[工艺技术]浅谈页岩气开发过程中的水处理技术

本文发表于《中国化工贸易·中旬刊》 2020年7期

摘 要：本文介绍了为实现我国页岩气开发跨越式发展提供了技术支撑的美国页岩气返排废水处置方式。结合我国实际情况，对这种处置方式进行了利用和改变，提出了多种处理方式并行的组合工艺，分级处理无法回用的废水，回用经处理的废水等建议，从而实现保护环境和降低成本的双重目标。

关键词：页岩气开发;废水;水处理技术

伴随着全球经济快速增长，油气能源的需求也日益增长，常规的油气资源储备量迅速下降，利用速度却在不断的加快，导致油气资源矛盾成为全球性的矛盾。美国依靠“页岩气革命”大幅降低了能源紧缺感，实现了能源自足，也为缓解全球能源供需矛盾提供了有效的途径。天然气在许多国家的储量非常丰富，大规模开发页岩气可以带来显著的经济效应，但是大规模开发页岩气对环境带来的负面影响也值得我们的注意，主要包括大量水资源的浪费以及污染、空气污染、噪声污染等。

由于人口数量多，我国是全球第二大能源进口和消费国，对于油气资源需求很大。我国页岩气储量占据着显著的优势，大力开发页岩气可以满足国民经济快速发展的需求，但是由于开发较晚，因此技术不是先进，美国是最早开发页岩气的国家，因此，他们具有丰富的经验，我们可以借鉴美国页岩气废水处理的方式并结合我国的实际情况，总结出一套成熟的页岩气废水处置方法。

1 页岩气开发过程中返排废水的特征

页岩层含水量极低，页巖气开发室作业结束后，返排至地面的压裂返排液称为返排废水，返排液的水量初期较大，且持续几天到几周不等。后期水量较小且生产过程中一直持续，也称为产出水。

页岩气开采时添加了含量不等的各种化学物质，比如酸、盐等。这是为了诱导储层裂缝以及保护开采设备。开采作业完成后，返排水长时间接触页岩气层，与油脂、酚类、酮类、重金属等多种污染物广泛接触，导致返排废水的成分复杂，因此其处理有很大的难度。

2 返排废水处置方式

合理选择返排废水的处置方式，需要综合考虑当地的政策法规，气田的开采方法，废水的水质情况以及水处理设施等多种因素。

2.1 深井回注

深井回注是指利用泵装置，加压返排废水，之后再注入到指定的可接纳处理水的地层，这个方法适用于水质高，符合回注水标椎，附近有可供回注的地层的页岩气田。虽然深井回注这种方式具有工艺简单，投资少等优点，但是也面临着回注井数量需求大，回注水标准严格等问题。

2.2 部分处理后内部回用

部分处理后内部回用是指利用页岩气田水处理厂对返排废水进行处理之后，混合清水与处理后的废水，重新用于该页岩气田的开采作业，适用于水质不高，达不到外排标准，当地水资源又比较匮乏的页岩气田。其优点是节约水资源，处理成本低，环境污染小。但是由于回用的返排废水组成成分比较复杂，可能会腐蚀钢管，导致气井壁阻塞，产气效果下降等不良影响。

2.3 处理达标后外排

处理达标后外排是返排废水经过页岩气田的水处理厂处理，或者经过市政污水厂处理之后，达到相应的外排标准，可以排入地表水，用于农田的灌溉，牲畜饮水等。适用于附近回注地层缺乏，废水中TDS含量较小，水处理装置配备完善的页岩气田。处理达标后外排的水，可以减少页岩气田开采对当地水资源的危害，但是处理的工艺比较复杂，水处理厂的建设和运营需要的投资比较大。

3 处理新技术

由于不同地区的页岩气返排废水水质特征以及处理要求存在的差异，把返排废水的处理分为了三级。

一级预处理工艺：利用沉降分解法，过滤法，水力漩涡法，絮凝法等方式，去除水中油脂、悬浮物颗粒和压裂液残余成分。

二级软化处理工艺：利用化学沉淀法，电解法，离子交换法等处理废水中的钙、镁、钡、锶等二价金属离子。

三级拖延处理工艺：是最难处理的阶段，主要利用机械蒸汽压缩技术，膜蒸馏技术，超滤技术，热处理技术，渗透技术等，降低水中的盐浓度，特别是氯离子的浓度。

3.1 臭氧催化氧化技术

在臭氧和催化剂进行催化氧化反应的过程中会陈胜大量的羟基自由基，这种羟基自由基具有的强氧化性，利用这种强氧化性可以去除返排废水中的可溶性有机物，油脂以及重金属。虽然臭氧具有很强的氧化能力，但是单一的使用臭氧处理技术，只能选择性去除页岩气返排废水中的污染物，也就是与臭氧反应速率较快的成分，因此通常使用臭氧与催化剂合用的催化氧化技术。

臭氧和催化氧化剂联合使用，可以在不使用化学药剂的情况下，利用臭氧有效的破坏细胞壁，杀灭细菌，除菌率接近百分百。

3.2 超声波--臭氧氧化--电絮凝--反渗透技术

这四种处理方式紧密结合，可以产生良好的协同效应。首先，利用超声波和臭氧氧化作用可以去除返排废水中的有机物以及重金属，其次利用电絮凝技术去除废水中的悬浮物，最后通过反渗透处理可以使废水变为清水。

超声波--臭氧氧化--电絮凝--反渗透技术分为三个步骤：①把废水放于罐中进行自然沉降，去除废水中的固体颗粒;②过滤去除废水中的悬浮物;③通过超声波--臭氧氧化--电絮凝进行处理，也就是在返排废水中混入过饱和的臭氧水，臭氧可以氧化废水中所含（下转第77页）（上接第75页）的羟基类物质，利用超声波除去油脂和悬浮物。

3.3 机械蒸汽再压缩技术

机械蒸汽再压缩技术（MVR）是指在返排废水处理时应用蒸馏技术，将蒸发器中产生的二次蒸汽通过压缩，混合入新鲜蒸汽再次利用作为加热源，不仅充分利用了本来要被废弃的蒸汽，而且降低了蒸发耗能，大幅度提高了能源的使用效率。

3.4 步进沉淀技术

步进沉淀技术是指在一定的pH和氧化还原电位下，加入硫酸盐形成硫酸钡沉淀，在分别加入碳酸钠和氢氧化钠，形成镁、钙、铁、锰、和锶沉淀，可以避免传统沉淀技术带来的出水水质过硬，以及后续盐卤水凝结浓缩困难等问题。

3.5 移动电凝技术

移动电凝技术是指将紫外线、电絮凝和过滤技术集合为一体，起到杀菌、絮凝悬浮物、去除絮凝物的作用。当页岩气返排废水通过电絮凝装置时，装置阳极会释放正电离子，正电离子可以与废水中各个胶体颗粒表面的负电离子结合，打破了胶体分子稳定的分散状态，使胶体因电荷吸附作用而聚集，胶体聚集导致质量增大，容易沉淀;同时，装置阴极产生的气泡会附着在聚集的胶体表面，导致较轻的絮体上浮，较重的絮体下沉至底部。

3.6 生物降解--离子交换复合技术

这项技术将页岩气返排废水的处理分为了两个阶段：①在初期四年，将返排废水经沉淀过滤后，进行好氧及厌氧生物处理，除去残余的添加剂之后，进行回收;②在处理后的返排水中加入新鲜水，利用膜生物反应器进行反渗透离子交换，去除过量溶解性固体有机化合物等物质。

4 结束语

我国页岩气储备丰富，开发潜力巨大，随着页岩气开发的逐步推进，返排废水的处理成为了关键。虽然我国加大了研究如何处理，回收，利用页岩气返排废水的力度，但是总体上处于初步的起步阶段，因此在处理方式和装置等方面还需要进一步的学习和完善。美国页岩气开发起步早，相应的的返排废水处理技术也较为成熟，因此，可以借鉴美国的先进工艺，取长补短，结合我国的具体情况，大力推动我国页岩气返排废水处理技术大力发展。要做到开发与环境保护两头抓，从多方面进行综合考虑，加大返排废水处理的投入，无法回用的废水必须经过三级处理之后才能外排，将其他途径产生的废水处理后用于页岩气行业的研究，减少水资源消耗。

参考文献：

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[3]宋磊，张晓飞，王毅琳，等.美国页岩气压裂返排液处理技术进展及前景展望[J].环境工程学报，2014，8（11）：4721-4725.

作者简介：

李靖（1985- ），男，四川自贡人，本科，工程师，主要从事盐化工及环境科研工作。

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2022/01/03