淺談頁巖氣開發過程中的水處理技術

摘 要：本文介紹了為實現我國頁巖氣開發跨越式發展提供了技術支撐的美國頁巖氣返排廢水處置方式。結合我國實際情況，對這種處置方式進行了利用和改變，提出了多種處理方式并行的組合工藝，分級處理無法回用的廢水，回用經處理的廢水等建議，從而實現保護環境和降低成本的雙重目標。

關鍵詞：頁巖氣開發;廢水;水處理技術

伴隨著全球經濟快速增長，油氣能源的需求也日益增長，常規的油氣資源儲備量迅速下降，利用速度卻在不斷的加快，導致油氣資源矛盾成為全球性的矛盾。美國依靠“頁巖氣革命”大幅降低了能源緊缺感，實現了能源自足，也為緩解全球能源供需矛盾提供了有效的途徑。天然氣在許多國家的儲量非常豐富，大規模開發頁巖氣可以帶來顯著的經濟效應，但是大規模開發頁巖氣對環境帶來的負面影響也值得我們的注意，主要包括大量水資源的浪費以及污染、空氣污染、噪聲污染等。

由于人口數量多，我國是全球第二大能源進口和消費國，對于油氣資源需求很大。我國頁巖氣儲量占據著顯著的優勢，大力開發頁巖氣可以滿足國民經濟快速發展的需求，但是由于開發較晚，因此技術不是先進，美國是最早開發頁巖氣的國家，因此，他們具有豐富的經驗，我們可以借鑒美國頁巖氣廢水處理的方式并結合我國的實際情況，總結出一套成熟的頁巖氣廢水處置方法。

1 頁巖氣開發過程中返排廢水的特征

頁巖層含水量極低，頁巖氣開發室作業結束后，返排至地面的壓裂返排液稱為返排廢水，返排液的水量初期較大，且持續幾天到幾周不等。后期水量較小且生產過程中一直持續，也稱為產出水。

頁巖氣開采時添加了含量不等的各種化學物質，比如酸、鹽等。這是為了誘導儲層裂縫以及保護開采設備。開采作業完成后，返排水長時間接觸頁巖氣層，與油脂、酚類、酮類、重金屬等多種污染物廣泛接觸，導致返排廢水的成分復雜，因此其處理有很大的難度。

2 返排廢水處置方式

合理選擇返排廢水的處置方式，需要綜合考慮當地的政策法規，氣田的開采方法，廢水的水質情況以及水處理設施等多種因素。

2.1 深井回注

深井回注是指利用泵裝置，加壓返排廢水，之后再注入到指定的可接納處理水的地層，這個方法適用于水質高，符合回注水標椎，附近有可供回注的地層的頁巖氣田。雖然深井回注這種方式具有工藝簡單，投資少等優點，但是也面臨著回注井數量需求大，回注水標準嚴格等問題。

2.2 部分處理后內部回用

部分處理后內部回用是指利用頁巖氣田水處理廠對返排廢水進行處理之后，混合清水與處理后的廢水，重新用于該頁巖氣田的開采作業，適用于水質不高，達不到外排標準，當地水資源又比較匱乏的頁巖氣田。其優點是節約水資源，處理成本低，環境污染小。但是由于回用的返排廢水組成成分比較復雜，可能會腐蝕鋼管，導致氣井壁阻塞，產氣效果下降等不良影響。

2.3 處理達標后外排

處理達標后外排是返排廢水經過頁巖氣田的水處理廠處理，或者經過市政污水廠處理之后，達到相應的外排標準，可以排入地表水，用于農田的灌溉，牲畜飲水等。適用于附近回注地層缺乏，廢水中TDS含量較小，水處理裝置配備完善的頁巖氣田。處理達標后外排的水，可以減少頁巖氣田開采對當地水資源的危害，但是處理的工藝比較復雜，水處理廠的建設和運營需要的投資比較大。

3 處理新技術

由于不同地區的頁巖氣返排廢水水質特征以及處理要求存在的差異，把返排廢水的處理分為了三級。

一級預處理工藝：利用沉降分解法，過濾法，水力漩渦法，絮凝法等方式，去除水中油脂、懸浮物顆粒和壓裂液殘余成分。

二級軟化處理工藝：利用化學沉淀法，電解法，離子交換法等處理廢水中的鈣、鎂、鋇、鍶等二價金屬離子。

三級拖延處理工藝：是最難處理的階段，主要利用機械蒸汽壓縮技術，膜蒸餾技術，超濾技術，熱處理技術，滲透技術等，降低水中的鹽濃度，特別是氯離子的濃度。

3.1 臭氧催化氧化技術

在臭氧和催化劑進行催化氧化反應的過程中會陳勝大量的羥基自由基，這種羥基自由基具有的強氧化性，利用這種強氧化性可以去除返排廢水中的可溶性有機物，油脂以及重金屬。雖然臭氧具有很強的氧化能力，但是單一的使用臭氧處理技術，只能選擇性去除頁巖氣返排廢水中的污染物，也就是與臭氧反應速率較快的成分，因此通常使用臭氧與催化劑合用的催化氧化技術。

臭氧和催化氧化劑聯合使用，可以在不使用化學藥劑的情況下，利用臭氧有效的破壞細胞壁，殺滅細菌，除菌率接近百分百。

3.2 超聲波--臭氧氧化--電絮凝--反滲透技術

這四種處理方式緊密結合，可以產生良好的協同效應。首先，利用超聲波和臭氧氧化作用可以去除返排廢水中的有機物以及重金屬，其次利用電絮凝技術去除廢水中的懸浮物，最后通過反滲透處理可以使廢水變為清水。

超聲波--臭氧氧化--電絮凝--反滲透技術分為三個步驟：①把廢水放于罐中進行自然沉降，去除廢水中的固體顆粒;②過濾去除廢水中的懸浮物;③通過超聲波--臭氧氧化--電絮凝進行處理，也就是在返排廢水中混入過飽和的臭氧水，臭氧可以氧化廢水中所含（下轉第77頁）（上接第75頁）的羥基類物質，利用超聲波除去油脂和懸浮物。

3.3 機械蒸汽再壓縮技術

機械蒸汽再壓縮技術（MVR）是指在返排廢水處理時應用蒸餾技術，將蒸發器中產生的二次蒸汽通過壓縮，混合入新鮮蒸汽再次利用作為加熱源，不僅充分利用了本來要被廢棄的蒸汽，而且降低了蒸發耗能，大幅度提高了能源的使用效率。

3.4 步進沉淀技術

步進沉淀技術是指在一定的pH和氧化還原電位下，加入硫酸鹽形成硫酸鋇沉淀，在分別加入碳酸鈉和氫氧化鈉，形成鎂、鈣、鐵、錳、和鍶沉淀，可以避免傳統沉淀技術帶來的出水水質過硬，以及后續鹽鹵水凝結濃縮困難等問題。

3.5 移動電凝技術

移動電凝技術是指將紫外線、電絮凝和過濾技術集合為一體，起到殺菌、絮凝懸浮物、去除絮凝物的作用。當頁巖氣返排廢水通過電絮凝裝置時，裝置陽極會釋放正電離子，正電離子可以與廢水中各個膠體顆粒表面的負電離子結合，打破了膠體分子穩定的分散狀態，使膠體因電荷吸附作用而聚集，膠體聚集導致質量增大，容易沉淀;同時，裝置陰極產生的氣泡會附著在聚集的膠體表面，導致較輕的絮體上浮，較重的絮體下沉至底部。

3.6 生物降解--離子交換復合技術

這項技術將頁巖氣返排廢水的處理分為了兩個階段：①在初期四年，將返排廢水經沉淀過濾后，進行好氧及厭氧生物處理，除去殘余的添加劑之后，進行回收;②在處理后的返排水中加入新鮮水，利用膜生物反應器進行反滲透離子交換，去除過量溶解性固體有機化合物等物質。

4 結束語

我國頁巖氣儲備豐富，開發潛力巨大，隨著頁巖氣開發的逐步推進，返排廢水的處理成為了關鍵。雖然我國加大了研究如何處理，回收，利用頁巖氣返排廢水的力度，但是總體上處于初步的起步階段，因此在處理方式和裝置等方面還需要進一步的學習和完善。美國頁巖氣開發起步早，相應的的返排廢水處理技術也較為成熟，因此，可以借鑒美國的先進工藝，取長補短，結合我國的具體情況，大力推動我國頁巖氣返排廢水處理技術大力發展。要做到開發與環境保護兩頭抓，從多方面進行綜合考慮，加大返排廢水處理的投入，無法回用的廢水必須經過三級處理之后才能外排，將其他途徑產生的廢水處理后用于頁巖氣行業的研究，減少水資源消耗。

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作者簡介：

李靖（1985- ），男，四川自貢人，本科，工程師，主要從事鹽化工及環境科研工作。