公布日：2022.08.16
申請(qǐng)日：2022.04.13
分類(lèi)號(hào)：C02F9/14(2006.01)I;C02F1/78(2006.01)I;C02F1/72(2006.01)I;B01J23/745(2006.01)I;C02F101/30(2006.01)N;C02F103/10(2006.01)N
摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，包括依次通過(guò)管道連接的預(yù)處理器、高級(jí)氧化發(fā)生器、混合池、生物反應(yīng)器；高級(jí)氧化發(fā)生器接有通入臭氧的管道，混合池接有通入城市生活污水的管道，生物反應(yīng)器內(nèi)還接有通入空氣的管道，生物反應(yīng)器排出凈化水的出水口。對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液處理過(guò)程如下：1）加入預(yù)處理器，進(jìn)行預(yù)處理，獲得上清液；2）再將上清液進(jìn)入高級(jí)氧化發(fā)生器進(jìn)行氧化，獲得高級(jí)氧化后污水；3）接著與城市生活污水混合，輸送至生物反應(yīng)器，進(jìn)行微生物處理，使水樣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的凈化水。本發(fā)明將氧化和生物法結(jié)合，使壓裂返排液氧化處理后達(dá)到排放要求，利用生活污水補(bǔ)充氮、磷，實(shí)現(xiàn)與生活污水聯(lián)合處理。
權(quán)利要求書(shū)
1.一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，其特征在于，包括依次通過(guò)管道連接的預(yù)處理器、高級(jí)氧化發(fā)生器、混合池、生物反應(yīng)器；所述高級(jí)氧化發(fā)生器還從外部接有通入臭氧的管道，所述混合池還接有通入城市生活污水的管道，所述生物反應(yīng)器內(nèi)還從外部接有通入外部空氣的管道，所述生物反應(yīng)器底部設(shè)有排出凈化水的出水口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，其特征在于，還包括臭氧輸入器，所述臭氧輸入器包括氧氣瓶與臭氧發(fā)生器，所述氧氣瓶的輸出管與臭氧發(fā)生器的輸入管相通，所述臭氧發(fā)生器的輸出管延伸至高級(jí)氧化發(fā)生器內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，其特征在于，還包括空氣泵，所述空氣泵輸出高壓空氣的管道延伸至生物反應(yīng)器內(nèi)，所述輸出高壓空氣的管道上還安裝有轉(zhuǎn)子流量計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，其特征在于，所述高級(jí)氧化發(fā)生器與混合池均設(shè)置有混合攪拌裝置，所述生物反應(yīng)器為序批式生物膜反應(yīng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的系統(tǒng)對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將頁(yè)巖氣壓裂返排液加入預(yù)處理器，將混凝劑和助凝劑對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液進(jìn)行混凝處理，去除頁(yè)巖氣壓裂返排液中的懸浮物和部分有機(jī)物，獲得上清液；(2)使預(yù)處理器內(nèi)的上清液進(jìn)入高級(jí)氧化發(fā)生器，在高級(jí)氧化發(fā)生器內(nèi)通過(guò)羥胺和Fe-Al2O3協(xié)同催化臭氧工藝對(duì)上清液進(jìn)行氧化，去除上清液中的部分有機(jī)物和難以生物降解的大分子有機(jī)物，大幅度提升上清液的可生化性，獲得高級(jí)氧化后污水；(3)將獲得的高級(jí)氧化后污水輸送至混合池與城市生活污水按1:1混合，接著將混合后的污水輸送至生物反應(yīng)器，利用生物反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)馴化的微生物群落，并通過(guò)通入空氣曝氣，將混合液中的有機(jī)物降解成穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物，使水樣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述混凝劑為聚合氯化鋁，所述助凝劑為聚丙烯酰胺；所述頁(yè)巖氣壓裂返排液加入預(yù)處理器的預(yù)處理過(guò)程為：將頁(yè)巖氣壓裂返排液的pH調(diào)為中性，再在壓裂返排液中加入聚合氯化鋁，用量不小于400mg/L，攪拌5min，再加入聚丙烯酰胺，用量為20mg/L，慢速攪拌1min后，靜置30min，即得上清液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6或5所述的對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，高級(jí)氧化發(fā)生器中羥胺和Fe-Al2O3協(xié)同催化臭氧工藝對(duì)上清液進(jìn)行氧化的具體過(guò)程為：(2.1)采用浸漬-煅燒法制備Fe-Al2O3催化劑；(2.2)用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)上清液的pH值，使得上清液的初始pH為3.3-7.7；(2.3)不斷攪拌調(diào)節(jié)好初始pH值的上清液，向其中通入臭氧，臭氧的流量不小于0.2L/min，并立即加入Fe-Al2O3催化劑與羥胺溶液，其中Fe-Al2O3催化劑加入量不小于5g/L，羥胺溶液添加量不小于
0.01g/L，攪拌反應(yīng)20-50min即完成對(duì)上清液的氧化處理過(guò)程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，所述步驟(2.3)中，上清液的初始pH值為6.7，臭氧的流量為0.2L/min，F(xiàn)e-Al2O3催化劑加入量為5.26g/L，羥胺溶液添加量為0.1g/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或5所述的對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，生物反應(yīng)器的進(jìn)排水量均為反應(yīng)器有效體積的50-80％，反應(yīng)周期為24h，其中混合污水進(jìn)入時(shí)間為0.5h，曝氣時(shí)間為18-20h，停止曝氣時(shí)間3-5h，排水時(shí)間0.5h。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或5所述的對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，微生物群落的馴化過(guò)程為，以城市污水處理廠二沉池出水的活性污泥為底泥，以城市生活污水：高級(jí)氧化后污水比依次為9:1、4:1、7:3、3:2的比例馴化40-60天即可，其中每個(gè)比例馴化10-15天。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種出水COD值穩(wěn)定，成本較低，為微生物提供充足氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于基于上述系統(tǒng)將頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的系統(tǒng)，其特征在于，包括依次通過(guò)管道連接的預(yù)處理器、高級(jí)氧化發(fā)生器、混合池、生物反應(yīng)器；所述高級(jí)氧化發(fā)生器還從外部接有通入臭氧的管道，所述混合池還接有通入城市生活污水的管道，所述生物反應(yīng)器內(nèi)還從外部接有通入外部空氣的管道，所述生物反應(yīng)器底部設(shè)有排出凈化水的出水口。
本技術(shù)方案的工作原理為，將經(jīng)過(guò)催化臭氧氧化的壓裂返排液與城市生活污水協(xié)同處理，其中城市生活污水的添加能降低生物反應(yīng)體系的生物毒性，為生物反應(yīng)體系補(bǔ)充微生物生長(zhǎng)所需的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(碳、氮、磷)，給體系微生物的生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)生活污水與壓裂返排液的聯(lián)合處理。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步地，還包括臭氧輸入器，所述臭氧輸入器包括氧氣瓶與臭氧發(fā)生器，所述氧氣瓶的輸出管與臭氧發(fā)生器的輸入管相通，所述臭氧發(fā)生器的輸出管延伸至高級(jí)氧化發(fā)生器內(nèi)。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步地，還包括空氣泵，所述空氣泵輸出高壓空氣的管道延伸至生物反應(yīng)器內(nèi)，所述輸出高壓空氣的管道上還安裝有轉(zhuǎn)子流量計(jì)。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步地，所述高級(jí)氧化發(fā)生器與混合池均設(shè)置有混合攪拌裝置，所述生物反應(yīng)器為序批式生物膜反應(yīng)器。
根據(jù)上述系統(tǒng)對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液與生活污水聯(lián)合處理的方法，包括以下步驟：
(1)將頁(yè)巖氣壓裂返排液加入預(yù)處理器，將混凝劑和助凝劑對(duì)頁(yè)巖氣壓裂返排液進(jìn)行混凝處理，去除頁(yè)巖氣壓裂返排液中的懸浮物和部分有機(jī)物，獲得上清液；
(2)使預(yù)處理器內(nèi)的上清液進(jìn)入高級(jí)氧化發(fā)生器，在高級(jí)氧化發(fā)生器內(nèi)通過(guò)羥胺和Fe-Al2O3協(xié)同催化臭氧工藝對(duì)上清液進(jìn)行氧化，去除上清液中的部分有機(jī)物和難以生物降解的大分子有機(jī)物，大幅度提升上清液的可生化性，獲得高級(jí)氧化后污水；
(3)將獲得的高級(jí)氧化后污水輸送至混合池與城市生活污水按1:1混合，接著將混合后的污水輸送至生物反應(yīng)器，利用生物反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)馴化的微生物群落，并通過(guò)通入空氣曝氣，將混合液中的有機(jī)物降解成穩(wěn)定的無(wú)機(jī)物，使水樣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
本技術(shù)方案的核心步驟在于步驟(2)，即在高級(jí)氧化發(fā)生器內(nèi)通過(guò)羥胺和Fe-Al2O3協(xié)同催化臭氧工藝對(duì)上清液進(jìn)行氧化的過(guò)程，其具體氧化機(jī)理如下：
①Fe-Al2O3與O3之間的作用
與單獨(dú)O3氧化相比，F(xiàn)e-Al2O3/O3工藝對(duì)CODCr和DOC均有一定的去除，表明Fe-Al2O3能很好的催化O3。這可以歸結(jié)于以下3點(diǎn)：1)Fe-Al2O3表面的Fe氧化物會(huì)催化臭氧分解，此外，在酸性或中性條件下，F(xiàn)e氧化物表面能產(chǎn)生羥基，羥基被O3吸收后產(chǎn)生•OH，進(jìn)一步氧化污染物；2)溶液中的O3會(huì)在γ-Al2O3的作用下產(chǎn)生•OH，吸附于Fe-Al2O3的污染物會(huì)在溶液及催化劑表面產(chǎn)生的•OH作用下氧化降解；3)在酸性條件下，溶液中的H+會(huì)侵蝕負(fù)載于Al2O3表面的Fe氧化物，產(chǎn)生Fe2+/Fe3+，F(xiàn)e2+/Fe3+會(huì)促進(jìn)O3產(chǎn)生•OH
，增強(qiáng)體系對(duì)污染物的氧化作用，具體反應(yīng)式如下：
FeO+2H+→Fe2++H2O
Fe2O3+6H+→2Fe3++3H2O
Fe2++O3→O2+FeO2+
H2O+FeO2+→•OH+Fe3++OH—
Fe2++FeO2++2H+→H2O+2Fe3+
Fe3++O3→FeO2++•OH+O2+H+
②HA與O3之間的作用
HA與O3之間的反應(yīng)主要受pH的影響。當(dāng)pH存在，當(dāng)
5.96<pH13.74時(shí)，HA在溶液中主要以NH2O-形式存在。在酸性、中性和弱堿性的條件下，HA均能促進(jìn)O3的分解，即質(zhì)子化和非質(zhì)子化都能促進(jìn)O3的分解。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)HA與O3的反應(yīng)速率不同，非質(zhì)子化與O3的反應(yīng)速率要遠(yuǎn)快于和質(zhì)子化與O3的反應(yīng)速率。在酸性條件下，HA與O3主要的反應(yīng)如下：
+NH3O—+O3→NH3O•++O3•—O3•—+H+→HO3•HO3•→•OH+O2
而在本文中，，HA/O3工藝下，CODCr和DOC均有不同程度的上升，但在HA濃度對(duì)DOC去除的影響中表明，HA仍然能促進(jìn)O3的分解，本文中HA與O3的反應(yīng)遵循上述反應(yīng)式。
③HA與Fe-Al2O3之間的作用
HA/Fe-Al2O3/O3工藝對(duì)CODCr和DOC的去除均大于HA/O3和Fe-Al2O3/O3工藝。特別是在Fe-Al2O3/O3工藝中引入HA后，DOC去除率顯著增加，而在HA/O3處理后CODCr和DOC均有增加，表明HA在HA/Fe-Al2O3/O3工藝中以非直接催化O3的方式強(qiáng)化體系氧化性能。氧化前后催化表面的Fe元素變化表明，HA使催化劑表面的≡Fe(Ⅲ)向≡Fe(Ⅱ)轉(zhuǎn)化，因此，溶液中Fe-Al2O3表面形成的羥基配體(≡Fe(Ⅲ)-OH)會(huì)與N2HOH反應(yīng)生成≡Fe(Ⅱ)-OH，促進(jìn)了Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循環(huán)，進(jìn)而提升體系氧化性能。
≡Fe(Ⅲ)-OH+N2HOH→≡Fe(Ⅱ)-OH+NH2O•+H+
④O3直接氧化
O3作為一種強(qiáng)氧化劑，會(huì)與含不飽和鍵的有機(jī)物進(jìn)行加成反應(yīng)，使有機(jī)物降解。在本研究中，單獨(dú)O3處理工藝在氧化60min后，CODCr和DOC均有不同程度的上升，指出O3能降解壓裂返排液中的部分大分子難降解有機(jī)物，從而提升水樣的可生化性，但是不能將污染物完全礦化，而在本文中也有相同的發(fā)現(xiàn)。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，所述混凝劑為聚合氯化鋁，所述助凝劑為聚丙烯酰胺；所述頁(yè)巖氣壓裂返排液加入預(yù)處理器的預(yù)處理過(guò)程為：將頁(yè)巖氣壓裂返排液的pH調(diào)為中性，再在壓裂返排液中加入聚合氯化鋁，用量不小于400mg/L，攪拌5min，再加入聚丙烯酰胺，用量為20mg/L，慢速攪拌1min后，靜置30min，即得上清液。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，高級(jí)氧化發(fā)生器中羥胺和Fe-Al2O3協(xié)同催化臭氧工藝對(duì)上清液進(jìn)行氧化的具體過(guò)程為：
(2.1)采用浸漬-煅燒法制備Fe-Al2O3催化劑；
(2.2)用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)上清液的pH值，使得上清液的初始pH為3.3-7.7；
(2.3)不斷攪拌調(diào)節(jié)好初始pH值的上清液，向其中通入臭氧，臭氧的流量不小于0.2L/min，并立即加入Fe-Al2O3催化劑與羥胺溶液，其中Fe-Al2O3催化劑加入量不小于5g/L，羥胺溶液添加量不小于0.01g/L，攪拌反應(yīng)20-50min即完成對(duì)上清液的氧化處理過(guò)程。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(2.3)中，上清液的初始pH值為6.7，臭氧的流量為0.2L/min，F(xiàn)e-Al2O3催化劑加入量為5.26g/L，羥胺溶液添加量為0.1g/L。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，生物反應(yīng)器的進(jìn)排水量均為反應(yīng)器有效體積的50-80％，反應(yīng)周期為24h，其中混合污水進(jìn)入時(shí)間為0.5h，曝氣時(shí)間為18-20h，停止曝氣時(shí)間3-5h，排水時(shí)間0.5h。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法，進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，微生物群落的馴化過(guò)程為，以城市污水處理廠二沉池出水的活性污泥為底泥，以城市生活污水：高級(jí)氧化后污水比依次為9:1、4:1、7:3、3:2的比例馴化40-60天即可，其中每個(gè)比例馴化10-15天。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
(1)本發(fā)明一方面將氧化和生物法結(jié)合，既能克服壓裂返排液氧化處理后，有機(jī)物等指標(biāo)難達(dá)到排放要求的問(wèn)題，另一方面，在處理對(duì)象上將壓裂返排液和市政生活污水處理相結(jié)合，利用生活污水中的氮、磷，補(bǔ)充壓裂返排液生物處理中氮、磷不足的問(wèn)題，從而能夠在高效低成本處理壓裂返排液的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了生活污水的聯(lián)合處理；
(2)本發(fā)明基于HA/Fe-Al2O3/O3的處理方法，將經(jīng)過(guò)預(yù)氧化的壓裂返排液與城市污水處理廠處理工藝相結(jié)合，使壓裂返排液處理實(shí)現(xiàn)“工廠化”運(yùn)行，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效處理的目的，F(xiàn)e-Al2O3作為催化劑，更為廉價(jià)、催化效率高、易制備、可反復(fù)利用和不產(chǎn)生二次污染的特點(diǎn)，能有效減少催化劑的使用；
(3)本發(fā)明生物法中微生物群落能夠經(jīng)過(guò)城市生活污水中的微生物群落馴化培養(yǎng)得到，因此其來(lái)源廣，成本低，且處理效率高；
(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，功能完善，解決了單獨(dú)使用高級(jí)氧化處理壓裂返排液出水COD不穩(wěn)定、成本高，以及單獨(dú)使用生物法處理壓裂返排液時(shí)，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素含量不足的問(wèn)題，其效果顯著，具有良好的發(fā)展前景，適宜廣泛推廣應(yīng)用。
（發(fā)明人：潘志成;馬麗麗;劉宇程;費(fèi)俊杰;白楊;馬鵬超;彭玉梅;鐘亞萍;邱戀）
