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目前,国内外开发页岩气主要采用水力压裂的方法。水力压裂法主要是将压裂液(即水和化学试剂组成的混合液)和固体颗粒支撑剂在高压条件下泵入地层深处的岩石,压裂页岩层,形成缝隙,使页岩气更流畅地从岩石裂缝中释放[1]。压裂完成后,压裂液与页岩中的水混合作为返排液返回地面。非常规页岩气快速发展产生了许多环境问题,压裂过程中耗水量大和压裂液中添加的化学物质可能导致地下水和地表水污染[2]。页岩气压裂返排液具有成分复杂[3]、较高的化学需氧量(COD)[4]、处理难度大[5-6]的特点,因而是目前最具有挑战性的工业污水之一[2, 7]。因此,有必要找到具有成本效益的处理方案,以实现这种快速增长的非常规能源的可持续发展。
“深井回注技术”是前几年页岩气压裂返排液较普遍的处理方式,由于基础设施限制并且只有在地下深层地层具有足够的孔隙度能接收压裂返排液的地方才能使用深井回注技术,因此,许多井场由于地理位置的限制无法进行深井回注[8-9]。同时,深井回注有诱导地震发生的潜在风险[10],故其可行性越来越低。目前,为了减轻水资源的压力并节约成本,业界更趋向于将返排液重复用于压裂或处理达标后直接外排[11-12]。
混凝沉降是油气行业普遍采用的污水处理工艺,适用于大体积压裂返排液处理[13],可用于页岩气压裂返排液的预处理阶段[14-15]。混凝-吸附联用的实质属于强化混凝技术范畴[16],主要是利用吸附剂大的比表面积、微孔结构和表面反应性来吸附难以被混凝去除的溶解性有机物质[17],同时密度大的吸附剂可作为絮体的凝结核,可加快絮体沉降速度而且能减少混凝产生的污泥量[18],将两者优势互补,可提高废水有机污染物的去除率[19-20]。
本研究对四川省长宁地区页岩气压裂返排液进行预处理,旨在研究混凝-吸附联用作为页岩气压裂返排液中有机污染物去除的预处理工艺的可行性,为后续研究提供参考。
混凝-吸附联用预处理页岩气压裂返排液
Pre-treating fracturing flow-back fluid of shale gas by coagulation-adsorption
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摘要: 为降低液相中有机污染负荷,采用烧杯实验和气相色谱-质谱联用技术研究和分析了混凝-吸附法联用预处理页岩气压裂返排液的可行性。结果表明:精制硅藻土(硅藻土J)投加有利于污染物的去除,联用顺序和吸附反应时间可以影响处理效果;先投加硅藻土J 8 mg·L−1,反应30 min后再投加PAC 2 000 mg·L−1,COD和浊度去除率分别达到57%和87%;混凝-吸附联用能去除水中22种有机污染物,大部分烷烃类、醇类、邻苯二甲酸二丁酯和卤代烃得到很好的去除。PAC和硅藻土J联用比传统混凝/吸附可以更高效地降低溶液有机负荷物,可以作为一种页岩气压裂返排液预处理的方法。Abstract: In this study, to reduce the organic pollution load in the liquid phase, the feasibility of the coagulation-adsorption for hydraulic fracturing flow-back fluid of shale gas pre-treatment was analyzed and discussed by Jar tests and gas chromatography-mass spectrometry. The results showed that the addition of refined diatomite (diatomite J) was beneficial to pollutants removal, and the addition sequence and adsorption reaction time had effects on the treatment results. When first dosing diatomite J at 8 mg·L−1 and 30 minutes reaction, then dosing PAC at 2 000 mg·L−1, the removal efficiencies of COD and turbidity were 57% and 87%, respectively. Coagulation-adsorption integrated process could remove 22 organic pollutants in fluid, and most of the alkanes, alcohols, dibutyl phthalate and halogenated hydrocarbons. This indicated that joint of PAC and diatomite J was more efficient to reduce the organic pollutants in fluid than traditional coagulation/adsorption method, and it can be used as an effective method for treating hydraulic fracturing flow-back fluid of shale gas.
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Key words:
- coagulation /
- adsorption /
- organic pollutants /
- fracturing flow-back fluid of shale gas
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表 1 主要有机污染物种类分析
Table 1. Analysis of main organic pollutants
处理方法 GC-MS检出物质/种 GC-MS检出主要有机污染物 实验原水 43 2,3,6-三甲基辛烷;正己烷;甲基环己烷;间二甲基环己烷;2-甲基辛烷;异丙基环己烷;3-二甲基壬烷;2-环己基丁烷;3-甲基癸烷;正十一烷;2,3-二甲基癸烷;3-甲基十一烷;1,1-二甲氧基壬烷;2,10-二甲基十一烷;2,6-二甲基十一烷;2,5-二甲基十一烷;2-甲基十二烷;7-亚甲基十三烷;4-甲基十四烷;十五烷;十六烷;2,6,10-三甲基十五烷;十七烷;10-甲基十九烷;2-甲基二十烷;二十烷;1-戊基-2-丙基环戊烷;二乙基环戊烷;反式十氢化萘;硝基氯仿;2-溴壬烷;1,11-二溴十一烷;1-碘十一烷;2-己基-1-癸醇;环庚烷甲醇;2-丁基-1-辛醇;1-癸醇;2-己基-1-辛醇;癸基十四醇;2-甲基癸醇;3,7,11-三甲基-1-十二烷醇;邻苯二甲酸二丁酯;戊基环戊环烯酮 仅投加硅藻土J 36 2,3,6-三甲基辛烷;正己烷;甲基环己烷;间二甲基环己烷;2-甲基辛烷;异丙基环己烷;3-二甲基壬烷;2-环己基丁烷;3-甲基癸烷;正十一烷;2,3-二甲基癸烷;3-甲基十一烷;1,1-二甲氧基壬烷;2,10-二甲基十一烷;2,6-二甲基十一烷;2,5-二甲基十一烷;2-甲基十二烷;7-亚甲基十三烷;4-甲基十四烷;十五烷;十六烷;2,6,10-三甲基十五烷;十七烷;2-甲基二十烷;二十烷;反式十氢化萘;2-己基-1-癸醇;环庚烷甲醇;2-丁基-1-辛醇;1-癸醇;2-己基-1-辛醇;癸基十四醇;2-甲基癸醇;3,7,11-三甲基-1-十二烷醇;邻苯二甲酸二丁酯;戊基环戊环烯酮 先投加硅藻土J
再投加PAC21 2,3,6-三甲基辛烷;甲基环己烷;间二甲基环己烷;2-甲基辛烷;异丙基环己烷;3-二甲基壬烷;2-环己基丁烷;3-甲基癸烷;3-甲基十一烷;2,10-二甲基十一烷;2,6-二甲基十一烷;2,5-二甲基十一烷;2-甲基十二烷;7-亚甲基十三烷;4-甲基十四烷;2,6,10-三甲基十五烷;2-甲基二十烷;反式十氢化萘;2-甲基癸醇;3,7,11-三甲基-1-十二烷醇;戊基环戊环烯酮 -
[1] 黄靓, 李慧强, 杨平. 页岩气压裂返排液的组成及处理技术[J]. 环境科学与技术, 2016, 39(S2): 166-171. [2] ESTRADA J M, BHAMIDIMARRI R. A review of the issues and treatment options for wastewater from shale gas extraction by hydraulic fracturing[J]. Fuel, 2016, 182: 292-303. doi: 10.1016/j.fuel.2016.05.051 [3] WARNER N R, JACKSON R B, DARRAH T H, et al. Geochemical evidence for possible natural migration of Marcellus Formation brine to shallow aquifers in Pennsylvania[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(30): 11961-11966. doi: 10.1073/pnas.1121181109 [4] 冯栩, 鲍晋, 苟杰, 等. 页岩气压裂返排液的序批式生物膜处理研究[J]. 工业水处理, 2018, 38(6): 50-53. [5] KARGBO D M, WILHELM R G, CAMPBELL D J. Natural gas plays in the Marcellus Shale: Challenges and potential opportunities[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(15): 5679-5684. [6] 陈文娟, 张健, 朱江, 等. 油田压裂返排液组合深度处理工艺研究进展[J]. 工业水处理, 2016, 36(5): 10-14. [7] GHANBARI E, DEHGHANPOUR H. The fate of fracturing water: A field and simulation study[J]. Fuel, 2016, 163: 282-294. doi: 10.1016/j.fuel.2015.09.040 [8] GREGORY K B, VIDIC R D, DZOMBAK D A. Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing[J]. Elements, 2011, 7(3): 181-186. doi: 10.2113/gselements.7.3.181 [9] LUTZ B D, LEWIS A N, DOYLE M W. Generation, transport, and disposal of wastewater associated with Marcellus Shale gas development[J]. Water Resources Research, 2013, 49(2): 647-656. doi: 10.1002/wrcr.20096 [10] ELLSWORTH W L. Injection-induced earthquakes[J]. Science, 2013, 341(6142): 1225942. [11] RAHM B G, BATES J T, BERTOIA L R, et al. Wastewater management and Marcellus Shale gas development: Trends, drivers, and planning implications[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 120: 105-113. [12] NICOT J P, SCANLON B R, REEDY R C, et al. Source and fate of hydraulic fracturing water in the Barnett Shale: A historical perspective[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(4): 2464-2471. [13] 杨德敏, 夏宏, 程方平. 页岩气压裂返排废水的混凝处理效能研究[J]. 工业水处理, 2016, 36(9): 32-34. [14] 许剑, 李文权. 页岩气压裂返排液处理工艺试验研究[J]. 石油机械, 2013, 41(11): 110-114. doi: 10.3969/j.issn.1001-4578.2013.11.026 [15] 陈清莲, 罗跃, 彭楚翱. 一种用于页岩气压裂返排液絮凝处理的PADD絮凝剂制备及应用[J]. 石油天然气学报, 2014, 36(3): 139-141. doi: 10.3969/j.issn.1000-9752.2014.03.029 [16] 杜文婷. 炼厂废水蒸发回用处理工艺的水质控制技术研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2014. [17] BASHIR M J K, XIAN T M, SHEHZAD A, et al. Sequential treatment for landfill leachate by applying coagulation-adsorption process[J]. Geosystem Engineering, 2016, 20(1): 9-20. [18] ROSENBLUM J S, SITTERLEY K A, THURMAN E M, et al. Hydraulic fracturing wastewater treatment by coagulation-adsorption for removal of organic compounds and turbidity[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016, 4(2): 1978-1984. doi: 10.1016/j.jece.2016.03.013 [19] 孙钰林, 丁然, 高迎新, 等. 工业园区废水深度处理的活性炭吸附-混凝技术中试研究[J]. 给水排水, 2018, 54(1): 85-90. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2018.01.017 [20] 唐艳. 混凝吸附法处理煤矿废水的研究[J]. 四川建材, 2016, 42(5): 36-37. [21] 樊炜. 压裂返排液处理技术研究[J]. 化工技术与开发, 2016, 45(3): 55-56. doi: 10.3969/j.issn.1671-9905.2016.03.016 [22] 裴旋. 耦合离子交换功能基团的絮凝剂的混凝性能和机理研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2014. [23] SHENG G, WANG S, HU J, et al. Adsorption of Pb(II) on diatomite as affected via aqueous solution chemistry and temperature[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical & Engineering Aspects, 2009, 339(1): 159-166. [24] 王煜杰. 预氧化复合混凝-吸附预处理珠江水中的有机污染物的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2017. [25] 别楚君, 姚迎迎, 董秉直. 基于高效液相凝胶色谱与三维荧光光谱研究饮用水中溶解性有机物去除规律[J]. 给水排水, 2017, 53(2): 27-33. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2017.02.006 [26] 毕传健. 强化混凝技术在集中式印染废水处理厂的应用研究[D]. 上海: 东华大学, 2017. [27] 严涵. 石墨烯类材料对水体中多种污染物的吸附去除研究[D]. 南京: 南京大学, 2015.