頁巖氣廢水預處理技術的研究與應用

蔣和中 何蔚 任勇 王旭東

摘 要： 頁巖氣開采產生的廢水具有復雜的特性和高度的污染性，對環境和公共健康構成潛在威脅。為了有效應對這一挑戰，聚焦于頁巖氣廢水預處理技術的研究與應用。首先，分析了頁巖氣廢水的特點、成分和對環境的潛在影響，以及現有處理技術的局限性。接著，重點探討了各種預處理技術，包括生物處理、物理化學處理和混合處理，以降低廢水的復雜性和提高后續處理效率。此外，還介紹了這些技術在實際應用中的情況，并討論了其在頁巖氣廢水處理領域推廣應用的優勢和挑戰。通過深入研究和應用這些預處理技術，有望為頁巖氣廢水處理提供更可持續、高效和環保的解決方案。

關鍵詞： 頁巖氣廢水 預處理技術 研究 應用

中圖分類號： X773文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2023）09-0043-03

隨著頁巖氣開采的不斷發展，廢水管理已成為一個備受關注的問題。頁巖氣廢水的特點包括高鹽度、高有機物含量和有害物質存在，給廢水處理帶來了巨大挑戰，同時，未經適當處理的廢水排放可能對環境造成嚴重污染，因此尋找高效的廢水預處理技術至關重要。本文將深入研究頁巖氣廢水的特性，分析其對環境的潛在影響，然后重點關注預處理技術的研究與應用，旨在為解決這一重要問題提供有力支持。

1.1 頁巖氣開發過程中產生的廢水特點

隨著頁巖氣開發的迅速擴大，頁巖氣廢水成為一個備受關注的環境問題。本節將深入分析頁巖氣廢水的特點，包括其產生的背景和廢水的主要組成成分，以更好地理解這一問題的復雜性和緊迫性。

頁巖氣是一種非常重要的天然氣資源，其開采過程通常涉及水力壓裂（fracking）和水平鉆井（horizontal drilling）等高強度工程技術，這些技術的應用使廢水產生成為不可避免的問題。在水力壓裂過程中，大量的水、砂和化學添加劑被注入井口，以分裂頁巖巖層并釋放天然氣。這個過程會導致廢水的產生，其中包括回流水和產出水。

頁巖氣廢水的復雜性主要體現在其成分的多樣性上，廢水中含有水、化學添加劑、溶解氣體、固體顆粒、有機物和無機物等多種成分，這些成分的組合和濃度隨地理位置、頁巖巖層的不同而異。高鹽度是頁巖氣廢水的顯著特點之一[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，如氯化鈉、硫酸鹽和碳酸鹽。高鹽度使廢水處理變得復雜，因為鹽類可能與其他污染物相互作用，導致沉淀和腐蝕問題。

此外，頁巖氣廢水中還富含有機物，包括石油烴、揮發性有機化合物和多環芳烴等。這些有機物對水體和生態系統構成潛在威脅，因此需要有效去除。最后，廢水中可能存在有毒物質，如鎘、鉛、鍶和錫等重金屬，對環境和人類健康構成潛在威脅。

1.2 頁巖氣廢水的主要組分及其來源

頁巖氣廢水的成分是多元的，主要來源于水力壓裂過程和地下巖層。以下是頁巖氣廢水的主要組分及其來源。

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

其次，地下水和地層水也是頁巖氣廢水的重要來源。在頁巖氣開采過程中，地下水和地層水會與廢水混合，其中可能含有天然的溶解物質，如鹽類和重金屬，這些物質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出同時發生，因此也會進入廢水中。

最后，地下巖層物質，如巖石和礦物質，也可能在開采過程中被帶出并成為廢水的一部分。這些巖石和礦物質中包含的成分將增加廢水的復雜性，因為它們可以釋放出有害物質。

2.1 頁巖氣廢水對環境的潛在影響

頁巖氣廢水排放對環境潛在影響的考慮是至關重要的，因為未經適當處理的排放可能對多個環境要素構成風險。

首先，地下水污染是一個嚴重的擔憂，廢水中的化學物質、鹽類和重金屬可能滲入地下水層，損害地下水質量。這對飲用水和農業用水的安全構成潛在威脅，因為受污染的地下水可能對人類健康和農作物產量產生負面影響。

其次，土壤污染是另一個重要問題，廢水排放可能導致土壤受到污染。有機物和重金屬等廢水成分的積累可能阻礙植被的生長，破壞土壤質量，從而影響土壤的生態功能[4]。

再次，水體污染是一個明顯的風險，廢水排放到河流、湖泊或其他水體中可能對水生生物和生態平衡構成危害。有機物、溶解鹽和重金屬等物質的釋放可能導致水體富營養化和生態系統崩潰。此外，廢水處理過程中產生的氣體排放，如甲烷和揮發性有機化合物，可能對大氣質量和氣候產生負面影響，加劇溫室氣體排放問題。

最后，廢水處理不當還可能引發社會和生態風險，如水資源污染、生態系統受損和公共健康問題。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境影響。

2.2 頁巖氣廢水處理的現有技術和方法分析

為了應對頁巖氣廢水產生的潛在環境問題，已經開發了多種廢水處理技術和方法，這些方法通?？梢苑譃槲锢?、化學和生物處理方法。

2.2.1 物理處理方法

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

2.2.2 化學處理方法

化學處理方法包括氧化、化學沉淀和離子交換等，這些方法通過添加化學試劑來改變廢水中污染物的化學性質，使其沉淀或被吸附。氧化方法如高級氧化過程利用氧化劑將有機物氧化為更容易去除的產物；化學沉淀通過添加沉淀劑使重金屬離子沉淀為固體顆粒；離子交換則通過交換廢水中的離子和樹脂中的其他離子來去除有機物和重金屬。雖然化學處理方法能夠有效去除有機物、重金屬和鹽類，但需要大量的化學試劑，同時產生化學廢物，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物的能力，這些方法包括生物濾池、生物膜反應器和活性污泥法等。微生物在這些系統中分解有機物，將其轉化為水和二氧化碳。生物處理通常是一種環保和可持續的方式，但需要較長的處理時間，且對高鹽度廢水處理能力較弱[6-7]。

2.3 預處理技術的研究和應用背景

為了提高頁巖氣廢水處理的效率和適用性，預處理技術的研究和應用逐漸成為研究重點。預處理技術包括對廢水進行初步處理，以改善后續處理過程的效果?？梢酝ㄟ^沉淀將固體顆粒和一部分重金屬從廢水中分離出來，從而降低后續處理的負擔。調整廢水的pH值可以改善廢水中重金屬的沉淀效率，同時減少對生物處理的抑制作用。在廢水中引入適當的微生物群落，可以幫助降解有機物，減輕后續生物處理的負擔。利用膜分離技術可以實現固液分離和有機物去除，提高后續處理過程的效果[8-9]。

3.1 生物處理技術研究與應用

生物處理技術在頁巖氣廢水的預處理中扮演著重要的角色。這一可持續的廢水處理方法依賴微生物的作用，將有機物降解成水和二氧化碳。在處理頁巖氣廢水時，研究人員首先可以篩選出適合處理該類廢水的微生物群落。通過基因工程等現代生物技術手段，可以改進這些微生物的降解能力，提高有機物去除效率。此外，建立預處理生物反應器，如生物濾池和生物膜反應器，有助于將廢水中的一部分有機物去除，從而降低后續處理過程的負荷。生物處理技術還能有效去除廢水中的氮和磷等營養物質，有助于減少對水體生態系統的不良影響。

3.2 物理化學處理技術研究與應用

物理化學處理技術在頁巖氣廢水的預處理中起到關鍵作用，可以有效去除廢水中的懸浮固體、重金屬和一些有機物。研究人員可以通過以下方式提高物理化學處理技術的效率。

首先，優化沉淀劑的選擇和投加量，以提高重金屬的去除效率。

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

最后，化學氧化劑，如過氧化氫和高級氧化過程，可用于氧化和降解廢水中的有機物，通過優化氧化工藝，可以提高有機物的去除率，同時降低化學處理的成本。

3.3 混合處理技術研究與應用

混合處理技術結合了不同的廢水處理方法，以充分利用各種技術的優勢，提高整體處理效率。

（1）在頁巖氣廢水的預處理中，將生物處理與物理化學處理相結合，可以同時去除有機物、氮、磷和重金屬等污染物，從而提高綜合處理效果。

（2）結合膜分離技術和氧化方法，可以實現固液分離和有機物去除的高效處理。通過在初步處理階段引入適當的微生物群落，可以充分利用生物處理和物理化學處理的優勢，提高整體廢水處理效率。

（3）利用預處理生物反應器降低有機物負荷后，將廢水送入后續的物理化學處理單元，有助于減輕后續處理的負荷，從而提高處理效率。

混合處理技術可以根據廢水的特性和處理目標進行靈活調整，以實現最佳的廢水處理效果。

4.1 預處理技術在頁巖氣廢水處理中的應用情況

預處理技術在頁巖氣廢水處理中已經開始得到廣泛應用。生物濾池、生物膜反應器和生物接觸氧化池等生物處理單元已經在一些頁巖氣開采項目中建設并投入運營。這些單元主要用于去除有機物和氮、磷等營養物質。沉淀池、膜分離單元和化學氧化池等物理化學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物。一些處理工藝已經將多種預處理技術結合起來，以應對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 推廣應用預處理技術的優勢和挑戰

盡管預處理技術在頁巖氣廢水處理中已經取得了一些成功，但仍然面臨一些挑戰和障礙。

預處理技術中的生物處理和物理化學方法通常較環保，能夠有效去除有機物和重金屬等有害污染物。預處理技術有助于廢水中的營養物質和水資源的回收，促進資源的可持續利用，還可以根據不同廢水特性進行調整和優化，以適應不同項目和地區的需求。

此外，預處理技術的建設和運營成本相對較高，這可能會增加頁巖氣開采項目的整體成本。一些預處理技術需要高度專業的知識和設備，而這可能不容易獲得或維護，各地區的法規和標準對于頁巖氣廢水的排放和處理要求不同，企業需要滿足復雜多樣的法規。

頁巖氣廢水處理是一個復雜而緊迫的問題，需要綜合運用各種技術手段來降低其對環境的潛在危害。本研究的目標是深入了解頁巖氣廢水的特點和挑戰，探討了各種預處理技術的研究與應用，以及在實際應用中的表現。預處理技術的研究和應用為解決頁巖氣廢水管理問題提供了新的思路和方法，然而，要實現可持續的廢水管理，還需要進一步地研究和創新，以確保廢水處理的高效性和環保性，希望本研究能夠為頁巖氣廢水處理領域的發展和改進提供有益的參考和啟示。

參考文獻

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