煤層氣采出水達標排放處理工藝試驗＊

李秀敏 云 箭 王占生 陳 曦 胡喚雨 李 穎 王 磊 李延隆

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中石油煤層氣有限責任公司；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司)

0 引 言

煤層氣是煤的伴生礦產資源，屬非常規天然氣，是近一二十年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。煤層氣田規模化開發，在獲得煤層氣的同時，也產生大量采出水。煤層氣井場大多均在高差起伏溝壑縱深的大山地、黃土塬地區，井場點多、面廣和分散且周圍環境極其敏感。因此在開發利用過程中煤層氣采出水達標排放處理成為一個重要的問題。目前達標處理方法有氧化、絮凝工藝，能達到GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》排放標準，主要存在處理成本高，處理后出水不穩定等問題。

煤層氣采出水若不經處理直接用于土壤灌溉，水中含有的大量的鹽、有機物及一些有毒重金屬會進入土壤。這些物質進入土壤中會導致土壤理化性質及生物學性質發生一系列改變，從而使得土壤質量下降[1-2]。根據環保法規和不同地區現行廢水排放污染控制標準體系要求，鄂東區塊某公司主要遵循的排放標準為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準、DB 61/224—2011《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準》(一級標準)等。

1 煤層氣采出水主要處理方法

國內外對煤層氣采出水的處理后的去向有以下四種：處理后地面蒸發、回注地下、處理后達到GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》排放、資源化利用[3]。

地面蒸發適用于水質很差的采出水，最大缺點是占地面積大，對地形要求高，已不推薦使用。回注地下，一般會因回注地下處理方法受地層條件限制，費用較高[4]。地面達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準、DB 61/224—2011《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準》(一級標準)排放有排入河流和用于農業兩種，當排放的采出水量遠遠小于河流流量時，處理后可以利用河流水體稀釋法，將采出水直接排入附近河流中。若處理后的水達到GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》，可用于農田灌溉[5]。

由于自然條件等因素，井場地面蒸發、回注地下很難達到預期效果與目的，時常存在采出水的溢流或滲漏等問題。集中處理后排放與利用目前研究最多，典型煤層氣采出水的利用與排放處理工藝有：酸性采出水處理，以石灰石為中和劑的主要有石灰石中和滾筒過濾法、升流膨脹過濾中和法，主要工藝流程為中和曝氣混凝沉淀過濾工藝流程見圖1。

圖1 石灰中和過濾法工藝流程

對于含鐵酸性廢水有先生化后中和的處理工藝，典型工藝流程為生化中和絮凝沉淀過濾工藝處理，見圖2。

圖2 含鐵酸性采出水處理工藝流程

中性或弱堿性采出水處理，主要工藝有物化處理或物化—生態濕地處理工藝。根據來水水質和處理后水的去向或用途不同，處理流程各異，包括如下處理工藝：

混凝沉降工藝適用于懸浮固相高，溶解性CODCr較低的煤層氣采出水的混凝沉降處理，見圖3。

圖3 煤層氣采出水混凝沉降處理流程示意

氧化處理工藝適用于溶解性難生物降解CODCr較高的采出水，處理后可達標排放，見圖4。采用多效電催化氧化技術處理煤層氣采出水CODCr，處理后水質滿足水質滿足GB 8978—1996 《污水綜合排放標準》中一級標準的要求[6]。

圖4 煤氣層采出水氧化處理工藝流程

反滲透、超濾-反滲透核和超濾-納濾工藝溶解性CODCr較低，含鹽量較高采出水的資源化利用處理，見圖5。

圖5 煤層氣采出水超濾-納濾處理工藝流程

資源化利用，研究發現煤層氣采出水用于壓裂液配制，添加劑配伍性及利用采出水配制表面活性劑壓裂液性能進行試驗評，采出水與壓裂液添加劑配伍性良好，利用采出水配制的壓裂液黏度穩定，攜砂性能良好；破膠徹底，對儲層傷害小，現場成功試驗兩口井[7]。

綜上所述，四種煤層氣采出水的去向處理方法各自具有適宜的條件，并存在技術與經濟性的差異，達標排放與資源化利用已成為煤層氣采出水處理技術研究與應用的主要方向。目前煤層氣采出水排放存在的主要問題有：一是大多采用以化學氧化降低CODCr為主體的工藝，大量化學物質的加入增加了排放處理難度；二是處理后出水CODCr、BOD5、NH3-N等部分指標波動較大且處理成本較高。提出需要針對某一地區采出水水質特征提出針對性地工藝。

2 某區塊煤層氣采出水質分析

2.1 鄂東區塊煤層氣采出水質情況分析

鄂爾多斯盆地是中國煤層氣資源最豐富的盆地，盆地東緣行政區域隸屬內蒙古、陜西、山西3 省(區)，主體沿黃河流域呈南北向分布，南北長逾560 km，東西寬50～200 km，面積約8×104km2[8]。該區塊所屬的韓城地區潛水多為重碳酸鈣鈉型水，鈣化度0.25 g/L左右。承壓水則多為氯化物型水，礦化度為1～2 g/L。

據統計鄂東區塊某站煤層氣采出水產生量約1.8萬m3/d，年約600萬m3。根據煤層氣場站現場跟蹤監測采出水超標污染物，檢測結果表明采出水主要超標污染物為CODCr、NH3-N。2016—2018年針對區塊內130口井煤層氣采出水取樣，發現采出水單井水質指標值波動較大，水質檢測結果見表1。一體化撬裝設備處理井臺采出水效果數據見表2。

表1 鄂東區塊某公司煤層氣采出水水質指標mg/L

*GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準；**DB 61/224—2011《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準》(一級標準)。

表2 一體化撬裝設備處理井臺采出水效果數據mg/L

2.2 鄂東區塊某公司煤層氣采出水處理現狀

目前，鄂東區塊某公司井場煤層氣采出水主要采用撬裝設備集中收集處理并排放。煤層氣采出水經管道運送或水車拉運到處理站集中處理，煤層氣采出水經過一體化撬裝水處理設備進行過濾、氧化統一排至蓄水池，經多介質過濾器去除水中的懸浮物、膠體等雜質，再經一體化高級氧化去除分離原水中的CODCr等溶解性雜質。若排采水中的某些離子超標，再采用離子特效分離器降低超標離子濃度，使其外排。排采水一體化撬裝設備水處理工藝流程如圖6所示。

圖6 一體化撬裝設備水處理工藝流程

由表1、表2可知，在遵循黃河流域標準時，該處理工藝對煤層氣采出水中BOD5、CODCr等污染物的去除效果良好。

因此，針對作業區煤層氣采出水的水質特征，開發煤層氣采出水低成本、高效率處理工藝，對企業穩健發展顯得尤為重要。

3 鄂東區塊某公司煤層氣采出水曝氣生物濾池處理工藝試驗研究

3.1 處理工藝流程

煤層氣采出水排放處理總體工藝流程如下：經過水質調節后的采出水進入曝氣生物濾池單元，利用池內培養的有針對性的微生物進行高效生化處理。曝氣生物濾池單元內裝填生物載體，便于微生物的富集；池底安裝管式曝氣器用于曝氣，為微生物好氧生物降解污染物提供必要的氧氣；生化反應產生的污泥通過底部設置的排泥管定期排入污泥池。滿足曝氣生物濾池單元進水水質、水量要求的的采出水，經曝氣生物濾池單元生物降解后達到排放要求，進入集水池2，然后根據水質情況直接進入出水槽達到GB 8978—1996 《污水綜合排放標準》，或經過活性炭過濾后再進入出水槽排放。煤層氣采出水達標排放處理總體工藝流程見圖7。

圖7 煤層氣采出水達標排放處理總體工藝流程

3.2 試驗材料與裝置

試驗材料為鄂東某煤層氣開采站集中處理站調節池內的煤層氣采出水。采出水CODCr為55～150 mg/L、氨氮為1.7～2.6 mg/L。高效微生物菌種，啟動試驗裝置需要投加材料包括白糖、尿素、磷鹽等營養鹽、生活污水。

煤層氣采出水曝氣生物濾池處理裝置包括6級池體，單級尺寸0.15 m×0.15 m×1.50 m，有效高度1.20 m，有效容積155 L，池體中投加占曝氣池有效容積40%～60%的大孔生物載體、曝氣泵、流量泵30 L/h、分析儀器包括哈希水質CODCr、NH3-N快速分析儀等。

3.3 試驗方法

將采出水和清水按1∶1混合后進入試驗裝置，關閉進水閥和出水閥，按比例投加白糖，尿素，磷鹽等營養鹽，開啟曝氣裝置進行曝氣，連續監測CODCr的變化。經過7 d載體掛膜成功，微生物長勢良好。系統直接進現場調節池原水，逐步減少至不投加營養鹽。經過32 d系統穩定運行時，連續每日監測進出水CODCr和NH3-N的變化。

曝氣生物濾池中的水力停留時間表征設備處理能力，是設備最重要參數之一，設備初步按照負荷52 h運行。設備運行平穩后逐漸調低水力停留時間到最大處理能力，依次設置39，31，28，26，22，16，12，8，6.7 h(即流量為3.8，4.8，5.4，5.8，6.8，9.4，12.5，19，23 L/h)等不同負荷的試驗。逐漸增加調節流量減小停留時間，每個停留時間平穩運行約4 d，共運行36 d，連續每日監測進出水CODCr和NH3-N的變化。

4 試驗結果與討論

4.1 曝氣生物濾池處理效果

曝氣生物濾池置于常溫下平穩運行40 d后，調節水力停留時間為39 h時，煤層氣采出水處理前后連續每天的CODCr、NH3-N檢測結果見表3。

表3 裝置連續進出水水質指標的變化 mg/L

由表3可知，曝氣生物濾池系統進水CODCr平均值約120 mg/L，氨氮平均值1.97 mg/L，經固定化微生物裝置處理后，系統出水CODCr平均值39.8 mg/L，氨氮均低于檢出限(0.04 mg/L)，符合DB 61/224—2011《黃河流域(陜西段)污水綜合排放標準(一級標準)》、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準(CODCr≤40 mg/L，NH3-N≤2.0 mg/L)。試驗結果表明該曝氣生物濾池裝置可處理煤層氣采出水。

4.2 曝氣生物濾池處理工藝參數優化

表4為停留時間39，31，28，26，22，16，12，8，6.7 h時，進出水CODCr、NH3-N處理效果。考察最短處理水力停留時間。

表4 停留時間與處理效果 mg/L

試驗表明縮短停留時間至6.7 h，曝氣生物濾池處理工藝可有效處理煤層氣采出水中的CODCr、NH3-N，CODCr去除率為50%～60%，氨氮可降低到檢出限0.04 mg/L以下。

本試驗采用的曝氣生物濾池處理工藝將高效微生物和酶制劑固定其上。通過接種高效菌種，為降解各種污染物創造了較為優化的條件，可有效提高目標污染物的降解效果。曝氣生物濾池系統在運行過程中，空氣上升時與載體中的大孔反復多次碰撞、切割，并被好氧微生物快速吸收反應，從而提高了空氣的利用率。隨著氧氣的碰撞、切割和吸收反應，進入載體內部的氧氣逐漸減少直至氧氣消耗完畢，使每一個載體內部生成良好的缺氧區、兼氧區和好氧區，使得載體的內部形成無數個微型的硝化和反硝化反應器，因而可在同一個反應器中同時發生氨氧化、硝化和反硝化聯合作用，有力的保證了NH3-N的高效去除和總氮的消減。進而保證了出水NH3-N穩定去除。

曝氣生物濾池系統處理煤層氣采出水與常規的過濾、氧化、SBR工藝、A2/O工藝相比具有以下優勢：處理裝置占地較小，不需污泥回流，需要處理藥劑較少，因此處理成本較低。經測算處理成本約為3元/m3。采出水集中排放難度較大因此建議場站建設應在早期規劃采出水收集管線等集水設施敷設，以保證后續采出水集中處理，降低處理成本。曝氣生物濾池與高級氧化處理工藝成本構成見表5。

表5 曝氣生物濾池與高級氧化處理處理工藝成本構成 元/m3

5 結 論

曝氣生物濾池處理工藝可有效處理煤層氣采出水使其排放。處理后滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準(CODCr≤40 mg/L，NH3-N≤2.0 mg/L)，CODCr去除率為50%～60%，NH3-N可降低到檢出限0.04 mg/L以下。

采用曝氣生物濾池處理工藝，最佳水力停留時間為6.7 h(流量23 L/h)，處理成本可降到3元/m3以下。