頁巖氣是一種重要的非常規(guī)能源，典型的頁巖氣開發(fā)作業(yè)由3個階段組成：鉆探、水力壓裂和返排。頁巖氣鉆井廢水主要產(chǎn)生于水基鉆井過程，伴隨有地層產(chǎn)出水、鉆井平臺沖洗廢水等，廢棄物組分復(fù)雜，COD高、含鹽量高、可生化性較差難處理。頁巖氣井壓裂后的返排液約占注入壓裂液量的60%～80%。壓裂返排液的組分取決于以下因素：壓裂液配液水質(zhì)、壓裂液化學(xué)組成、儲層地質(zhì)化學(xué)組成、地層水水質(zhì)以及返排液在地下和返排至地面的放置時間等。壓裂返排液中眾多添加劑的使用使其具有較高的COD、TDS、TSS，若直接外排，易對周圍環(huán)境造成嚴重污染。
由于水力壓裂過程耗水量大，勢必會給頁巖氣田周邊或區(qū)域帶來嚴峻水資源挑戰(zhàn)，需要提高壓裂返排液回用效率并降低處理成本。頁巖氣開發(fā)廢水中含有的化學(xué)添加劑、石油類、高價金屬離子等會影響回用，所以需進行破膠脫穩(wěn)對懸浮物和高價離子進行選擇性去除。
本研究采用穩(wěn)定性分析儀對化學(xué)絮凝、電絮凝等方法處理后的頁巖氣開發(fā)廢水進行脫穩(wěn)分析，通過不穩(wěn)定指數(shù)、分離速度等指標(biāo)進行表征，直觀定量地說明不同方法對絮體形成狀態(tài)的影響及分離過程。
1、頁巖氣開發(fā)廢水脫穩(wěn)實驗
1.1 廢水 >
水樣為西南地區(qū)不同頁巖氣開采現(xiàn)場的2種壓裂返排液及1種鉆井廢水。壓裂返排液樣品A來自C區(qū)塊，為初期返排壓裂液呈微黃的微濁態(tài);壓裂返排液樣品B來自W區(qū)塊，部分壓裂液為返排液經(jīng)簡單沉降后回用配置而成，樣品B為經(jīng)過反復(fù)壓裂返排后的廢水，呈灰黑色并有明顯的懸浮物;鉆井廢水C來自N區(qū)塊，為三開階段產(chǎn)生的廢水，水樣為含油的懸濁液。
1.2 實驗方法
實驗采用的化學(xué)藥劑有鹽酸、氫氧化鈉、聚合氯化鋁(PAC，含量26%)，電絮凝實驗裝置為自制小試裝置，能夠自動曝氣，可調(diào)節(jié)電流電壓。預(yù)處理方法采用調(diào)酸曝氣;脫穩(wěn)方法采用化學(xué)絮凝和電絮凝，參數(shù)控制為投加不同濃度的聚合氯化鋁，控制電絮凝反應(yīng)時間和反應(yīng)后的pH值。
分析設(shè)備為LUMiSizer611全功能穩(wěn)定性分析儀，WGZ-1B便攜式濁度儀。其中，全功能穩(wěn)定性分析儀參數(shù)設(shè)置為：SOP(譜線數(shù))=200條，采樣間隔=5s，轉(zhuǎn)速=500轉(zhuǎn)/min，樣品池為LUM-10mmPA管，形狀近似為長方體。
2、頁巖氣開發(fā)廢水脫穩(wěn)結(jié)果分析
2.1 原水的穩(wěn)定性
3種樣品原水水質(zhì)穩(wěn)定特性如表1所示，穩(wěn)定性圖譜如圖1所示。圖譜中紅線為檢測前期采集的譜線，綠線為檢測后期采集的譜線;縱坐標(biāo)為透光率，橫坐標(biāo)為樣品池內(nèi)位置，左為樣品池口，右為樣品池底。譜線間隔越大說明透光率變化越大，透光率越高說明越清澈。綜合圖1和表1可知，脫穩(wěn)難度由低到高順序為：壓裂返排液B(0.363)、鉆井廢水C(0.173)、壓裂返排液A(0.061)。壓裂返排液B和鉆井廢水C圖譜均呈現(xiàn)出較明顯的分離狀態(tài)，前者為上層懸浮物下沉，后者的分離方式為上浮。
2.2 化學(xué)脫穩(wěn)效果
3種水樣中壓裂返排液A在只投加絮凝劑PAC時，即產(chǎn)生了明顯的絮凝效果，處理前后穩(wěn)定特性如表2所示，穩(wěn)定性圖譜如圖2所示。
由圖2可知，加入PAC后發(fā)生分離水樣達到了脫穩(wěn)效果。2號和3號水樣透光率在樣品池底部呈現(xiàn)上升，說明有絮體上浮。隨著PAC加藥量增加，沉降速度變慢;2號和3號水樣后期檢測的譜線均越來越密，也說明分離速度變慢。由此可見，加入PAC后能實現(xiàn)脫穩(wěn)，絮體呈部分上浮，增大加藥量后能提高脫穩(wěn)效果，但分離速度變慢。
針對壓裂返排液A，3號處理方式即加入PAC1000mg/L能夠達到較好的脫穩(wěn)效果，不穩(wěn)定性指數(shù)從0.061上升到0.649，但絮體較為松散且上浮，濁度達到0.7NTU。
2.3聯(lián)合化學(xué)絮凝效果
對只投加化學(xué)絮凝劑絮凝效果不好的鉆井廢水C水樣進行了調(diào)酸曝氣預(yù)處理，之后進一步投加絮凝劑，產(chǎn)生了明顯的絮凝脫穩(wěn)效果，其處理前后的穩(wěn)定特性如表3所示。
由表3可見，經(jīng)過預(yù)處理聯(lián)合化學(xué)絮凝處理后，鉆井廢水C的不穩(wěn)定性指數(shù)明顯上升，且會隨PAC加量增加升高，由原水的0.173上升到0.917;當(dāng)PAC加量為2000mg/L后再增加劑量，其不穩(wěn)定性指數(shù)變化不大。鉆井廢水C預(yù)處理前后穩(wěn)定性圖譜如圖3所示?？梢钥闯觯?號與4號相比，樣品池底部峰減少且透光率上升，說明酸化能夠使一些物質(zhì)凝聚并上浮，且絮體主要為比水輕的油類物質(zhì);6號與5號相比，樣品池底部峰變平滑，說明曝氣促進了這種凝聚。
鉆井廢水C預(yù)處理后投加不同劑量絮凝劑，穩(wěn)定性圖譜如圖4所示。由圖4可知，隨著PAC的增加，分離效果提高;第一條譜線前移，說明絮體增多;7～9號樣品檢測后期譜線均越來越密，說明分離速度變慢，絮體不均勻;隨著加藥量的增大，沉降速度下降。7號透光率在樣品池底部呈現(xiàn)上升，說明仍有上浮，8號和9號透光率基本持平，均能保證絮體下沉。
綜上所述，針對鉆井廢水C使用8號處理方式即酸化pH=3.5，再曝氣1h，加入PAC2000mg/L，能夠達到較好的脫穩(wěn)效果，并使絮體沉降，不穩(wěn)定性指數(shù)從原水的0.173上升到0.911，出水濁度降至8NTU。
2.4 聯(lián)合電絮凝脫穩(wěn)效果
壓裂返排液B的pH值為6.5，不利于化學(xué)絮凝反應(yīng)，所以在絮凝前將其pH值調(diào)節(jié)為8，其預(yù)處理前后穩(wěn)定特性如表4所示。可以看出，壓裂返排液B通過預(yù)處理聯(lián)合電絮凝較直接化學(xué)絮凝產(chǎn)生了更明顯的絮凝脫穩(wěn)效果。
(1)不同預(yù)處理方式效果
將原水調(diào)節(jié)不同的pH值進行預(yù)處理，處理前后穩(wěn)定性圖譜如圖5所示。由圖5可知，11號和14號圖譜左段波谷均消失，整體變平，說明pH值調(diào)為酸性和堿性均能使水質(zhì)均質(zhì)化;但調(diào)整原水pH=8后不穩(wěn)定性由0.363降低至0.291，調(diào)至酸性并曝氣后不穩(wěn)定性指數(shù)上升到0.41，可見酸化曝氣在均質(zhì)的同時還提高了分離度。
(2)不同絮凝方式效果
穩(wěn)定性圖譜的波形越不平滑說明絮體結(jié)構(gòu)越不均勻。壓裂返排液C不同絮凝處理穩(wěn)定性圖譜如圖6所示。由圖6可知，直接化學(xué)絮凝(12號)和直接電絮凝(13號)比較，后者波形呈更為明顯的齒狀，說明直接電絮凝不能將水樣均質(zhì)。但電絮凝法通過加酸化曝氣后(15號)實現(xiàn)了絮體的穩(wěn)定分離和沉降，但沉降速度也有所降低。可見電絮凝對非均質(zhì)的水樣分離效果不佳，但通過酸化曝氣將水樣均質(zhì)后再進行電絮凝，即可實現(xiàn)更為有效的脫穩(wěn)效果。化學(xué)絮凝(12號)和酸化曝氣電絮凝(15號)比較，后者譜圖更規(guī)律，說明絮體大小均勻密實，沉降平均速度也更快。
3、結(jié)論
由穩(wěn)定性圖譜波形從多峰變?yōu)槠交默F(xiàn)象可知，調(diào)節(jié)pH值至酸性或堿性均可實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)廢水的均質(zhì)，曝氣能進一步促進凝聚，通過酸化曝氣后的水樣進一步絮凝時，穩(wěn)定性圖譜均呈現(xiàn)了更為規(guī)律的分離趨勢。
化學(xué)絮凝可提高不穩(wěn)定性指數(shù)，使?jié)岫冉档停⒋龠M絮體下沉而不再上浮，但隨著投加量的增加沉降速度也有所下降。此外，化學(xué)絮凝脫穩(wěn)的適應(yīng)性更好，對于均質(zhì)和非均質(zhì)廢水均能實現(xiàn)有效的脫穩(wěn)。電絮凝對非均質(zhì)的水樣分離效果不佳，但通過預(yù)處理將水樣均質(zhì)后再電絮凝，即可實現(xiàn)較化學(xué)絮凝更為快速的脫穩(wěn)效果，不穩(wěn)定性指數(shù)明顯上升，絮體密實分離均勻，濁度也更低。( >
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