快速培養好氧顆粒污泥處理頁巖氣壓裂返排液

鮑 晉，陳曄希

（中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司）

鮑 晉等.快速培養好氧顆粒污泥處理頁巖氣壓裂返排液.鉆采工藝，2019，42（5）：95-98

頁巖氣作為一種非常規天然氣資源，正在改變著國際能源市場格局。近年來，各國都加大了對頁巖氣資源的開發力度［1-2］。但其特殊的壓裂改造工藝給當地造成巨大的環境壓力，這些壓力主要體現在水資源的占用及污染［3-5］。因此，返排液回收再利用是減輕環保壓力、降低生產成本的有效途徑。但是，返排液中含有大量固體懸浮物（200～2 000 mg／L），如果直接回用，可能對地層造成傷害進而影響壓裂改造的效果；返排液長時間存放，由于硫酸鹽還原菌和鐵離子的存在，還會發生“發黑發臭”的現象；返排液還具備高COD（500 ～2 000 mg／L）的特點。所以，返排液回用之前，必須對返排液中的懸浮物固體（SS）、總鐵、COD進行針對性地去除。

本文針對現有物化處理及微生物處理技術所存在的缺陷和不足［6-9］，采用實際頁巖氣壓裂返排液為進水廢液［10-12］，研究了在SBR中通過直接轉化厭氧顆粒污泥的方法快速培養好氧顆粒污泥［13-15］。

一、實驗部分

1.實驗材料

1.1 接種污泥

接種用厭氧顆粒污泥取自污水處理廠UASB，其形態如圖1（a）所示，平均粒徑2.7 mm，MLVSS／MLSS為0.76，SVI為36 mL／g。

圖1 顆粒污泥在各個階段的外觀形態

1.2 實驗廢水

實驗廢水取自四川威遠地區壓裂現場的頁巖氣壓裂返排液，水質指標如表1所示。

表1 返排液水質分析結果

2.實驗裝置

實驗裝置為自制頁巖氣壓裂返排液室內微生物處理流程模擬裝置。該裝置由儲液罐、計量泵、SBR反應器、絮凝沉降罐、高精度加藥泵出水罐等部分組成。SBR反應器具有曝氣泵和曝氣頭，曝氣量在10～50 L／h可控。

3.分析測試方法

混合液懸浮固體濃度（MLSS）、混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）、污泥體積指數（SVI）、固體懸浮物（SS）按照國家環保局編制“水和廢水監測分析方法（第四版）”中標準方法測定［16］。

污泥平均粒徑測定：單個顆粒污泥在顯微鏡下測試粒徑，平均粒徑由隨機測試30顆單個顆粒污泥計算算術平均值得到。

化學需氧量（COD）：采用微波消解法測定。

滑溜水降阻率測試：采用管路摩阻測試系統測試。

4.顆粒微觀結構觀察

顆粒污泥樣品經過2.5%的戊二醛固定12 h，經各級乙醇脫水，干燥后采用離子噴涂儀噴金，后用Hitachi S-3400N掃描電鏡觀察拍照。

二、結果與分析

1.好氧顆粒污泥的培養

SBR中接種取自污水處理廠UASB的厭氧顆粒污泥，污泥的形態如圖1（a）所示，培養過程分三個階段：厭氧顆粒污泥馴化階段、好氧顆粒污泥轉化階段和好氧顆粒污泥成熟階段。

第一階段：厭氧顆粒污泥馴化階段。以實際頁巖氣壓裂返排液為進水廢液，加入CH3COONa為碳源，NH4Cl為氮源配制成進水廢水；SBR反應器以進水—曝氣—沉淀—排水—閑置的方式運行，每天3個周期，每周期8 h；每周期進水15 min，曝氣7 h，靜置沉淀30 min，排水以及閑置共15 min。運行10 d后，顆粒污泥表面黑色開始褪去，并逐漸覆蓋黃褐色絮狀物，顆粒污泥的形態如圖1（b）所示。此時COD去除率＞60%，并保持穩定在60% ～70%之間，馴化階段結束。

第二階段：好氧顆粒污泥轉化階段。實際壓裂返排液為進水廢水，以進水—曝氣—沉淀—排水—閑置的運行方式，每天3個周期，每周期8 h；每周期進水15 min，曝氣7 h，減少靜置沉淀時間至15 min，排水以及閑置共30 min；運行7 d后，顆粒外圍的黑色逐漸褪去，表明厭氧微生物逐漸被淘汰，新的好氧微生物群開始形成，顆粒污泥由黑色轉變為黃褐色，平均粒徑轉變為3.4 mm，此時顆粒污泥的形態如圖1（c）所示。MLVSS／MLSS為0.73，SVI為38 mL／g，好氧顆粒污泥轉化階段結束。

第三階段：好氧顆粒污泥成熟階段。以實際壓裂返排液95%加入5%的滑溜水壓裂液為進水廢水，以進水—曝氣—沉淀—排水—閑置的運行方式，每天3個周期，每周期8 h，進水15 min，曝氣7 h，靜置沉淀20 min，排水以及閑置共25 min；運行7 d后，顆粒污泥由黃褐色轉變為淺黃褐色，粒徑3.6 mm，此時顆粒污泥的形態如圖1（d）所示。MLVSS／MLSS為0.82，SVI為30 mL／g，好氧顆粒污泥成熟階段結束。

2.各個階段顆粒污泥MLVSS增殖率變化

MLVSS的增殖率可以表征污泥的生長速率。接種污泥MLVSS的增殖率隨時間的變化規律如圖2所示。

圖2 顆粒污泥在轉化過程中MLVSS增殖率的變化規律

由圖2可以看出，在1～10 d的馴化階段，MLVSS增殖率先快速下降，在2 d時達到最低值-9%；而后開始上升，在6 d時，增值率為正值，并在10 d時達到最大值5%。在11～17 d的轉化階段，MLVSS增值率緩慢下降至2%。在18～24 d的成熟階段，MLVSS增值率緩慢下降至0.7%并保持穩定。分析認為：在馴化階段，厭氧顆粒在有氧環境下，厭氧微生物種群開始逐步衰退，而好氧微生物種群開始增殖，由于微生物群落的衍變，在1～4 d厭氧微生物衰退的速度大于好氧微生物增殖的速度，宏觀表現為MLVSS的增殖率為負值；隨著有氧環境下，好氧微生物增殖的速度加快，MLVSS的增殖率開始逐步變為正值。在轉化階段，好氧微生物的增長速度繼續高于厭氧微生物衰退的速度，并逐步放緩，因而MLVSS的增殖率也穩定在一個水平內并緩慢下降，直到好氧顆粒完全成熟。

3.顆粒污泥微觀結構的變化

接種厭氧顆粒污泥以及經過三個階段轉變成熟后的好氧顆粒污泥掃描電鏡觀察的微觀結構如圖3所示。

圖3 接種污泥與好氧顆粒污泥掃描電鏡照片

由圖3可以看出，接種厭氧顆粒污泥表面顏色較深，粗糙度較高，整體結構較為致密，如圖3（a）所示；1 000倍放大下，可見顆粒表面微生物以球菌為主，如圖3（b）所示。轉化后的好氧顆粒表面顏色較淺，更加光滑，外觀結構更加致密，如圖3（c）所示；1 000倍放大下，可以觀察到顆粒污泥通過胞外聚合物的粘結作用形成層狀物交錯包裹結構；顆粒外部纏繞有大量的桿菌，如圖3（d）所示。

4.各個階段顆粒污泥對COD的去除效果

厭氧顆粒污泥轉化為好氧顆粒污泥的三個階段進、出水COD以及COD的去除率如圖4所示。

圖4 顆粒污泥在轉化過程中COD去除率的變化規律

由圖4可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，COD去除率先降低，在4 d的時候達到最低17.7%，然后開始緩慢升高，并且在運行10 d后逐漸趨于穩定，此時的COD去除率可達70% ～80%。COD去除率的變化趨勢總體上與MLVSS增值率的變化趨勢相符。分析認為：在馴化階段，厭氧顆粒由于微生物群落的衍變，以及微生態系統對環境變化的適應，導致COD去除率先下降；隨著有氧環境下，好氧微生物種群開始快速增殖，COD去除率開始升高，直至好氧顆粒污泥成熟后，COD去除率趨于穩定。

5.各個階段顆粒污泥對SS的去除效果

厭氧顆粒污泥轉化為好氧顆粒污泥的三個階段進、出水SS以及SS的去除率如圖5所示。

圖5 顆粒污泥在轉化過程中SS去除率的變化規律

由圖5可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，SS去除率先降低，在4 d的時候達到最低45.6%，然后開始緩慢升高，并且在運行10 d后逐漸趨于穩定，此時的SS去除率可達85%左右。在11～17 d，SS去除率下降到80%左右，是由于在第二階段，減少了沉降時間，導致出水SS上升。在18～24 d，SS去除率又上升到85%以上。SS去除率的變化趨勢總體上與COD及MLVSS增值率的變化趨勢相符。

6.各個階段顆粒污泥對總鐵的去除效果

厭氧顆粒污泥轉化為好氧顆粒污泥的三個階段進、出水總鐵以及總鐵的去除率如圖6所示。

圖6 顆粒污泥在轉化過程中總鐵去除率的變化規律

由圖6可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，總鐵去除率先降低，在2 d的時候達到最低67.5%，然后開始緩慢升高，并且在運行10 d后逐漸趨于穩定，此時的SS去除率可達90%以上。總鐵去除率的變化趨勢總體上與COD、SS及MLVSS增值率的變化趨勢相符。

7.返排液處理前后配制滑溜水減阻性能對比

經測試，返排液不經過處理直接配制滑溜水，其減阻率平均值為69%，且波動較大；經過處理后的返排液，減阻率平均值達74.5%，降阻效果及穩定性都得到明顯的提升，可以滿足現場壓裂施工滑溜水配液需求。

三、結論

（1）SBR反應器中接種取自污水處理廠UASB的厭氧顆粒污泥，培養過程分三個階段：厭氧顆粒污泥馴化階段、好氧顆粒污泥轉化階段和好氧顆粒污泥成熟階段，轉化過程總計24 d，相對于常規的35～45 d，得到大幅縮短。

（2）在三個階段的轉變過程中，MLVSS增殖率先為負值后緩慢變為正值，最后穩定在0.7%左右，表明了微生物群落的衍變（厭氧微生物種群衰退，好氧微生物種群增殖）。最終形成的好氧顆粒污泥形態、大小穩定，粒徑3.6 mm，MLVSS／MLSS為0.82，SVI為30 mL／g。

（3）通過掃描電鏡觀察接種的厭氧顆粒污泥及轉化后的好氧顆粒污泥，可以發現，轉化后的好氧顆粒污泥表面顏色更淺，表面更為光滑，主導微生物由球菌轉變為桿菌。

（4）成熟后的好氧顆粒污泥處理頁巖氣壓裂返排液，化學需氧量（COD）去除率穩定在70%～80%；懸浮固體（SS）去除率穩定在85%以上；總鐵去除率穩定在90%以上，表現出優良的處理效果。

（5）經過處理后的返排液，減阻率平均值達74.5%，降阻效果及穩定性都得到明顯的提升，可以滿足現場壓裂施工滑溜水配液需求。