壓裂返排液處理規模效應經濟分析*

陳天欣 趙 靚 王紅娟 周 微 劉 源

(中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院)

0 引 言

在頁巖氣開采中的壓裂過程，需要消耗大量水用于配制壓裂液，其中含有酸、緩蝕劑、殺菌劑等添加劑用于強化壓裂過程，這些化合物含量僅占壓裂液的0.5%[1]。在最初一個月內10%～70%的壓裂液會返回地面，被稱為壓裂返排液[2]，壓裂過程會將地下的礦物鹽溶解，隨著壓裂返排液達到地面。由于其中含有化學物質，并且水量很大，壓裂返排液的處置費用很高，同時也存在較大環境風險。

壓裂返排液的處置方式主要有3種：包括深井回注、處理回用和處理排放。目前，在國內川渝地區，主要以處理回用和深井為主，但由于回注井距離較遠，同時回用需求飽和，處理后排放會逐步形成趨勢。在美國頁巖氣開發區，每年共有(20.4～27.2)億t壓裂返排液，相當于(64～87)億L壓裂返排液[3]。在美國，壓裂返排液通過脫鹽后進行排放的費用約為$(0.013～0.13)/L，而回注處理成本在$(0.015～0.147)/kg[4]。雖然壓裂返排液處理上投入巨大，但在美國較為干旱區域，仍然導致了水安全問題[5]。國內目前仍未形成壓裂返排液達標排放的集中處理站，但相關標準已在討論制定中，為降低返排液投資和運行成本，應在降低環境風險的條件下，通過返排液總量估算和各水處理單元特點，對達標排放集中處理站進行優化設計。

壓裂返排液處理外排的技術關鍵在于多種水處理單元的流程化設計和運行，包括軟化除硬、沉降過濾、納濾、離子交換、反滲透、機械蒸汽再壓縮蒸發等多種工藝。不同于工業園區內的廢水處理工程，頁巖氣壓裂返排液產生的分散性、水質和水量的波動性給水處理設備的運行增加了成本。本文通過相似廢水處理工程的運行數據收集、模擬，初步探討了返排液達標處理裝置適宜的設計規模和優化運行。

1 主要工藝流程

壓裂返排液的回用處理工藝主要是通過沉降過濾等技術單元，去除返排液中懸浮顆粒、膠體、細菌等雜質，以滿足回用于配制壓裂液。壓裂返排液的處理工藝流程一般是在回用處理流程的基礎上，以脫鹽單元為核心，配合使脫鹽單元穩定運行的預處理工藝和保證最終出水的后處理工藝而形成的。整體工藝從順序上來說分為預處理、脫鹽處理、出水深度處理3個部分。預處理主要根據返排液水質和脫鹽單元進水水質要求，一般通過預氧化、軟化、混凝/絮凝、固液分離、多介質過濾、活性炭過濾、超濾等部分或全部單元，降低返排液中的懸浮物含量、膠體含量、溶解態成垢組分含量、石油類含量、有機質含量等，使返排液經處理后達到脫鹽單元進水要求。脫鹽處理作為核心單元降低返排液中礦化度。而后處理的深度處理單元一般會添加除硼的離子樹脂，或去除氨氮的生化單元。處理工藝流程見圖1。

圖1 處理工藝流程分階段

2 成本模型及研究方法

壓裂返排液處理后的水質質量標準目前并未統一，用于回用的壓裂返排液往往在回用處理后水質要求由各壓裂液配液公司根據自身壓裂液特點自行把控，在實際操作中，如出現水質不合格的情況，還會通過清水稀釋降低污染物濃度。而返排液處理后的排放標準，目前相關部門并未正式頒布，也還未形成相關工程。一般來說，處理單元的運行成本取決于污染物的去除量，其相關性往往是非線性的。在實際處理工藝方案中，根據處理技術、去除的污染物數量和種類、處理后水質指標將處理要求初步分為以下5個等級[6]。水處理等級見表1。

表1 水處理等級

對于每一個處理等級，可以通過模型大致確定其對應的處理成本變化規律。單位處理量的設備運行和維護成本主要受原水水質、設備規模和處理等級的影響。在假定返排液原水水質不變，同時確定最終處理標準的情況下，則單位平均運行成本主要又受設備設計的處理規模影響。處理成本及處理規模關系，見圖2。

圖2 處理成本及處理規模關系

對于不同等級中，通過大量廢水處理廠區的數據收集，水處理設備的處理規模對平均成本的影響趨勢呈現圖2中的非線性趨勢。

圖2為處理規模和經濟成本關系，處理成本均會隨著處理規模的增大而不斷降低，但減小的趨勢卻不斷縮小，而處理等級的提高會大幅度增加成本。

返排液處理設備運行成本主要包括折舊費、人力成本、動力費、藥劑費、設備維修及其他費用。可用公式C=N+W+P+S+M+R+Q表示，式中C為設施運行成本，N為管網建設和維護成本；W為人員費用；P為動力費；M為維修費；R為藥劑費用；Q為其他費用[9]。但對于小型處理系統，本文所考慮的運行成本主要包含是包含能耗，藥劑、人員費用等，該類運行成本與處理規模呈現非線性關系，在實際廢水處理單元中運行與維護成本和單位處理量的關系簡化由方程yi=β1xiβ2+εi表示，其中yi為單位處理量的設備運行與維護成本，xi為裝置運行的設計處理規模，εi為誤差系數[6]。

壓裂返排液的處理成本主要包含外購原材、人工費用、能耗費用、設備維護和污泥處置等一系列費用，由于頁巖氣開采地域偏遠，水質特殊，且所需采用的處理工藝也更加完整，最終的處理成本相比于其他廢水處理可能更高。同時，由于缺乏壓裂返排液處理的工程數據，難以準確估算實際運行中的單位處理成本。所使用的多為相似處理工藝在成熟運行后的成本數據，或通過不同工藝段成本的組合所得。從圖2中可看出，雖然y軸的絕對成本無法準確估算，但通過文獻及實際調研所獲得數據的模擬，所形成方程能夠推算出返排液處理成本較低的適宜處理規模，即曲線中變化平緩的處理規模范圍。

3 運行數據成本模擬

由于無法獲得返排液處理的實際成本數據，將返排液處理所涉及的主要技術單元單獨分析，壓裂返排液處理單元主要包括石灰蘇打軟化、混凝沉降、過濾及超濾、納濾和反滲透4個部分。通過實際數據調研或文獻分別計算4個部分的單位處理成本和處理規模的模擬公式。

返排液中成垢離子含量較高，需采用有效的除垢工藝，目前較為普遍的是應用石灰蘇打法進行軟化，其中運行與維護成本的模型參考Mc Givney & Kawamura對美國各污水處理廠相同工藝的統計研究[7]。而混凝沉降單元利用城市小型污水處理廠數據進行類比，在城市污水處理工藝中混凝沉降所占比重比較大，來源于文獻中對西部山地中的污水處理廠數據統計，與返排液處理環境相類似[8]。各處理單元運行評價成本數學模型見表2。

表2 各處理單元運行評價成本數學模型

根據工藝技術公式作圖完成單位處理成本和處理規模關系對比圖，雖然處理主體技術相同，但所引用的處理模型以國外數據進行模擬，所計算的絕對成本以美元為基礎，由于具體環境、人力成本等差異，處理成本的絕對值對其參考價值并不大，但可從曲線了解成本隨處理規模的變化趨勢，所以y軸進行了無刻度處理。其中石灰軟化和混凝沉降兩個需要大量加藥的單元在處理規模增大后，成本降低明顯，相較而言微濾、超濾、納濾、反滲透對于規模效應并不敏感，規模的增大無法明顯提高經濟效率。其主要原因在于石灰蘇打軟化和混凝沉降單元均為加藥過程，返排液處理量的增加直接導致所需藥劑用量增大，同時所產生污泥量也上升，成本對處理量更為敏感。而膜過濾系統主要推動進行膜分離過程，其成本主要在于電能的消耗，能耗基本與處理量成正比，單位處理成本下降空間有限。在實際運行中，膜過濾所占成本比重遠大于前段預處理，這也導致當水處理廠在達到一定處理規模后，再繼續增大處理量，其規模效益不大[9-11]。

對各工藝單元成本模型中處理規模進行求導，確定在相應處理規模對單位處理成本的敏感性，結合返排液處理實際運行需求情況，設計處理規模達到400 m3/d以上。返排液膜過濾成本已經基本保持不變，已經到達規模經濟的效果。對于完整處理流程中，反滲透及納濾在能耗上所占成本比重往往遠高于前段預處理，所以在常規水處理工藝流程中，400 m3/d的處理規模能夠到達高經濟效率的運行。

4 結 論

通過壓裂返排液處理各單元的規模經濟曲線的分析，確定出了返排液處理系統較低低成本運行的最小規模，在實際運行中會結合頁巖氣開采區域地形環境，返排液產生總量等綜合因素考慮頁巖氣返排液處理系統的建設。由于返排液產生點較分散，可選擇通過管路輸送或罐車拉運后進行集中處理，也可分散設立返排液處理裝置，但根據分析結果，處理裝置的最小規模應不小于400 m3/d。

目前返排液處理仍然未形成成熟的運行工程，由于其前段預處理成本受實際運行環境的影響更大，頁巖氣開采區域的復雜性和水質的多變形對軟化和混凝沉降單元成本沖擊更大，應在現場試驗中進一步驗證返排液處理裝置的經濟效率。