页岩气废水预处理技术的研究与应用

蒋和中 何蔚 任勇 王旭东

摘 要： 页岩气开采产生的废水具有复杂的特性和高度的污染性，对环境和公共健康构成潜在威胁。为了有效应对这一挑战，聚焦于页岩气废水预处理技术的研究与应用。首先，分析了页岩气废水的特点、成分和对环境的潜在影响，以及现有处理技术的局限性。接着，重点探讨了各种预处理技术，包括生物处理、物理化学处理和混合处理，以降低废水的复杂性和提高后续处理效率。此外，还介绍了这些技术在实际应用中的情况，并讨论了其在页岩气废水处理领域推广应用的优势和挑战。通过深入研究和应用这些预处理技术，有望为页岩气废水处理提供更可持续、高效和环保的解决方案。

关键词： 页岩气废水 预处理技术 研究 应用

中图分类号： X773文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2023）09-0043-03

随着页岩气开采的不断发展，废水管理已成为一个备受关注的问题。页岩气废水的特点包括高盐度、高有机物含量和有害物质存在，给废水处理带来了巨大挑战，同时，未经适当处理的废水排放可能对环境造成严重污染，因此寻找高效的废水预处理技术至关重要。本文将深入研究页岩气废水的特性，分析其对环境的潜在影响，然后重点关注预处理技术的研究与应用，旨在为解决这一重要问题提供有力支持。

1.1 页岩气开发过程中产生的废水特点

随着页岩气开发的迅速扩大，页岩气废水成为一个备受关注的环境问题。本节将深入分析页岩气废水的特点，包括其产生的背景和废水的主要组成成分，以更好地理解这一问题的复杂性和紧迫性。

页岩气是一种非常重要的天然气资源，其开采过程通常涉及水力压裂（fracking）和水平钻井（horizontal drilling）等高强度工程技术，这些技术的应用使废水产生成为不可避免的问题。在水力压裂过程中，大量的水、砂和化学添加剂被注入井口，以分裂页岩岩层并释放天然气。这个过程会导致废水的产生，其中包括回流水和产出水。

页岩气废水的复杂性主要体现在其成分的多样性上，废水中含有水、化学添加剂、溶解气体、固体颗粒、有机物和无机物等多种成分，这些成分的组合和浓度随地理位置、页岩岩层的不同而异。高盐度是页岩气废水的显著特点之一[1-2]。废水通常具有高盐度，这是由于废水中含有大量的溶解性盐类，如氯化钠、硫酸盐和碳酸盐。高盐度使废水处理变得复杂，因为盐类可能与其他污染物相互作用，导致沉淀和腐蚀问题。

此外，页岩气废水中还富含有机物，包括石油烃、挥发性有机化合物和多环芳烃等。这些有机物对水体和生态系统构成潜在威胁，因此需要有效去除。最后，废水中可能存在有毒物质，如镉、铅、锶和锡等重金属，对环境和人类健康构成潜在威胁。

1.2 页岩气废水的主要组分及其来源

页岩气废水的成分是多元的，主要来源于水力压裂过程和地下岩层。以下是页岩气废水的主要组分及其来源。

首先，水力压裂液是页岩气废水的主要组成部分之一。在水力压裂过程中，大量的水、砂、粘土、溶解盐、界面活性剂和其他化学添加剂被注入井口，用于分裂页岩岩层并释放天然气。这些成分的含量和种类因项目而异，但它们共同构成了废水的基础成分。

其次，地下水和地层水也是页岩气废水的重要来源。在页岩气开采过程中，地下水和地层水会与废水混合，其中可能含有天然的溶解物质，如盐类和重金属，这些物质将成为废水的组成部分。此外，废水中還可能含有天然气和天然气液体的成分[3]。这些成分通常与气体释放和废水产出同时发生，因此也会进入废水中。

最后，地下岩层物质，如岩石和矿物质，也可能在开采过程中被带出并成为废水的一部分。这些岩石和矿物质中包含的成分将增加废水的复杂性，因为它们可以释放出有害物质。

2.1 页岩气废水对环境的潜在影响

页岩气废水排放对环境潜在影响的考虑是至关重要的，因为未经适当处理的排放可能对多个环境要素构成风险。

首先，地下水污染是一个严重的担忧，废水中的化学物质、盐类和重金属可能渗入地下水层，损害地下水质量。这对饮用水和农业用水的安全构成潜在威胁，因为受污染的地下水可能对人类健康和农作物产量产生负面影响。

其次，土壤污染是另一个重要问题，废水排放可能导致土壤受到污染。有机物和重金属等废水成分的积累可能阻碍植被的生长，破坏土壤质量，从而影响土壤的生态功能[4]。

再次，水体污染是一个明显的风险，废水排放到河流、湖泊或其他水体中可能对水生生物和生态平衡构成危害。有机物、溶解盐和重金属等物质的释放可能导致水体富营养化和生态系统崩溃。此外，废水处理过程中产生的气体排放，如甲烷和挥发性有机化合物，可能对大气质量和气候产生负面影响，加剧温室气体排放问题。

最后，废水处理不当还可能引发社会和生态风险，如水资源污染、生态系统受损和公共健康问题。因此，必须采取有效的废水处理和管理措施，以最大程度地减少这些潜在的环境影响。

2.2 页岩气废水处理的现有技术和方法分析

为了应对页岩气废水产生的潜在环境问题，已经开发了多种废水处理技术和方法，这些方法通常可以分为物理、化学和生物处理方法。

2.2.1 物理处理方法

物理处理方法包括过滤、沉淀和膜分离等技术，这些方法通过物理过程将废水中的悬浮固体和某些溶解物质分离出来。过滤通过筛选或过滤介质去除颗粒物质；而沉淀则利用化学反应将固体沉淀物分离；膜分离方法如纳滤和反渗透则通过半透膜将废水中的离子和分子分离出来。这些物理处理方法对去除悬浮物质和某些溶解物质效果显著，但对高盐度废水和有机物的处理效果有限[5]。

2.2.2 化学处理方法

化学处理方法包括氧化、化学沉淀和离子交换等，这些方法通过添加化学试剂来改变废水中污染物的化学性质，使其沉淀或被吸附。氧化方法如高级氧化过程利用氧化剂将有机物氧化为更容易去除的产物；化学沉淀通过添加沉淀剂使重金属离子沉淀为固体颗粒；离子交换则通过交换废水中的离子和树脂中的其他离子来去除有机物和重金属。虽然化学处理方法能够有效去除有机物、重金属和盐类，但需要大量的化学试剂，同时产生化学废物，因此处理成本较高。

2.2.3 生物处理方法

生物处理方法利用微生物降解有机物的能力，这些方法包括生物滤池、生物膜反应器和活性污泥法等。微生物在这些系统中分解有机物，将其转化为水和二氧化碳。生物处理通常是一种环保和可持续的方式，但需要较长的处理时间，且对高盐度废水处理能力较弱[6-7]。

2.3 预处理技术的研究和应用背景

为了提高页岩气废水处理的效率和适用性，预处理技术的研究和应用逐渐成为研究重点。预处理技术包括对废水进行初步处理，以改善后续处理过程的效果。可以通过沉淀将固体颗粒和一部分重金属从废水中分离出来，从而降低后续处理的负担。调整废水的pH值可以改善废水中重金属的沉淀效率，同时减少对生物处理的抑制作用。在废水中引入适当的微生物群落，可以帮助降解有机物，减轻后续生物处理的负担。利用膜分离技术可以实现固液分离和有机物去除，提高后续处理过程的效果[8-9]。

3.1 生物处理技术研究与应用

生物处理技术在页岩气废水的预处理中扮演着重要的角色。这一可持续的废水处理方法依赖微生物的作用，将有机物降解成水和二氧化碳。在处理页岩气废水时，研究人员首先可以筛选出适合处理该类废水的微生物群落。通过基因工程等现代生物技术手段，可以改进这些微生物的降解能力，提高有机物去除效率。此外，建立预处理生物反应器，如生物滤池和生物膜反应器，有助于将废水中的一部分有机物去除，从而降低后续处理过程的负荷。生物处理技术还能有效去除废水中的氮和磷等营养物质，有助于减少对水体生态系统的不良影响。

3.2 物理化学处理技术研究与应用

物理化学处理技术在页岩气废水的预处理中起到关键作用，可以有效去除废水中的悬浮固体、重金属和一些有机物。研究人员可以通过以下方式提高物理化学处理技术的效率。

首先，优化沉淀剂的选择和投加量，以提高重金属的去除效率。

其次，改进固液分离技术，以更彻底地去除废水中的沉淀物。此外，膜分离技术，如微滤、超滤和反渗透，可实现固液分离和有机物去除，研究人员可以研究不同类型的膜材料和膜模块，以提高废水的处理效果。

最后，化学氧化剂，如过氧化氢和高级氧化过程，可用于氧化和降解废水中的有机物，通过优化氧化工艺，可以提高有机物的去除率，同时降低化学处理的成本。

3.3 混合处理技术研究与应用

混合处理技术结合了不同的废水处理方法，以充分利用各种技术的优势，提高整体处理效率。

（1）在页岩气废水的预处理中，将生物处理与物理化学处理相结合，可以同时去除有机物、氮、磷和重金属等污染物，从而提高综合处理效果。

（2）结合膜分离技术和氧化方法，可以实现固液分离和有机物去除的高效处理。通过在初步处理阶段引入适当的微生物群落，可以充分利用生物处理和物理化学处理的优势，提高整体废水处理效率。

（3）利用预处理生物反应器降低有机物负荷后，将废水送入后续的物理化学处理单元，有助于减轻后续处理的负荷，从而提高处理效率。

混合处理技术可以根据废水的特性和处理目标进行灵活调整，以实现最佳的废水处理效果。

4.1 预处理技术在页岩气废水处理中的应用情况

预处理技术在页岩气废水处理中已经开始得到广泛应用。生物滤池、生物膜反应器和生物接触氧化池等生物处理单元已经在一些页岩气开采项目中建设并投入运营。这些单元主要用于去除有机物和氮、磷等营养物质。沉淀池、膜分离单元和化学氧化池等物理化学处理单元也被广泛使用，以去除重金属、固体悬浮物和难降解的有机物。一些处理工艺已经将多种预处理技术结合起来，以应对多样性的污染物组分，这些混合处理工艺能够高效地去除废水中的多种污染物。

4.2 推广应用预处理技术的优势和挑战

尽管预处理技术在页岩气废水处理中已经取得了一些成功，但仍然面临一些挑战和障碍。

预处理技术中的生物处理和物理化学方法通常较环保，能够有效去除有机物和重金属等有害污染物。预处理技术有助于废水中的营养物质和水资源的回收，促进资源的可持续利用，还可以根据不同废水特性进行调整和优化，以适应不同项目和地区的需求。

此外，预处理技术的建设和运营成本相对较高，这可能会增加页岩气开采项目的整体成本。一些预处理技术需要高度专业的知识和设备，而这可能不容易获得或维护，各地区的法规和标准对于页岩气废水的排放和处理要求不同，企业需要满足复杂多样的法规。

页岩气废水处理是一个复杂而紧迫的问题，需要综合运用各种技术手段来降低其对环境的潜在危害。本研究的目标是深入了解页岩气废水的特点和挑战，探讨了各种预处理技术的研究与应用，以及在实际应用中的表现。预处理技术的研究和应用为解决页岩气废水管理问题提供了新的思路和方法，然而，要实现可持续的废水管理，还需要进一步地研究和创新，以确保废水处理的高效性和环保性，希望本研究能够为页岩气废水处理领域的发展和改进提供有益的参考和启示。

参考文献

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[4]陆争光，高鹏，马晨波，等.页岩气采出水污染及处理技术进展[J].天然气与石油，2015，33（6）：90-95，14.

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