煤層氣開采廢水處理工藝研究

在充分利用天然氣的過程中，對水、空氣、土壤和生態(tài)等環(huán)境因素有許多不利影響，其中對水環(huán)境的影響最大。煤層氣在開采過程中主要產(chǎn)生三類廢水，分別為鉆井廢液、壓裂返排液以及煤層氣采出水。勘探過程中，鉆井作業(yè)產(chǎn)生的鉆井廢液以及作為增產(chǎn)措施的壓裂作業(yè)產(chǎn)生的壓裂返排液若未經(jīng)處理直接排放會對植物生長、土壤理化性質(zhì)以及漁業(yè)等造成不同程度的影響，甚至惡化自然水體。高礦化度、高鹽度的煤層氣采出水如果未經(jīng)處理直接灌溉農(nóng)田，將會造成農(nóng)作物減產(chǎn)、土壤鹽漬化，甚至破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境因此，通過研究煤層氣開采廢水的處理方法與技術，提高廢水中各類污染物質(zhì)的去除率，從而使其達標排放，對于實現(xiàn)煤層氣開采過程中的環(huán)境保護具有非常重要的現(xiàn)實意義。1鉆井報廢液1.1礦井廢液組成煤層氣的開采需要進行鉆井作業(yè)。目前我國在煤層氣鉆井作業(yè)中使用的鉆井液類型主要包括泡沫鉆井液、清水鉆井液以及聚合物鉆井液。鉆井廢液的成分和性質(zhì)主要取決于鉆井液的類型和組成。一般情況下，鉆井廢液中含有黏土（膨潤土為主）、無機鹽、有機聚合物、油類、鉆屑以及緩蝕劑、防塌抑制劑、殺菌劑等化學處理劑，是一種復雜的膠體體系。鉆井廢液的污染特征表現(xiàn)為色度高、懸浮物（SS）濃度高、有機物濃度高以及石油類物質(zhì)含量高，且其pH偏堿性，各類污染物含量遠超污水綜合排放標準（GB8978-1996）中的二級標準。從鉆井現(xiàn)場實際情況來看，一般平均每鉆井1m，將會產(chǎn)生0.3～0.8m1.2混凝沉降處理方法對于鉆井廢液，宜采用集中處理技術，實施鉆井廢水與泥漿、鉆屑的固液分離無害化處理，先通過破膠及混凝沉淀對其進行預處理，實現(xiàn)固液相分離，然后對固相進行固化處理，對液相根據(jù)排放及回用標準進行深度處理。鉆井廢液的處理工藝見圖1。混凝沉降的方法只能去除鉆井廢液中的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)以及一部分吸附在懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)上面的有機物，對廢水中含量較高的溶解性有機物的去除作用甚微。而吸附法、膜法、臭氧氧化法、Fenton試劑氧化法以及臭氧-Fenton聯(lián)合氧化等針對液相的深度處理方法則能有效去除廢水中的溶解性有機物質(zhì)。采用臭氧-Fenton聯(lián)合氧化技術處理鉆井廢水時，可大大提高廢水中污染物的去除率，其中COD的去除率最高甚至可達到95.1%，遠高于單獨使用臭氧氧化技術和Fenton氧化技術的COD去除率此外，鉆井作業(yè)具有流動工作的特點，使用可移動的撬裝化設備不僅有利于實現(xiàn)其在各井場之間的調(diào)運，而且集多個水處理單元于一體的設備特點有利于提高鉆井廢液中各污染物的排放達標率。2壓裂反流液2.1壓裂作業(yè)用非織造劑我國煤層氣井的壓裂作業(yè)以采用水力噴射壓裂技術為主，選用的壓裂液需要根據(jù)開采地區(qū)的煤層特性進行特定配制，一般含有破膠劑、殺菌劑、交聯(lián)劑、破乳劑、降濾劑、粘度穩(wěn)定劑、pH調(diào)節(jié)劑、絡合劑、稠化劑等11大類20多種化學物質(zhì)。壓裂作業(yè)后的返排液中含有地層沙礫、煤粉顆粒以及殘余的各種壓裂液添加劑，SS、COD以及石油類物質(zhì)含量較高，具有成分復雜、黏度高、可生化性差等特點。淮北某煤層氣井試生產(chǎn)階段的井口廢水監(jiān)測結果見表1。SS濃度的最大值接近GB8978-1996二級標準的2.5倍，平均COD接近排放標準的8倍，油類物質(zhì)最高濃度是排放標準的5倍以上。壓裂返排液產(chǎn)生于煤層氣開采的初期，一般需排采3～10d，甚至更長時間2.2混凝沉淀法的處理壓裂返排液作為最難處理的工業(yè)廢水之一，具有性質(zhì)獨特且組分復雜的特點。目前我國針對壓裂返排液的單獨研究包括采用混凝沉淀法、氧化法、微生物修復法以及多種技術聯(lián)合法對其進行處理，分別具有不同的處理效果。混凝沉淀法的作用原理是通過向壓裂返排液中加入混凝劑和助凝劑等藥劑，從而破壞返排液中膠體顆粒及細微懸浮顆粒的穩(wěn)定性，使其聚合形成體積較大且沉降性能良好的絮體，在重力作用下達到固液分離的目的。吳百春等2.3+種氧工藝a/o工藝聯(lián)合技術處理壓裂返排液針對壓裂返排液中SS、COD以及石油類物質(zhì)含量較高的特點，本文設計采用“混凝沉淀+缺氧/好氧工藝（A/O工藝）”聯(lián)合技術處理壓裂返排液。首先通過混凝沉淀去除廢水中的大部分懸浮固體以及一部分有機物和石油類物質(zhì)，優(yōu)化工藝參數(shù)后的混凝沉淀過程對廢水中SS、COD以及石油類物質(zhì)的去除率分別可達到85%以上、35%以上以及75%以上3采水3.1采出水水水量本文對山西沁水地區(qū)、保德地區(qū)以及陜西韓城地區(qū)的氣井采出水水量進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)各煤層氣開采區(qū)塊的采出水水量不斷變化，且同一區(qū)塊的不同氣井日產(chǎn)水量也均不相同。沁水盆地的采氣井單井日產(chǎn)水量為2.8～29.49m3.2采出水質(zhì)及回用標準煤層氣開采井場一般設有防滲預沉池或蓄水池，煤層水采出后先存放在池中，在自然蒸發(fā)的基礎上，根據(jù)采出水的水質(zhì)及回用標準選擇地面排放、地面蒸發(fā)、井下回注以及工廠處理等方式對其進行處理處置。地面排放對采出水的水質(zhì)要求最高，采出水總礦化度需小于2g/L，同時受納水體要有足夠的稀釋能力，且排放時需對采出水進行連續(xù)監(jiān)測以確保不會造成水體污染。地面蒸發(fā)在采出水水質(zhì)特別差時有較好的適用性，但該法對地形要求較高，且存在滲漏和H3.3離子交換系統(tǒng)針對采出水處理，本文設計先采用“預氧化+混凝沉淀”工藝去除水中大部分SS、Fe預氧化處理通過Fenton試劑、O此外，采出水還具有很高的礦化度，其中陽離子以Na在反滲透工藝前設置離子交換系統(tǒng)主要有兩個作用：一是離子交換系統(tǒng)可去除易使反滲透膜結垢的鈣鎂離子，降低反滲透膜的結垢頻率，從而延長其使用壽命；二是離子交換將采出水中的CO采出水處理工藝見圖3。4混凝沉淀+a/o工藝1）煤層氣在開采過程中產(chǎn)生的廢水主要包括三類，分別是勘探階段的鉆井廢液、試生產(chǎn)階段的壓裂返排液以及生產(chǎn)階段的采出水，它們產(chǎn)生的階段不同且水質(zhì)水量特征差異較大，因此應采用相應的方法分別進行處理。2）鉆井廢液組分復雜且污染負荷高，處理時宜先對其進行混凝沉淀，然后對產(chǎn)生的固液相根據(jù)實際需要分別進行處理，且集混凝沉淀和氧化吸附等工藝于一體的撬裝化裝置是處理鉆井廢液的新趨勢。壓裂返排液中含有較多添加劑成分，COD值和石油類物質(zhì)含量高，宜采用多種技術聯(lián)合的方法對其進行處理，對此本文提出“混凝沉淀+A