压裂返排液/钻井废液处理系统初步工程设计报告项目方:昊鑫瑞源科净工程有限公司设计方:成都渤茂科技有限责任公司日期：2017年10月18日目录1.概述 (1)1.1报告用途 (1)1.2设计依据 (1)2.处理工艺选择 (2)2.1处理工艺概述 (2)2.2电化学絮凝工艺 (3)2.3高级氧化工艺 (4)2.4化学沉淀工艺 (5)2.5管式超滤膜分离工艺 (6)2.6电渗析脱盐工艺 (7)2.7反渗透膜分离工艺 (8)2.8板框压滤工艺 (8)2.9蒸发结晶工艺 (9)3.工艺单元设计 (11)3.1电化学絮凝装置设计参数 (11)4.2高级氧化装置设计参数 (12)4.3除硬装置设计参数 (13)4.4管式膜系统设计参数 (14)4.5电渗析系统设计参数 (15)4.6反渗透膜系统设计参数 (16)4.自控仪表 (17)附件附件1 压裂返排液/钻井废液处理工艺流量平衡图 (i)附件2 压裂返排液/钻井废液处理系统平面布局图 (ii)附件3 投资及运行成本分析 (iii)附表表1压裂返排液/钻井废液进水水质及出水标准 (1)表2电化学絮凝装置设计参数 (11)表3高级氧化装置设计参数 (12)表4除硬装置设计参数 (13)表5管式膜系统设计参数 (14)表6电渗析系统设计参数 (15)表7反渗透膜系统设计参数 (16)附图图1压裂返排液/钻井废液处理工艺流程图 (2)图2电化学絮凝工艺原理示意图 (4)图3高级氧化工艺原理示意图 (5)图4管式超滤膜分离工艺原理示意图 (6)图5电渗析脱盐工艺原理示意图 (7)图6反渗透膜分离工艺原理示意图 (8)图7板框压滤工艺原理示意图 (9)图8 MVR蒸发器工艺原理示意图 (10)1.概述1.1报告用途本报告用于阐述苏里格气田废弃物处理厂压裂返排液/钻井废液处理系统的工艺设计及核心工艺技术，以供业主方初步评估。
报告包括以下组成部分：1. 概述2. 处理工艺选择3. 核心工艺单元设计4. 自控仪表1.2设计依据本项目设计流量300 m3/d，进水为压裂返排液/钻井废液。
下表为业主方提供的压裂返排液/钻井废液进水水质及处理出水标准。
出水标准需满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002）要求，同时参考《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）要求，出水用于厂区生产、绿化用水等。
项目单位压裂返排液/钻井废液处理出水pH - 4.0~11.0 6.0~9.0CODcr mg/L <7000 <150TSS mg/L <3000 <70TDS mg/L <25000 <1000石油类mg/L <300 <5Ca2+/Mg2+ mg/L <2000 <150色度- <800 <302.处理工艺选择2.1处理工艺概述根据压裂返排液/钻井废液水质特点，采用以电化学絮凝、高级氧化、管式膜和电渗析脱盐为核心的工艺流程，如下图所示：图1压裂返排液/钻井废液处理工艺流程图整套处理系统包括以下核心装置：◆电化学絮凝装置◆高级氧化装置◆管式膜系统◆电渗析脱盐系统工艺流程简述如下：1，压裂返排液/钻井废液由原水池泵入电化学絮凝装置，调节pH后进行电化学反应，去除大部分悬浮物和高分子有机物；2，出水进入高级氧化装置，调节pH后进行芬顿反应，去除难降解有机物；3，投加化学药剂，去除钙镁硬度；4，进入管式膜系统，通过循环浓缩和过滤，分离污泥并排入压滤装置；5，进入电渗析系统，进行脱盐处理，去除绝大部分无机盐，脱盐水进入后续工艺，而浓水进入蒸发器；6，脱盐水进入反渗透膜装置，进行深度过滤，出水排入清水池，反渗透浓水则返回至电渗析装置进行再次脱盐；7，电渗析浓盐水进入蒸发器后，蒸发并结晶，蒸馏水排入清水池；8，污泥进入压滤装置后，进行压滤，滤液返回至管式膜系统进行再次过滤，泥饼转运至储存室。
整套工艺具备以下特点：◆污泥产量低，以进水流量300m3/d计，污泥量为2m3/d◆浓盐水产量低，以进水流量300m3/d计，浓水产量为40m3/d◆占地面积减少省，不需要沉淀池2.2电化学絮凝工艺电化学絮凝工艺可用于去除水中的悬浮物、金属离子等污染物。
在外加电压的作用下，牺牲阳极（Fe或Al）电解产生金属阳离子，阴极电解水产生H2和OH-离子，在电场作用下金属阳离子和OH-离子发生电迁移，在溶液中互相结合并水解生成单核或多核羟基络合物絮体，该絮体具有良好的絮凝、吸附性能，能有效地从废水中去除污染物质。
同时，电极电解过程中会产生大量的O2和H2微小气泡，可粘附在污染物絮体上，通过气浮作用进而使絮体从溶液中分离出来。
此外，电解过程中阳极表面会发生电化学氧化反应，而电解产生的亚铁离子或者铝离子和阴极析出的新生态氢具有较强的还原性，因此电化学絮凝工艺还具有氧化还原功能。
以铁电极为例，电化学过程中发生如下电极反应：2Fe 2e Fe -+-→22Fe 2OH Fe(OH)+-+→↓+-22H 2e H +→↑222H O 2e H 2OH --+→↑+ 相对于传统的化学絮凝工艺，电化学絮凝不需要额外添加絮凝剂，大幅度减少了污泥产量。
此外，通过电极表面形成OH -离子，结合铁、锰等金属离子形成不溶物析出，以实现对金属离子的去除，可有效替代传统的药剂去除工艺。
针对钻井过程中产生的压裂返排液/钻井废液，采用电化学絮凝工艺法替代化学絮凝，絮凝效果更好，污泥产量更少，处理过程如下图所示：图 2电化学絮凝工艺原理示意图2.3高级氧化工艺高级氧化工艺可用于去除废水中的难降解有机物。
采用芬顿（Fenton）氧化为核心，利用H2O2在Fe2+催化下产生羟基自由基，反应方程式如下：Fe2++H2O2→Fe3++OH- +·OH羟基自由基的氧化电位为2.8v，氧化能力仅次于氟，强于高锰酸钾和重铬酸钾，具有极强的电子亲和能力，能与绝大部分物质发生氧化还原反应。
采用Fenton 氧化工艺，可以有效去除难降解有机物。
同时，反应产物为Fe(OH)3和Fe2(SO4)3，还具备絮凝功能。
此外，双氧水本身也是一种环境友好试剂，具有杀毒、漂白、除臭、抗菌作用，且最终水解成H2O和O2，不会引入二次污染。
针对压裂返排液/钻井废液，采用以Fenton反应为核心的高级氧化工艺，利用羟基自由基（-OH）的氧化功能和铁基氢氧化物的絮凝功能，去除其中的难降解有机物。
反应原理如下图所示：图3高级氧化工艺原理示意图2.4化学沉淀工艺化学沉淀工艺可用于去除会产生碳酸根硬度和碳酸氢根硬度的化学污染物。
通过添加化学药剂，使Ca2+和Mg2+分别以碳酸钙和氢氧化镁沉淀物的形式析出，以去除钙硬度和镁硬度。
反应方程式如下：CO32- + Ca2+→CaCO3↓Mg2+ +2OH-→Mg(OH)2↓2.5管式超滤膜分离工艺管式超滤膜分离工艺可用于分离污泥和清液，替代沉淀池。
管式超滤膜分离工艺，包括过滤和浓缩两段工艺。
废水在压力驱使下，通过管式多孔膜，悬浮物与液体分离，实现错流过滤，产生了透过液和浓缩液。
透过液进入下段工艺，而浓缩液被再次泵入管式膜系统进行循环浓缩，达到一定污泥浓度后，排出管式膜系统。
管式超滤膜分离原理如下图所示：图4管式超滤膜分离工艺原理示意图管式超滤膜具有以下优点：1）流道宽，抗污染能力强，适用于高固含量废水；2）滤膜耐受性好，可承受酸性，碱性，漂白和氧化药剂的清洗；3）膜管更换周期长；4）具备分离和浓缩的功能，可替换沉淀池、多介质过滤、砂滤、炭滤、超滤膜分离的组合工艺。
2.6电渗析脱盐工艺电渗析脱盐工艺可用于去除废水中的离子化合物，降低盐度。
电渗析脱盐工艺以离子交换膜为核心，利用离子交换膜在电工作下可对溶液的离子性物质进行脱盐、浓缩、精制及回收。
离子交换膜是使离子有选择性透过的薄膜，大致分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。
在阳离子交换膜中，由于有固定的负电荷交换基，因此只有阳离子能够透过，阴离子受负电荷的排斥，无法透过。
而阴离子交换膜则利用了相反的作用。
电渗析原理是在一对电极间交替配置阳离子交换膜(C)和阴离子交换膜(A),从而构成脱盐室及浓缩室。
向该脱盐室中放入食盐(NaCl)，通过直流电流使阳离子(Na+)聚集到阴极一侧，并透过阳离子交换膜移动到浓缩室。
另外，阴离子(Cl-)聚集到阳极一侧，并透过阴离子交换膜移动到浓缩室。
就这样，在脱盐室去除食盐，又在浓缩室合成食盐。
电渗析脱盐工艺原理如下图所示：图5电渗析脱盐工艺原理示意图2.7反渗透膜分离工艺反渗透膜分离工艺可用于去除废水中的无机盐和小分子污染物。
分离过程中，通过对反渗透膜两侧施加压力，利用膜材料的选择透过性，截留无机盐和小分子物质，从而实现废水的深度分离。
反渗透膜分离能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子等，具备很高的截留率。
同时，反渗透膜分离具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便、运行可靠等诸多优点。
该工艺已被广泛应用于海水淡化、纯水制备、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理等领域。
反渗透膜分离工艺原理如下图所示：图6反渗透膜分离工艺原理示意图2.8板框压滤工艺采用板框压滤工艺对污泥进行深度脱水。
板框压滤适用于压裂返排液处理产生的污泥，进料悬浮物浓度可达10%，泥饼含水率为50~70%。
板框压滤机中，污泥进入各滤板通过外部施压压紧并构成的封闭滤室，并在输料泵的作用下再通过过滤介质(滤布、滤纸等滤材)实现固液分离。
板框压滤原理如下图所示：图7板框压滤工艺原理示意图2.9蒸发结晶工艺采用MVR蒸发器（Mechanical Vapor Recompression，机械蒸汽再压缩）对浓盐水进行蒸发和结晶，得到结晶盐和蒸馏水。
其原理是利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的热焓，被提高热能的二次蒸汽打入蒸发室进行加热，以达到循环利用二次蒸汽已有的热能和依靠蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。
除开车启动外，整个蒸发过程中无需生蒸汽。
MVR蒸发器工作原理如下图所示：图8 MVR蒸发器工艺原理示意图蒸发过程中，溶液在一个蒸发罐里，可通过物料循环泵在加热管内循环。
初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，将溶液加热沸腾产生二次汽，产生的二次汽由蒸汽压缩机吸入，经增压后，二次蒸汽温度提高，作为加热热源进入换热器循环蒸发。
正常启动后，蒸汽压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断地进行循环蒸发。
蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。
3.工艺单元设计3.1电化学絮凝装置设计参数电化学絮凝装置用于去除悬浮物、胶体和高分子有机物。
具体设计参数如下表所示：表2电化学絮凝装置设计参数设计参数数值电化学絮凝装置数量，套 1长，m 4.20宽，m 2.20高，m 3.20 水力停留时间，min 5 最大处理能力，m3/d 300 额定功率，kw 55进水泵数量，台 1 流量，m3/h 50 扬程，m 30 额定功率，kw 54.2高级氧化装置设计参数高级氧化装置用于去除难降解有机物。