頁巖氣鉆屑固化填埋池監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究

張 春,劉 璞,梅緒東,熊德明,王 丹,徐烽淋

(重慶市涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心，重慶 涪陵 408000)

鉆井巖屑是頁巖氣勘探開發(fā)過程中產(chǎn)生的固體廢物，主要包括水基鉆屑和油基灰渣(油基鉆屑熱脫附脫油處理后的產(chǎn)物)，簡(jiǎn)稱“鉆屑”。水基鉆屑是二開鉆井階段產(chǎn)生的混合地層巖屑和水基鉆井液的一種固體廢物，單井產(chǎn)生800～1 000 m3；油基灰渣是油基鉆屑(三開鉆井階段產(chǎn)生的混合地層巖屑和油基鉆井液的一種固體廢物)通過熱脫附工藝進(jìn)行脫油處理后的最終產(chǎn)物，其固相含油率小于2%。水基鉆屑和油基灰渣表面殘留少部分的堿、鹽、重金屬、石油類等污染物，若對(duì)其處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)周邊土壤及水體環(huán)境等造成不同程度的影響，其中對(duì)土壤環(huán)境的影響尤為明顯[1～3]。水基鉆屑和油基灰渣含鹽量較高，過量的鹽和可交換性鈉離子會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，使植物難以吸收水分而萎蔫[4-5]；鉆屑中還含有一些重金屬等，通過地表徑流遷移或擴(kuò)散至土壤中，土壤重金屬富集到一定程度會(huì)對(duì)土壤-植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低[6～9]。目前，西南某頁巖氣田對(duì)鉆屑主要采用固化處理技術(shù)，先檢測(cè)固化體浸出液，達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行分類填埋。鉆屑固化填埋僅限于對(duì)其有害物質(zhì)的固定和封存，使其短時(shí)間內(nèi)不外溢，暫時(shí)可實(shí)現(xiàn)無害化處理。然而，由于鉆屑填埋量較大、填埋物質(zhì)成分相對(duì)復(fù)雜、污染物比較集中、地質(zhì)沉降、固化不均勻、降雨頻繁特別是大雨或暴雨對(duì)固化池沖蝕和浸泡等，隨著時(shí)間的遷移，很可能會(huì)造成固化池內(nèi)部有害物質(zhì)浸出液溢出，進(jìn)而隨地表徑流污染池體周邊土壤[10]。本文針對(duì)以上問題，選取了西南某頁巖氣田具有代表性的水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池，對(duì)兩類鉆屑固化填埋池的土壤徑流液和土壤進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，旨在研究固化體浸出液溢出或遷移對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的影響，為固化體進(jìn)一步資源化利用提供理論依據(jù)，對(duì)西南某頁巖氣開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)也具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 鉆屑固化填埋池基本情況

目前西南該頁巖氣田水基鉆屑和油基灰渣固化填埋池的設(shè)計(jì)和防滲均參照Q/SY XN0276-2007《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，水基鉆屑和油基灰渣分類固化填埋。針對(duì)鉆屑固化填埋情況，并結(jié)合西南該地形地貌特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)不同固化方式，分別選取了1個(gè)水基鉆屑固化填埋池和1個(gè)油基灰渣固化填埋池。鉆屑固化方式主要是在池內(nèi)添加主固化劑水泥、粉煤灰與鉆屑進(jìn)行機(jī)械攪拌均勻，加強(qiáng)固化效果及縮短固化時(shí)間。經(jīng)過5～10d的凝固，在固化體表面澆筑一層C20砼隔斷層，厚度為200mm，然后覆蓋400mm表土(表土來源于井場(chǎng)周圍荒地土壤)，最后播撒草種進(jìn)行復(fù)綠。鉆屑固化填埋池基本情況詳見表1。在已完成的兩類鉆屑固化填埋作業(yè)池中，挖開覆土后利用鉆機(jī)鉆孔取樣，用透明密封袋收集樣品并對(duì)固化體浸出液各因子污染物濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見詳表2。

表1 鉆屑固化填埋池基本情況Tab.1 Basic situation of drilling solidification landfill

1.2 樣品采集

1.2.1 土壤樣品采集與前處理

2016年3月，分別對(duì)水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤及池體周邊5m范圍內(nèi)荒地，利用5點(diǎn)法采集0～20cm土壤樣品，同時(shí)分別選取兩類鉆屑固化填埋池100m外未受影響荒地作為對(duì)照。土樣采集后，采用聚乙烯封口塑料袋密封標(biāo)號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，揀去碎石、植物殘根等雜物，磨碎后過孔徑100目的尼龍篩，裝瓶待用。

1.2.2 土壤徑流液樣品采集

在兩類鉆屑固化填埋池內(nèi)較低位置、池體上游、池體下游分別架設(shè)土壤徑流液收集裝置(詳見下圖)；當(dāng)下大雨時(shí)，土壤表面會(huì)產(chǎn)生徑流，徑流液沿一定坡度通過箱體濾網(wǎng)匯入土壤徑流液收集裝置內(nèi)。土壤徑流液采集時(shí)間為2016年3月。在大雨過后，在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采集箱體內(nèi)液體，先用瓢取水樣于1 000mL瓶中，然后將水樣瓶子豎放于盛滿冰塊的泡沫箱中，并將其帶回實(shí)驗(yàn)室放在冰箱冷藏保鮮(小于4℃)，最后分析測(cè)試。

圖 土壤徑流液收集裝置Fig. Soil runoff collection device

1.3 測(cè)試方法

固化體浸出液中pH值采用玻璃電極法測(cè)定，懸浮物采用重量法測(cè)定，Cr6+采用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定，CODCr采用重鉻酸鉀法測(cè)定，揮發(fā)酚采用4-氨基安替比林分光光度法測(cè)定，色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定，石油類采用紅外分光光度法測(cè)定。土壤徑流液pH采用玻璃電極法測(cè)定，COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，徑流液中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn均采用原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg采用冷原子吸收法測(cè)定，As采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定，石油類采用紅外分光光度法測(cè)定。土壤pH值采用玻璃電極法測(cè)定，土壤鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅、鎳采用原子吸收分光光度法測(cè)定，土壤石油類采用紅外分光光度法測(cè)定。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 土壤徑流液評(píng)價(jià)

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)。單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式為：Pi=Ci/ Si。式中：Pi—單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci—i污染物實(shí)測(cè)濃度(mg/L)；Si—污染物標(biāo)準(zhǔn)限值(mg/L)。評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)：Pi<1表示清潔；13表示重度污染。

1.4.2 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)鉆屑固化填埋池上覆土壤及周邊土壤重金屬污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綜合污染指數(shù)計(jì)算方法如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆屑固化效果評(píng)析

由表2可知，水基鉆屑和油基灰渣固化體浸出液均呈堿性，這主要是由于固化劑摻入了部分水泥和粉煤灰，其水化產(chǎn)物呈堿性[11]。水基鉆屑和油基灰渣固化體浸出液監(jiān)測(cè)指標(biāo)均能滿足GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 固化體浸出液監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Monitoring results of solidification lixivium (mg/L)

注：pH無單位；ND表示未檢出；標(biāo)準(zhǔn)參照GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.2 鉆屑固化填埋對(duì)土壤徑流液的影響

由表3可知，水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池土壤徑流液均呈堿性，徑流液各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均滿足GB5084-2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》旱作標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步明確水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池對(duì)土壤徑流液的影響程度，通過利用單因子指數(shù)法分別對(duì)其土壤徑流液進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)過計(jì)算可知，水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池土壤徑流液各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的單因子污染指數(shù)均小于1，說明土壤徑流液屬于清潔水平，土壤徑流液擴(kuò)散不會(huì)對(duì)周圍土壤產(chǎn)生影響。

表3 鉆屑固化填埋池土壤徑流液監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 Monitoring results of the soil runoff of the drilling solidification landfill (mg/L)

注：標(biāo)準(zhǔn)參照GB5084-2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》旱作標(biāo)準(zhǔn)限值；ND表示未檢出。

2.3 鉆屑固化填埋對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

由表4可知，水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤及周邊土壤pH值均偏弱堿性；土壤重金屬指標(biāo)均滿足GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；石油類含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB4284-84《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》限值。

為了進(jìn)一步明確各類重金屬對(duì)土壤的污染程度，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)鉆屑固化填埋池上覆土壤和周邊土壤進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)過計(jì)算可知，水基鉆屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤重金屬綜合污染指數(shù)分別是0.42、0.45；周邊土壤重金屬綜合污染指數(shù)分別是0.45、0.54。結(jié)合表5可知，與土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，鉆屑固化填埋池上覆土壤和周邊土壤重金屬綜合污染指數(shù)均小于0.7，說明鉆屑固化填埋暫時(shí)未對(duì)上覆土壤及周邊土壤造成影響，屬于清潔水平。另據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，鉆屑固化填埋池均已復(fù)墾、復(fù)綠，并已種植油菜，長(zhǎng)勢(shì)良好。綜上所述，說明西南某頁巖氣田對(duì)鉆屑所采取的固化方式積極有效，鉆屑固化填埋后對(duì)上覆土壤及周圍土壤環(huán)境影響較小。

表4 鉆屑固化填埋池土壤監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.4 Monitoring results of the soil of the drilling solidification landfill (mg/kg)

注：標(biāo)準(zhǔn)參照GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值；“*”表示GB4284-84《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》限值。

表5 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Grading standards for soil comprehensive pollution

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

3.1.1 西南某頁巖氣田對(duì)鉆屑固化時(shí)主要采用水泥和粉煤灰的現(xiàn)場(chǎng)固化方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘和調(diào)查，該固化技術(shù)成熟有效，固化效果較好。

3.1.2 通過對(duì)鉆屑固化填埋池土壤徑流液和土壤監(jiān)測(cè)可知，土壤徑流液各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均滿足GB5084-2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》；鉆屑固化填埋池上覆土壤和周邊土壤均屬于清潔水平。因此，西南某頁巖氣田對(duì)鉆屑采取固化處理方式有效，短期內(nèi)對(duì)上覆土壤及周邊土壤環(huán)境影響較小。

3.2 建議

3.2.1 從本文所選取的兩類鉆屑固化填埋池的徑流液和土壤監(jiān)測(cè)情況來看，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。然而隨著西南某頁巖氣勘探開發(fā)力度的逐漸加大，今后應(yīng)該對(duì)鉆屑固化填埋池建設(shè)前后周邊環(huán)境(地表水、土壤、地下水)進(jìn)行跟蹤調(diào)查，通過對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析并論證鉆屑固化填埋對(duì)土壤及水體環(huán)境的影響。

3.2.2 雖然鉆屑固化填埋暫時(shí)實(shí)現(xiàn)了無害化處理，但是仍然存在占用大量土地和浪費(fèi)固廢資源以及潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題。因此，在滿足環(huán)境相關(guān)要求的情況下，針對(duì)水基鉆屑的特性，可加強(qiáng)水基鉆屑建材利用技術(shù)研究，例如制備免燒磚、混凝土、道路墊層等；結(jié)合油基灰渣的特性，加強(qiáng)油基灰渣資源化利用技術(shù)研究，例如水泥窯協(xié)同處置等，使鉆屑真正實(shí)現(xiàn)資源化利用和環(huán)保安全有效處置。

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