基于水凝胶界面光蒸发的压裂返排液脱盐降污处理

压裂返排液的无害化处理是页岩气绿色开发中亟待解决的问题之一，也是实现“双碳”目标的重要组成部分。本文以天然高分子材料假酸浆胶(NPG)、聚乙烯醇(PVA)为原料，聚吡咯(Ppy)为光吸收剂，制备了具有双网络套孔结构的超亲水性水凝胶(SH)。以太阳能为驱动力，将基于该水凝胶的界面光蒸发技术用于压裂返排液的核心脱盐降污处理，实现了压裂返排液的低能耗达标外排处理。实验结果表明：在1个标准太阳光强度下(1kW/m²),SH处理压裂返排液的界面光蒸发速率最高为3.59kg/(m²·h)，平均光蒸发效率高达96%以上。经脱盐降污处理后的返排液总溶解固体量低于150mg/L，各类盐离子浓度显著降低3～4个数量级，TOC含量去除率高达87.1%。同时水凝胶具有良好的抗盐性和自洁功能，能确保其长期、持续使用。     

页岩气压裂返排液电化学处理现场试验研究

页岩气压裂返排液盐度高、有机物含量丰富,在回用和外排前需进行深度处理。构建了2 m³/h的电絮凝-电化学氧化集成工艺装置,在某页岩气开采平台开展了压裂返排液现场处理试验,该平台水质波动大。结果表明,在长周期运行过程中,经优化后的电絮凝-化学絮凝联用工艺可降低系统电耗和排泥量,电化学氧化深度降解COD符合一级反应动力学模型。当采用电絮凝电流35 A、电化学氧化电流60 A、停留时间均为10 min、辅助聚合氯化铝(PAC)投加量350 mg/L、Na₂CO₃投加量550 mg/L时,压裂返排液中悬浮物、硬度和COD均稳定达到100 mg/L以下,满足《页岩气储层改造第3部分：压裂返排液回收和处理方法》(NB/T 14002.3—2015)的回用要求和后续外排脱盐处理需求。药剂投加量较常规化学絮凝法可降低70%以上,污泥产生量降低约30%,直接运行成本约28元/m³。整套工艺具备良好的抗冲击能力,污染物去除效率高,成本较低,为油气开发中的压裂返排液处理工程建设提供了技术支撑。     

页岩气压裂返排液膜蒸馏处理

页岩气开采过程中产生的压裂返排液处理难度大是其开采成本较高的主要原因之一。对长宁地区返排液进行了理化指标检测,用PTFE双向拉伸微孔膜搭建了平板型真空膜蒸馏装置,保持真空侧绝对压力为10KPa,探究了雷诺数及料液温度等主要操作条件对膜蒸馏过程的影响。结果表明该PTFE双向拉伸微孔膜蒸馏能有效处理这类页岩气压裂返排液,料液温度对膜通量影响显著。在料液温度335K,流动雷诺数为800的条件下,膜通量能达到30.3kg.m~(-2).h~(-1);产水的电导率均小于20μS.cm~(-1),计算脱盐率大于99.9%,产水COD均小于15mg.L~(-1),去除率达到93%,产水达到一级国标。     

电渗析+铁碳+生化组合法处理苯酚丙酮废水

采用电渗析+铁碳+生化组合处理法对实际苯酚丙酮废水的处理效果和影响因素进行实验研究。结果表明,电渗析汲盐液浓度及膜堆电压对废水脱盐效率及能耗有显著影响,在汲盐液初始质量浓度为20 g/L Na_2SO_4、电压为14 V条件下,经210 min废水盐质量浓度从66.7 g/L降到8 g/L左右,脱盐率达到88%,具有较高的效率和经济性;脱盐后的废水经1.5 h铁炭微电解处理,BOD5/COD提高到0.31,最后生化处理出水COD约为130 mg/L,组合处理法的COD总去除率达到96.7%。     

基于臭氧与超声氧化降低页岩气压裂返排液COD

针对页岩气压裂返排液化学需氧量（COD）高,难以直接排放的问题,研究了臭氧氧化（O₃）、超声氧化（US）和臭氧与超声联用氧化（O₃+US）三种方式降低页岩气压裂返排液COD的效果。结果表明：O₃+US因能产生更多的自由基而具有更好的降低COD效果。O₃+US联用氧化返排液过程中,首先是臭氧直接氧化有机污染物生成醛酮等物质,然后再是自由基氧化降解,返排液颜色会出现特征变化。另外研究了水样pH、超声波功率、催化剂种类和加量、反应时间等因素对O₃+US联用氧化降低COD的影响,结果表明其降低COD的效率随pH的增大而减小,随超声波功率的增大先增大后减小,随作用时间的延长而增大。综合考虑,推荐降低页岩气压裂返排液COD的氧化条件为：臭氧质量浓度42mg/L、pH为2.5左右、超声波功率800W、催化剂MnO₂加量0.45g/L、反应时间100min,处理后COD降低68.17%。同时,降解动力学拟合分析显示MnO₂催化下O₃+US联用氧化降低页岩气压裂返排液COD的过程更符合二级动力学特征。     

油田非常规压裂返排液处理室内试验研究

针对压裂返排液中化学药剂成分较多,具有高黏度、高稳定性等特点,采用预处理、陶瓷膜过滤、电渗析脱盐的工艺开展了压裂返排液处理的室内试验。结果表明:在最优的操作条件下处理后的返排液,COD含量为3078 mg/L,石油类4.3 mg/L,浊度1.73 NTU,色度16倍,电导率降至1.0 mS/cm时Ca2+,Mg2+,Cl-的含量分别为2.635 mg/L,1.09 mg/L,219.04 mg/L。     

过一硫酸盐/高铁酸盐体系处理页岩气压裂返排液实验研究

针对高盐难降解的页岩气压裂返排液,探究过一硫酸盐(PMS)/高铁酸盐(Fe(VI))体系氧化其中有机物的可行性。对比了活化PMS的不同方式及不同氧化工艺;设计了L₁₆(4⁴)正交实验优化氧化反应参数;考察了该体系在氧化的同时达到的混凝和软化效果。结果表明,PMS/Fe(VI)体系在最佳反应条件下(即PMS的浓度为1 800 mg/L,Fe(VI)浓度为1 200 mg/L,pH为5,反应温度为35℃时)TOC的去除率为46.4%,其中各因素的贡献值分别是19.34%、51.31%、15.38%、13.68%。在高效矿化有机物的同时能去除返排液中99.5%的总悬浮固体(TSS)和95.2%的Ba²⁺。研究结果可为页岩气压裂返排液预处理工艺单元的设计和运行提供参考。     

电化学工艺处理油田聚合物型压裂返排液

压裂技术已逐渐成为油田增产的主要手段。随着更加严格的《陆上石油天然气开采工业污染物排放标准》的即将颁布,新疆玛湖油田在未来几年可能会面临大量聚合物型压裂返排液外排的压力。基于高效、低成本的处理要求,开发了“电絮凝预处理+电化学氧化”工艺处理压裂返排液。结果表明：当电絮凝预处理条件为阴阳极板均为铝板、极板间距为0.5 cm、电流密度为10 mA/cm²、通电时间为15 min时,压裂返排液COD去除率达到65.4%,浊度达到4 NTU。对电絮凝预处理后的压裂返排液进行电化学氧化处理,在阳极为镀钌铱钛板、阴极为不锈钢板、电流密度为25 mA/cm²、电源脉冲频率为4 000 Hz、占空比为65%、pH=7.2、反应时间为90 min的条件下,新疆玛湖油田压裂返排液COD可以降至80 mg/L以下,油质量浓度降至1.0 mg/L以下,氨氮降至0.5 mg/L以下,悬浮物降至30 mg/L以下。处理后压裂返排液水质指标满足陆上排放标准要求且成本较低,具有良好的工业应用前景。     

页岩气压裂返排废水的混凝处理效能研究

对页岩气压裂返排废水进行了混凝处理,研究了聚合氯化铝、硫酸亚铁等不同混凝剂对压裂返排废水COD的去除效果,考察了p H、混凝剂投加量和助凝剂投加量对COD去除率的影响。结果表明:在复配混凝剂为硫酸亚铁和聚合氯化铝(质量比为1∶1),混凝剂投加量为12 000 mg/L,p H为8.5,助凝剂投加量为10 mg/L的最佳混凝处理条件下,压裂返排废水的COD去除率为62.49%,出水COD由1 984.32 mg/L降至744.32 mg/L。     

页岩气压裂返排液电絮凝处理技术研究

采用电絮凝技术对页岩气压裂返排液进行处理,考察了各操作条件对页岩气压裂返排液处理效果的影响,确定了电絮凝处理的最佳实验条件:阴阳极材料均为铝板,电流密度10.0 m A/cm2,极板间距3 cm,反应时间60 min,p H=7。电絮凝工艺对低浓度页岩气压裂返排液具有较良好的处理效果,可望成为页岩气压裂返排液达标排放组合工艺的重要单元。     

微藻处理压裂返排液的效果及影响因素

针对压裂返排液污染物成分复杂、含量高,对环境污染严重的特点,采用小球藻好氧处理结合聚合氯化铝(PAC)混凝、颗粒污泥厌氧处理压裂返排液结果表明,压裂返排液可生化性差,小球藻直接处理返排液COD去除率仅为5.85%,返排液培养小球藻96 h后藻株进入对数期增殖,最大藻密度为1.19 g/L。混凝处理可以有效去除返排液中有机物污染物,混凝出水培养小球藻72 h后藻株进入对数期增殖,最大藻密度为1.03 g/L,返排液经混凝、小球藻处理后COD去除率为68.63%。颗粒污泥厌氧处理可以进一步去除返排液混凝出水有机污染物,厌氧出水培养小球藻24 h后藻株快速增殖,最大藻密度为0.35 g/L,返排液经混凝、厌氧和小球藻处理后,COD去除率可达92.16%。     

微波场中压裂返排液絮凝沉降实验研究

应用微波技术对油气田压裂返排液进行了絮凝沉降实验,考察了絮凝剂用量、微波处理时间和功率对返排液废水COD和含油量的去除效果。微波絮凝处理后,压裂返排液的COD去除率可达80%以上,油质量浓度降低到8 mg/L以下,脱色效果良好,除浊率可达99%以上,固体悬浮物去除率达95%左右,其平均粒度由处理前的98.97μm降低到6.12μm,且返排液的黏度降至1.25 mPa·s,微波絮凝工艺对油气田压裂液废水具有很好的处理效果。     

混凝预处理油田压裂返排液试验研究

针对压裂返排液水质状况,试验采用混凝工艺预处理压裂返排液。通过单因素变量分析及正交混凝试验,以COD和浊度作为混凝效果的参照指标,试验确定了最佳的混凝工艺:絮凝剂投加量450 mg/L,助凝剂投加量5.0 mg/L,静置时间80 min。其产水浊度、COD及浊度去除率分别达到99.9%、86.5%和87.9%,且产水水质稳定。     

含盐乙二醇溶液电渗析脱盐工艺研究

针对陆域油气体开采过程中产生的乙二醇盐溶液,设计了处理规模为100 L/h的3级串联电渗析连续化脱盐工艺,在不同操作电压条件下分析了系统脱盐率、能耗、乙二醇损失率以及各级电渗析脱盐率的变化特性。结果表明,操作电压为80 V时,脱盐率可达到90%,能耗仅为0.792 kW·h/m3,此时乙二醇损失率为0.51%。操作过程中当前2级电渗析以较大操作电压运行时,可通过适当降低第3级电渗析的操作电压以减少能耗。     

长宁页岩气压裂返排液水质特征及化学絮凝处理

以四川长宁页岩气开发示范区为研究对象,分析了压裂后返排液水质特征,通过室内试验,选择了四种絮凝剂探究化学絮凝效果,研究表明,综合考虑处理后COD去除率、水样pH和浊度,针对高浓度返排液选择2 000 mg·L~(-1)的PFS作为最佳絮凝剂,COD除去率达98.75%;针对低浓度返排液选择1 500 mg·L~(-1)的PAC作为最佳絮凝剂,COD除去率达85.83%。     

页岩气压裂返排液再利用处理技术研究

页岩气压裂返排液具有黏度高、悬浮物质量分数高、成分复杂等特点,对其进行回用处理可减轻环境污染、节约水资源。以延长页岩气为对象,进行"氧化-絮凝"工艺处理页岩气压裂返排液的研究。结果表明,以硫酸亚铈作催化剂且质量浓度为100 mg/L、双氧水质量分数为0.3%及硫酸亚铁质量浓度为140 mg/L时,可使返排液黏度由原来18.09 mPa·s降低到2 mPa·s以下;调整氧化处理后的返排液pH为7.5,在PAC质量浓度为600 mg/L,PAM质量浓度为20 mg/L时进行絮凝处理,处理后水中悬浮物由处理前的2 490 mg/L降低到0.9 mg/L,含油量由处理前的37.25 mg/L降低到4.32 mg/L。处理后水质满足平均空气渗透率≤0.01μm~2的地层回注要求。     

海上压裂返排液处理设备小型化试制

为解决海上平台面积限制、逐渐推广成熟的海上大规模压裂产生的大量返排液处理需求、海域排放标准严格等问题,对现有的压裂返排液处理工艺进行优化,高效缩短了处理工序并试制了适合海上平台摆放的小型化压裂返排液处理设备。现场试验结果表明：整套设备占地面积100 m²,最大设备重量9.53 t,满足海上平台吊装能力。经过预处理、电絮凝、一级裂解、二级裂解、多介质过滤、超滤和RO膜过滤后,COD值由6 109 mg/L降到112 mg/L,满足海上生产水COD≤300 mg/L的排量标准。同时各设备具备独立的加药系统、电机系统,电磁流量计,取样口等,能根据返排的压裂液的COD值、处理平台面积进行组合使用。为后续海上大规模压裂提供技术保障。     

电渗析和反渗透耦合深度处理制革高盐废水的研究

针对制革行业"双膜法"废水回用工艺产生的高盐废水的特点,通过电驱离子膜和反渗透膜的耦合,对制革高盐废水进行了高效深度处理研究。结果表明,在电压25 V、进水体积流量30 L/h、脱盐室循环体积流量500 L/h操作条件下,经过电渗析分离,得到的浓缩盐水TDS的质量浓度在150 g/L以上,满足皮革浸渍工序段用料要求;得到的脱盐水TDS的质量浓度8.2 g/L、COD为330 mg/L。脱盐水在28℃、进水体积流量900 L/h、回收率50%条件下,经反渗透处理得到淡水TDS的质量浓度72 mg/L、不含COD,水质达到了GB/T 19923-2005的要求;产出浓水水质与原水水质相似,可返回电渗析工序。该工艺可有效提升系统的水回收利用率。     

电渗析对飞机除冰废水脱盐性能的研究

通过电渗析对飞机除冰废水的脱盐性能进行了初步研究,采用电导率来表征废水的脱盐率,并考察了其影响因素。结果表明,电渗析对废水的脱盐率不低于90%,乙二醇收率约为99%。操作电压对脱盐时间影响明显,适宜电压为12~14 V,废水中的乙二醇浓度越高,废水的脱盐时间越长,而脱盐时间越长,脱盐过程中乙二醇的损失越大。     

基于MABR的压裂返排液处理及微生物群落研究

压裂返排液含有多种复杂有机物,毒性高、盐度高以及可生化性差。设计了1个三级MABR系统用于压裂返排液的处理,该系统在最适宜运行参数下表现出优异的除碳脱氮性能,出水经过芬顿试剂处理后满足污水综合排放二级标准。MABR系统对COD、NH⁺₄-N和TN的去除率分别达到79.30%、96.06%和75.61%。微生物分析表明MABR生物膜富集了丰富的功能菌群,Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)是生物膜中的优势菌群。阐明了MABR处理压裂返排液的技术可行性,为MABR在处理相关废水中的应用奠定了基础。