頁(yè)巖氣廢水預(yù)處理技術(shù)的研究與應(yīng)用

蔣和中 何蔚 任勇 王旭東

摘 要： 頁(yè)巖氣開(kāi)采產(chǎn)生的廢水具有復(fù)雜的特性和高度的污染性，對(duì)環(huán)境和公共健康構(gòu)成潛在威脅。為了有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，聚焦于頁(yè)巖氣廢水預(yù)處理技術(shù)的研究與應(yīng)用。首先，分析了頁(yè)巖氣廢水的特點(diǎn)、成分和對(duì)環(huán)境的潛在影響，以及現(xiàn)有處理技術(shù)的局限性。接著，重點(diǎn)探討了各種預(yù)處理技術(shù)，包括生物處理、物理化學(xué)處理和混合處理，以降低廢水的復(fù)雜性和提高后續(xù)處理效率。此外，還介紹了這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的情況，并討論了其在頁(yè)巖氣廢水處理領(lǐng)域推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。通過(guò)深入研究和應(yīng)用這些預(yù)處理技術(shù)，有望為頁(yè)巖氣廢水處理提供更可持續(xù)、高效和環(huán)保的解決方案。

關(guān)鍵詞： 頁(yè)巖氣廢水 預(yù)處理技術(shù) 研究 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)： X773文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2023）09-0043-03

隨著頁(yè)巖氣開(kāi)采的不斷發(fā)展，廢水管理已成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題。頁(yè)巖氣廢水的特點(diǎn)包括高鹽度、高有機(jī)物含量和有害物質(zhì)存在，給廢水處理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)，未經(jīng)適當(dāng)處理的廢水排放可能對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此尋找高效的廢水預(yù)處理技術(shù)至關(guān)重要。本文將深入研究頁(yè)巖氣廢水的特性，分析其對(duì)環(huán)境的潛在影響，然后重點(diǎn)關(guān)注預(yù)處理技術(shù)的研究與應(yīng)用，旨在為解決這一重要問(wèn)題提供有力支持。

1.1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水特點(diǎn)

隨著頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的迅速擴(kuò)大，頁(yè)巖氣廢水成為一個(gè)備受關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。本節(jié)將深入分析頁(yè)巖氣廢水的特點(diǎn)，包括其產(chǎn)生的背景和廢水的主要組成成分，以更好地理解這一問(wèn)題的復(fù)雜性和緊迫性。

頁(yè)巖氣是一種非常重要的天然氣資源，其開(kāi)采過(guò)程通常涉及水力壓裂（fracking）和水平鉆井（horizontal drilling）等高強(qiáng)度工程技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用使廢水產(chǎn)生成為不可避免的問(wèn)題。在水力壓裂過(guò)程中，大量的水、砂和化學(xué)添加劑被注入井口，以分裂頁(yè)巖巖層并釋放天然氣。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致廢水的產(chǎn)生，其中包括回流水和產(chǎn)出水。

頁(yè)巖氣廢水的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在其成分的多樣性上，廢水中含有水、化學(xué)添加劑、溶解氣體、固體顆粒、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等多種成分，這些成分的組合和濃度隨地理位置、頁(yè)巖巖層的不同而異。高鹽度是頁(yè)巖氣廢水的顯著特點(diǎn)之一[1-2]。廢水通常具有高鹽度，這是由于廢水中含有大量的溶解性鹽類(lèi)，如氯化鈉、硫酸鹽和碳酸鹽。高鹽度使廢水處理變得復(fù)雜，因?yàn)辂}類(lèi)可能與其他污染物相互作用，導(dǎo)致沉淀和腐蝕問(wèn)題。

此外，頁(yè)巖氣廢水中還富含有機(jī)物，包括石油烴、揮發(fā)性有機(jī)化合物和多環(huán)芳烴等。這些有機(jī)物對(duì)水體和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅，因此需要有效去除。最后，廢水中可能存在有毒物質(zhì)，如鎘、鉛、鍶和錫等重金屬，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅。

1.2 頁(yè)巖氣廢水的主要組分及其來(lái)源

頁(yè)巖氣廢水的成分是多元的，主要來(lái)源于水力壓裂過(guò)程和地下巖層。以下是頁(yè)巖氣廢水的主要組分及其來(lái)源。

首先，水力壓裂液是頁(yè)巖氣廢水的主要組成部分之一。在水力壓裂過(guò)程中，大量的水、砂、粘土、溶解鹽、界面活性劑和其他化學(xué)添加劑被注入井口，用于分裂頁(yè)巖巖層并釋放天然氣。這些成分的含量和種類(lèi)因項(xiàng)目而異，但它們共同構(gòu)成了廢水的基礎(chǔ)成分。

其次，地下水和地層水也是頁(yè)巖氣廢水的重要來(lái)源。在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，地下水和地層水會(huì)與廢水混合，其中可能含有天然的溶解物質(zhì)，如鹽類(lèi)和重金屬，這些物質(zhì)將成為廢水的組成部分。此外，廢水中還可能含有天然氣和天然氣液體的成分[3]。這些成分通常與氣體釋放和廢水產(chǎn)出同時(shí)發(fā)生，因此也會(huì)進(jìn)入廢水中。

最后，地下巖層物質(zhì)，如巖石和礦物質(zhì)，也可能在開(kāi)采過(guò)程中被帶出并成為廢水的一部分。這些巖石和礦物質(zhì)中包含的成分將增加廢水的復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈兛梢葬尫懦鲇泻ξ镔|(zhì)。

2.1 頁(yè)巖氣廢水對(duì)環(huán)境的潛在影響

頁(yè)巖氣廢水排放對(duì)環(huán)境潛在影響的考慮是至關(guān)重要的，因?yàn)槲唇?jīng)適當(dāng)處理的排放可能對(duì)多個(gè)環(huán)境要素構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

首先，地下水污染是一個(gè)嚴(yán)重的擔(dān)憂(yōu)，廢水中的化學(xué)物質(zhì)、鹽類(lèi)和重金屬可能滲入地下水層，損害地下水質(zhì)量。這對(duì)飲用水和農(nóng)業(yè)用水的安全構(gòu)成潛在威脅，因?yàn)槭芪廴镜牡叵滤赡軐?duì)人類(lèi)健康和農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

其次，土壤污染是另一個(gè)重要問(wèn)題，廢水排放可能導(dǎo)致土壤受到污染。有機(jī)物和重金屬等廢水成分的積累可能阻礙植被的生長(zhǎng)，破壞土壤質(zhì)量，從而影響土壤的生態(tài)功能[4]。

再次，水體污染是一個(gè)明顯的風(fēng)險(xiǎn)，廢水排放到河流、湖泊或其他水體中可能對(duì)水生生物和生態(tài)平衡構(gòu)成危害。有機(jī)物、溶解鹽和重金屬等物質(zhì)的釋放可能導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)崩潰。此外，廢水處理過(guò)程中產(chǎn)生的氣體排放，如甲烷和揮發(fā)性有機(jī)化合物，可能對(duì)大氣質(zhì)量和氣候產(chǎn)生負(fù)面影響，加劇溫室氣體排放問(wèn)題。

最后，廢水處理不當(dāng)還可能引發(fā)社會(huì)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，如水資源污染、生態(tài)系統(tǒng)受損和公共健康問(wèn)題。因此，必須采取有效的廢水處理和管理措施，以最大程度地減少這些潛在的環(huán)境影響。

2.2 頁(yè)巖氣廢水處理的現(xiàn)有技術(shù)和方法分析

為了應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣廢水產(chǎn)生的潛在環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種廢水處理技術(shù)和方法，這些方法通?？梢苑譃槲锢怼⒒瘜W(xué)和生物處理方法。

2.2.1 物理處理方法

物理處理方法包括過(guò)濾、沉淀和膜分離等技術(shù)，這些方法通過(guò)物理過(guò)程將廢水中的懸浮固體和某些溶解物質(zhì)分離出來(lái)。過(guò)濾通過(guò)篩選或過(guò)濾介質(zhì)去除顆粒物質(zhì)；而沉淀則利用化學(xué)反應(yīng)將固體沉淀物分離；膜分離方法如納濾和反滲透則通過(guò)半透膜將廢水中的離子和分子分離出來(lái)。這些物理處理方法對(duì)去除懸浮物質(zhì)和某些溶解物質(zhì)效果顯著，但對(duì)高鹽度廢水和有機(jī)物的處理效果有限[5]。

2.2.2 化學(xué)處理方法

化學(xué)處理方法包括氧化、化學(xué)沉淀和離子交換等，這些方法通過(guò)添加化學(xué)試劑來(lái)改變廢水中污染物的化學(xué)性質(zhì)，使其沉淀或被吸附。氧化方法如高級(jí)氧化過(guò)程利用氧化劑將有機(jī)物氧化為更容易去除的產(chǎn)物；化學(xué)沉淀通過(guò)添加沉淀劑使重金屬離子沉淀為固體顆粒；離子交換則通過(guò)交換廢水中的離子和樹(shù)脂中的其他離子來(lái)去除有機(jī)物和重金屬。雖然化學(xué)處理方法能夠有效去除有機(jī)物、重金屬和鹽類(lèi)，但需要大量的化學(xué)試劑，同時(shí)產(chǎn)生化學(xué)廢物，因此處理成本較高。

2.2.3 生物處理方法

生物處理方法利用微生物降解有機(jī)物的能力，這些方法包括生物濾池、生物膜反應(yīng)器和活性污泥法等。微生物在這些系統(tǒng)中分解有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。生物處理通常是一種環(huán)保和可持續(xù)的方式，但需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，且對(duì)高鹽度廢水處理能力較弱[6-7]。

2.3 預(yù)處理技術(shù)的研究和應(yīng)用背景

為了提高頁(yè)巖氣廢水處理的效率和適用性，預(yù)處理技術(shù)的研究和應(yīng)用逐漸成為研究重點(diǎn)。預(yù)處理技術(shù)包括對(duì)廢水進(jìn)行初步處理，以改善后續(xù)處理過(guò)程的效果?？梢酝ㄟ^(guò)沉淀將固體顆粒和一部分重金屬?gòu)膹U水中分離出來(lái)，從而降低后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。調(diào)整廢水的pH值可以改善廢水中重金屬的沉淀效率，同時(shí)減少對(duì)生物處理的抑制作用。在廢水中引入適當(dāng)?shù)奈⑸锶郝?，可以幫助降解有機(jī)物，減輕后續(xù)生物處理的負(fù)擔(dān)。利用膜分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固液分離和有機(jī)物去除，提高后續(xù)處理過(guò)程的效果[8-9]。

3.1 生物處理技術(shù)研究與應(yīng)用

生物處理技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水的預(yù)處理中扮演著重要的角色。這一可持續(xù)的廢水處理方法依賴(lài)微生物的作用，將有機(jī)物降解成水和二氧化碳。在處理頁(yè)巖氣廢水時(shí)，研究人員首先可以篩選出適合處理該類(lèi)廢水的微生物群落。通過(guò)基因工程等現(xiàn)代生物技術(shù)手段，可以改進(jìn)這些微生物的降解能力，提高有機(jī)物去除效率。此外，建立預(yù)處理生物反應(yīng)器，如生物濾池和生物膜反應(yīng)器，有助于將廢水中的一部分有機(jī)物去除，從而降低后續(xù)處理過(guò)程的負(fù)荷。生物處理技術(shù)還能有效去除廢水中的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有助于減少對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)的不良影響。

3.2 物理化學(xué)處理技術(shù)研究與應(yīng)用

物理化學(xué)處理技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水的預(yù)處理中起到關(guān)鍵作用，可以有效去除廢水中的懸浮固體、重金屬和一些有機(jī)物。研究人員可以通過(guò)以下方式提高物理化學(xué)處理技術(shù)的效率。

首先，優(yōu)化沉淀劑的選擇和投加量，以提高重金屬的去除效率。

其次，改進(jìn)固液分離技術(shù)，以更徹底地去除廢水中的沉淀物。此外，膜分離技術(shù)，如微濾、超濾和反滲透，可實(shí)現(xiàn)固液分離和有機(jī)物去除，研究人員可以研究不同類(lèi)型的膜材料和膜模塊，以提高廢水的處理效果。

最后，化學(xué)氧化劑，如過(guò)氧化氫和高級(jí)氧化過(guò)程，可用于氧化和降解廢水中的有機(jī)物，通過(guò)優(yōu)化氧化工藝，可以提高有機(jī)物的去除率，同時(shí)降低化學(xué)處理的成本。

3.3 混合處理技術(shù)研究與應(yīng)用

混合處理技術(shù)結(jié)合了不同的廢水處理方法，以充分利用各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高整體處理效率。

（1）在頁(yè)巖氣廢水的預(yù)處理中，將生物處理與物理化學(xué)處理相結(jié)合，可以同時(shí)去除有機(jī)物、氮、磷和重金屬等污染物，從而提高綜合處理效果。

（2）結(jié)合膜分離技術(shù)和氧化方法，可以實(shí)現(xiàn)固液分離和有機(jī)物去除的高效處理。通過(guò)在初步處理階段引入適當(dāng)?shù)奈⑸锶郝?，可以充分利用生物處理和物理化學(xué)處理的優(yōu)勢(shì)，提高整體廢水處理效率。

（3）利用預(yù)處理生物反應(yīng)器降低有機(jī)物負(fù)荷后，將廢水送入后續(xù)的物理化學(xué)處理單元，有助于減輕后續(xù)處理的負(fù)荷，從而提高處理效率。

混合處理技術(shù)可以根據(jù)廢水的特性和處理目標(biāo)進(jìn)行靈活調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的廢水處理效果。

4.1 預(yù)處理技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水處理中的應(yīng)用情況

預(yù)處理技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水處理中已經(jīng)開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。生物濾池、生物膜反應(yīng)器和生物接觸氧化池等生物處理單元已經(jīng)在一些頁(yè)巖氣開(kāi)采項(xiàng)目中建設(shè)并投入運(yùn)營(yíng)。這些單元主要用于去除有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。沉淀池、膜分離單元和化學(xué)氧化池等物理化學(xué)處理單元也被廣泛使用，以去除重金屬、固體懸浮物和難降解的有機(jī)物。一些處理工藝已經(jīng)將多種預(yù)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以應(yīng)對(duì)多樣性的污染物組分，這些混合處理工藝能夠高效地去除廢水中的多種污染物。

4.2 推廣應(yīng)用預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

盡管預(yù)處理技術(shù)在頁(yè)巖氣廢水處理中已經(jīng)取得了一些成功，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)和障礙。

預(yù)處理技術(shù)中的生物處理和物理化學(xué)方法通常較環(huán)保，能夠有效去除有機(jī)物和重金屬等有害污染物。預(yù)處理技術(shù)有助于廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水資源的回收，促進(jìn)資源的可持續(xù)利用，還可以根據(jù)不同廢水特性進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)不同項(xiàng)目和地區(qū)的需求。

此外，預(yù)處理技術(shù)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高，這可能會(huì)增加頁(yè)巖氣開(kāi)采項(xiàng)目的整體成本。一些預(yù)處理技術(shù)需要高度專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和設(shè)備，而這可能不容易獲得或維護(hù)，各地區(qū)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于頁(yè)巖氣廢水的排放和處理要求不同，企業(yè)需要滿(mǎn)足復(fù)雜多樣的法規(guī)。

頁(yè)巖氣廢水處理是一個(gè)復(fù)雜而緊迫的問(wèn)題，需要綜合運(yùn)用各種技術(shù)手段來(lái)降低其對(duì)環(huán)境的潛在危害。本研究的目標(biāo)是深入了解頁(yè)巖氣廢水的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)，探討了各種預(yù)處理技術(shù)的研究與應(yīng)用，以及在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。預(yù)處理技術(shù)的研究和應(yīng)用為解決頁(yè)巖氣廢水管理問(wèn)題提供了新的思路和方法，然而，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的廢水管理，還需要進(jìn)一步地研究和創(chuàng)新，以確保廢水處理的高效性和環(huán)保性，希望本研究能夠?yàn)轫?yè)巖氣廢水處理領(lǐng)域的發(fā)展和改進(jìn)提供有益的參考和啟示。

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