如codcr、tds、cl-、mn
2+
和nh
4+-n低于我国污染物综合排放标准及农田灌溉水质标准。超滤膜污染指数如表2所示，由表2可以看出，当反冲洗水由超滤出水更换为纳滤出水或反渗透浓水时，超滤膜的污染指数由4.48m-1
降至1.38m-1
，降幅达70％；另外，超滤产水的浑浊度为0.1ntu，污泥堵塞指数sdi
15
为2.2，满足纳滤/反渗透膜的进水要求。由表3所示，相对于超滤-反渗透工艺，超滤-纳滤-反渗透工艺中反渗透膜通量显著提升(平均增加26％)。
53.表1本实施例测试用页岩气废水水质及膜组合工艺产水水质
54.参数原水最终出水地表水排放标准农田灌溉水质标准cod
cr
(mg/l)53011100150ph7.87.76-95.5-8.5浑浊度(ntu)32.30.01//tds(mg/l)19000215/1000cl-(mg/l)11000125.9/350so
42-(mg/l)12.1《0.1//mn
2+
(mg/l)《0.01《0.012.0/ca
2+
(mg/l)2330.53//mg
2+
(mg/l)26.90.04//ba
2+
(mg/l)135《0.1//sr
2+
(mg/l)72.90.09//nh
4+-n(mg/l)92.01.715/
55.表2本实施例超滤膜污染控制效果
56.反冲洗水类型超滤出水反冲洗反渗透浓水反冲洗膜污染指数(m-1
)4.48
±
0.281.38
±
0.07
57.表3本实施例反渗透膜污染控制效果
58.工艺超滤-反渗透超滤-纳滤-反渗透通量范围(l/(m2·
h))18.8-43.125.3-52.1通量平均值(l/(m2·
h))31.239.3
59.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。