快速培养好氧颗粒污泥处理页岩气压裂返排液

2019-06-12陈晔希

钻采工艺 2019年5期

鲍晋，陈晔希

（中石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司）

鲍晋等.快速培养好氧颗粒污泥处理页岩气压裂返排液.钻采工艺，2019，42（5）：95-98

页岩气作为一种非常规天然气资源，正在改变着国际能源市场格局。近年来，各国都加大了对页岩气资源的开发力度［1-2］。但其特殊的压裂改造工艺给当地造成巨大的环境压力，这些压力主要体现在水资源的占用及污染［3-5］。因此，返排液回收再利用是减轻环保压力、降低生产成本的有效途径。但是，返排液中含有大量固体悬浮物（200～2 000 mg／L），如果直接回用，可能对地层造成伤害进而影响压裂改造的效果；返排液长时间存放，由于硫酸盐还原菌和铁离子的存在，还会发生“发黑发臭”的现象；返排液还具备高COD（500 ～2 000 mg／L）的特点。所以，返排液回用之前，必须对返排液中的悬浮物固体（SS）、总铁、COD进行针对性地去除。

本文针对现有物化处理及微生物处理技术所存在的缺陷和不足［6-9］，采用实际页岩气压裂返排液为进水废液［10-12］，研究了在SBR中通过直接转化厌氧颗粒污泥的方法快速培养好氧颗粒污泥［13-15］。

一、实验部分

1.实验材料

1.1 接种污泥

接种用厌氧颗粒污泥取自污水处理厂UASB，其形态如图1（a）所示，平均粒径2.7 mm，MLVSS／MLSS为0.76，SVI为36 mL／g。

图1 颗粒污泥在各个阶段的外观形态

1.2 实验废水

实验废水取自四川威远地区压裂现场的页岩气压裂返排液，水质指标如表1所示。

表1 返排液水质分析结果

2.实验装置

实验装置为自制页岩气压裂返排液室内微生物处理流程模拟装置。该装置由储液罐、计量泵、SBR反应器、絮凝沉降罐、高精度加药泵出水罐等部分组成。SBR反应器具有曝气泵和曝气头，曝气量在10～50 L／h可控。

3.分析测试方法

混合液悬浮固体浓度（MLSS）、混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）、污泥体积指数（SVI）、固体悬浮物（SS）按照国家环保局编制“水和废水监测分析方法（第四版）”中标准方法测定［16］。

污泥平均粒径测定：单个颗粒污泥在显微镜下测试粒径，平均粒径由随机测试30颗单个颗粒污泥计算算术平均值得到。

化学需氧量（COD）：采用微波消解法测定。

滑溜水降阻率测试：采用管路摩阻测试系统测试。

4.颗粒微观结构观察

颗粒污泥样品经过2.5%的戊二醛固定12 h，经各级乙醇脱水，干燥后采用离子喷涂仪喷金，后用Hitachi S-3400N扫描电镜观察拍照。

二、结果与分析

1.好氧颗粒污泥的培养

SBR中接种取自污水处理厂UASB的厌氧颗粒污泥，污泥的形态如图1（a）所示，培养过程分三个阶段：厌氧颗粒污泥驯化阶段、好氧颗粒污泥转化阶段和好氧颗粒污泥成熟阶段。

第一阶段：厌氧颗粒污泥驯化阶段。以实际页岩气压裂返排液为进水废液，加入CH3COONa为碳源，NH4Cl为氮源配制成进水废水；SBR反应器以进水—曝气—沉淀—排水—闲置的方式运行，每天3个周期，每周期8 h；每周期进水15 min，曝气7 h，静置沉淀30 min，排水以及闲置共15 min。运行10 d后，颗粒污泥表面黑色开始褪去，并逐渐覆盖黄褐色絮状物，颗粒污泥的形态如图1（b）所示。此时COD去除率＞60%，并保持稳定在60% ～70%之间，驯化阶段结束。

第二阶段：好氧颗粒污泥转化阶段。实际压裂返排液为进水废水，以进水—曝气—沉淀—排水—闲置的运行方式，每天3个周期，每周期8 h；每周期进水15 min，曝气7 h，减少静置沉淀时间至15 min，排水以及闲置共30 min；运行7 d后，颗粒外围的黑色逐渐褪去，表明厌氧微生物逐渐被淘汰，新的好氧微生物群开始形成，颗粒污泥由黑色转变为黄褐色，平均粒径转变为3.4 mm，此时颗粒污泥的形态如图1（c）所示。MLVSS／MLSS为0.73，SVI为38 mL／g，好氧颗粒污泥转化阶段结束。

第三阶段：好氧颗粒污泥成熟阶段。以实际压裂返排液95%加入5%的滑溜水压裂液为进水废水，以进水—曝气—沉淀—排水—闲置的运行方式，每天3个周期，每周期8 h，进水15 min，曝气7 h，静置沉淀20 min，排水以及闲置共25 min；运行7 d后，颗粒污泥由黄褐色转变为浅黄褐色，粒径3.6 mm，此时颗粒污泥的形态如图1（d）所示。MLVSS／MLSS为0.82，SVI为30 mL／g，好氧颗粒污泥成熟阶段结束。

2.各个阶段颗粒污泥MLVSS增殖率变化

MLVSS的增殖率可以表征污泥的生长速率。接种污泥MLVSS的增殖率随时间的变化规律如图2所示。

图2 颗粒污泥在转化过程中MLVSS增殖率的变化规律

由图2可以看出，在1～10 d的驯化阶段，MLVSS增殖率先快速下降，在2 d时达到最低值-9%；而后开始上升，在6 d时，增值率为正值，并在10 d时达到最大值5%。在11～17 d的转化阶段，MLVSS增值率缓慢下降至2%。在18～24 d的成熟阶段，MLVSS增值率缓慢下降至0.7%并保持稳定。分析认为：在驯化阶段，厌氧颗粒在有氧环境下，厌氧微生物种群开始逐步衰退，而好氧微生物种群开始增殖，由于微生物群落的衍变，在1～4 d厌氧微生物衰退的速度大于好氧微生物增殖的速度，宏观表现为MLVSS的增殖率为负值；随着有氧环境下，好氧微生物增殖的速度加快，MLVSS的增殖率开始逐步变为正值。在转化阶段，好氧微生物的增长速度继续高于厌氧微生物衰退的速度，并逐步放缓，因而MLVSS的增殖率也稳定在一个水平内并缓慢下降，直到好氧颗粒完全成熟。

3.颗粒污泥微观结构的变化

接种厌氧颗粒污泥以及经过三个阶段转变成熟后的好氧颗粒污泥扫描电镜观察的微观结构如图3所示。

图3 接种污泥与好氧颗粒污泥扫描电镜照片

由图3可以看出，接种厌氧颗粒污泥表面颜色较深，粗糙度较高，整体结构较为致密，如图3（a）所示；1 000倍放大下，可见颗粒表面微生物以球菌为主，如图3（b）所示。转化后的好氧颗粒表面颜色较浅，更加光滑，外观结构更加致密，如图3（c）所示；1 000倍放大下，可以观察到颗粒污泥通过胞外聚合物的粘结作用形成层状物交错包裹结构；颗粒外部缠绕有大量的杆菌，如图3（d）所示。

4.各个阶段颗粒污泥对COD的去除效果

厌氧颗粒污泥转化为好氧颗粒污泥的三个阶段进、出水COD以及COD的去除率如图4所示。

图4 颗粒污泥在转化过程中COD去除率的变化规律

由图4可以看出，在厌氧颗粒污泥驯化阶段，COD去除率先降低，在4 d的时候达到最低17.7%，然后开始缓慢升高，并且在运行10 d后逐渐趋于稳定，此时的COD去除率可达70% ～80%。COD去除率的变化趋势总体上与MLVSS增值率的变化趋势相符。分析认为：在驯化阶段，厌氧颗粒由于微生物群落的衍变，以及微生态系统对环境变化的适应，导致COD去除率先下降；随着有氧环境下，好氧微生物种群开始快速增殖，COD去除率开始升高，直至好氧颗粒污泥成熟后，COD去除率趋于稳定。

5.各个阶段颗粒污泥对SS的去除效果

厌氧颗粒污泥转化为好氧颗粒污泥的三个阶段进、出水SS以及SS的去除率如图5所示。

图5 颗粒污泥在转化过程中SS去除率的变化规律

由图5可以看出，在厌氧颗粒污泥驯化阶段，SS去除率先降低，在4 d的时候达到最低45.6%，然后开始缓慢升高，并且在运行10 d后逐渐趋于稳定，此时的SS去除率可达85%左右。在11～17 d，SS去除率下降到80%左右，是由于在第二阶段，减少了沉降时间，导致出水SS上升。在18～24 d，SS去除率又上升到85%以上。SS去除率的变化趋势总体上与COD及MLVSS增值率的变化趋势相符。