煤层气开采废水处理工艺研究

煤层气开采废水处理工艺研究

在充分利用天然气的过程中，对水、空气、土壤和生态等环境因素有许多不利影响，其中对水环境的影响最大。煤层气在开采过程中主要产生三类废水，分别为钻井废液、压裂返排液以及煤层气采出水。勘探过程中，钻井作业产生的钻井废液以及作为增产措施的压裂作业产生的压裂返排液若未经处理直接排放会对植物生长、土壤理化性质以及渔业等造成不同程度的影响，甚至恶化自然水体。高矿化度、高盐度的煤层气采出水如果未经处理直接灌溉农田，将会造成农作物减产、土壤盐渍化，甚至破坏农业生态环境因此，通过研究煤层气开采废水的处理方法与技术，提高废水中各类污染物质的去除率，从而使其达标排放，对于实现煤层气开采过程中的环境保护具有非常重要的现实意义。1钻井报废液1.1矿井废液组成煤层气的开采需要进行钻井作业。目前我国在煤层气钻井作业中使用的钻井液类型主要包括泡沫钻井液、清水钻井液以及聚合物钻井液。钻井废液的成分和性质主要取决于钻井液的类型和组成。一般情况下，钻井废液中含有黏土（膨润土为主）、无机盐、有机聚合物、油类、钻屑以及缓蚀剂、防塌抑制剂、杀菌剂等化学处理剂，是一种复杂的胶体体系。钻井废液的污染特征表现为色度高、悬浮物（SS）浓度高、有机物浓度高以及石油类物质含量高，且其pH偏碱性，各类污染物含量远超污水综合排放标准（GB8978-1996）中的二级标准。从钻井现场实际情况来看，一般平均每钻井1m，将会产生0.3～0.8m1.2混凝沉降处理方法对于钻井废液，宜采用集中处理技术，实施钻井废水与泥浆、钻屑的固液分离无害化处理，先通过破胶及混凝沉淀对其进行预处理，实现固液相分离，然后对固相进行固化处理，对液相根据排放及回用标准进行深度处理。钻井废液的处理工艺见图1。混凝沉降的方法只能去除钻井废液中的悬浮物质、胶体物质以及一部分吸附在悬浮物质和胶体物质上面的有机物，对废水中含量较高的溶解性有机物的去除作用甚微。而吸附法、膜法、臭氧氧化法、Fenton试剂氧化法以及臭氧-Fenton联合氧化等针对液相的深度处理方法则能有效去除废水中的溶解性有机物质。采用臭氧-Fenton联合氧化技术处理钻井废水时，可大大提高废水中污染物的去除率，其中COD的去除率最高甚至可达到95.1%，远高于单独使用臭氧氧化技术和Fenton氧化技术的COD去除率此外，钻井作业具有流动工作的特点，使用可移动的撬装化设备不仅有利于实现其在各井场之间的调运，而且集多个水处理单元于一体的设备特点有利于提高钻井废液中各污染物的排放达标率。2压裂反流液2.1压裂作业用非织造剂我国煤层气井的压裂作业以采用水力喷射压裂技术为主，选用的压裂液需要根据开采地区的煤层特性进行特定配制，一般含有破胶剂、杀菌剂、交联剂、破乳剂、降滤剂、粘度稳定剂、pH调节剂、络合剂、稠化剂等11大类20多种化学物质。压裂作业后的返排液中含有地层沙砾、煤粉颗粒以及残余的各种压裂液添加剂，SS、COD以及石油类物质含量较高，具有成分复杂、黏度高、可生化性差等特点。淮北某煤层气井试生产阶段的井口废水监测结果见表1。SS浓度的最大值接近GB8978-1996二级标准的2.5倍，平均COD接近排放标准的8倍，油类物质最高浓度是排放标准的5倍以上。压裂返排液产生于煤层气开采的初期，一般需排采3～10d，甚至更长时间2.2混凝沉淀法的处理压裂返排液作为最难处理的工业废水之一，具有性质独特且组分复杂的特点。目前我国针对压裂返排液的单独研究包括采用混凝沉淀法、氧化法、微生物修复法以及多种技术联合法对其进行处理，分别具有不同的处理效果。混凝沉淀法的作用原理是通过向压裂返排液中加入混凝剂和助凝剂等药剂，从而破坏返排液中胶体颗粒及细微悬浮颗粒的稳定性，使其聚合形成体积较大且沉降性能良好的絮体，在重力作用下达到固液分离的目的。吴百春等2.3+种氧工艺a/o工艺联合技术处理压裂返排液针对压裂返排液中SS、COD以及石油类物质含量较高的特点，本文设计采用“混凝沉淀+缺氧/好氧工艺（A/O工艺）”联合技术处理压裂返排液。首先通过混凝沉淀去除废水中的大部分悬浮固体以及一部分有机物和石油类物质，优化工艺参数后的混凝沉淀过程对废水中SS、COD以及石油类物质的去除率分别可达到85%以上、35%以上以及75%以上3采水3.1采出水水水量本文对山西沁水地区、保德地区以及陕西韩城地区的气井采出水水量进行了调查，发现各煤层气开采区块的采出水水量不断变化，且同一区块的不同气井日产水量也均不相同。沁水盆地的采气井单井日产水量为2.8～29.49m3.2采出水质及回用标准煤层气开采井场一般设有防渗预沉池或蓄水池，煤层水采出后先存放在池中，在自然蒸发的基础上，根据采出水的水质及回用标准选择地面排放、地面蒸发、井下回注以及工厂处理等方式对其进行处理处置。地面排放对采出水的水质要求最高，采出水总矿化度需小于2g/L，同时受纳水体要有足够的稀释能力，且排放时需对采出水进行连续监测以确保不会造成水体污染。地面蒸发在采出水水质特别差时有较好的适用性，但该法对地形要求较高，且存在渗漏和H3.3离子交换系统针对采出水处理，本文设计先采用“预氧化+混凝沉淀”工艺去除水中大部分SS、Fe预氧化处理通过Fenton试剂、O此外，采出水还具有很高的矿化度，其中阳离子以Na在反渗透工艺前设置离子交换系统主要有两个作用：一是离子交换系统可去除易使反渗透膜结垢的钙镁离子，降低反渗透膜的结垢频率，从而延长其使用寿命；二是离子交换将采出水中的CO采出水处理工艺见图3。4混凝沉淀+a/o工艺1）煤层气在开采过程中产生的废水主要包括三类，分别是勘探阶段的钻井废液、试生产阶段的压裂返排液以及生产阶段的采出水，它们产生的阶段不同且水质水量特征差异较大，因此应采用相应的方法分别进行处理。2）钻井废液组分复杂且污染负荷高，处理时宜先对其进行混凝沉淀，然后对产生的固液相根据实际需要分别进行处理，且集混凝沉淀和氧化吸附等工艺于一体的撬装化装置是处理钻井废液的新趋势。压裂返排液中含有较多添加剂成分，COD值和石油类物质含量高，宜采用多种技术联合的方法对其进行处理，对此本文提出“混凝沉淀+A