页岩气压裂返排液无害化处理技术

1、压裂返排液的产生及特点

页岩气是蕴藏于页岩层中，赋存于以富有机质页岩为主的一种非常规天然气。随着页岩气开采技术的进步，已成为天然气产量增长的主要推动力。由于页岩气的气藏特点，采用水力压裂技术是提高天然气收率的必要手段。而在水力压裂过程中，大量高压水注入矿井中破裂岩层，释放天然气。被注入到地层的高压水，会在页岩气产气的不同阶段返排回地面，即压裂返排液和产出水，统称为采出水[1]。据统计，一个典型的页岩气钻井在钻探和水力压裂过程中需使用100～400万加仑（0.4～1.5万m3）的水[2]。不同地区，不同地质条件，地层含水率不同，导致返排率也不相同。

在页岩气开采过程中，为保证设备正常运转，会向压裂液中加入大量的高分子聚合物，包括稠化剂、支撑剂、稳定剂等十几种添加剂。仅在2005年之后的4年内，就有多达750种的化学试剂被用于压裂液中，在这些化学试剂中，也含有毒物质，且有毒物质的种类多、范围广，共涵盖29种类别[4]。因此，众多添加剂导致返排液具有高COD、高稳定性、高粘度的特点。返排液中除含大量高分子聚合物外，还含一定量的泥沙、油类、硫化亚铁等悬浮物(SS)和溶解性固体(TDS)。返排液中的TDS取决于地层水和岩层中矿物质的组分和浓度，主要以Na+、Cl-为主，多种无机盐共存的复杂体系，部分地区还携带出岩层中的重金属和放射性元素，如钡、锶。

综上，返排液具有产量变化大、成分复杂、不稳定性、难降解、高COD、高TDS、高硬度等特点。随着页岩气的大力开采，开采过程中产生的大量返排液给环境保护带来了巨大风险，特别是水环境保护，随着节能环保力度的加大，返排液的循环利用，降低水资源需求，减少废液量，是页岩气生产节能增效的蕞佳手段，废液的无害化资源化处理势在必行。

2、压裂返排液达标外排技术

压裂返排液经多次回用后，因水质发黑发臭，TDS升高等原因不再适合回用，加之回用成本升高、返排水量的逐渐增大（增加量主要为地层水）等问题，导致必须处理达标外排。相比回用标准，外排标准要求严格的多，否则势必对环境造成污染。因此，达标外排需满足《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中一级A标排放标准。但也有部分地区对外排水提出需执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水标准。但两个标准主要控制指标为SS、油浓度、NH3-N、COD和TDS。从控制指标可以得出，达标外排处理技术必须包含去除SS、油类、COD、氨氮、硬度和TDS，而难点和重点在于将高TDS从水中分离，以达到外排标准。

3、压裂返排液达标外排工艺流程

根据外排水标准，外排处理包含气浮、催化氧化、软化沉淀、超滤、提浓、蒸发结晶和深度处理等工艺。该工艺不仅能达标外排，还能将返排液中的NaCl作为产品提出。分离出的NaCl可作为化工原料和畜牧用盐，达到了有价物质资源化的目的。达标外排工艺中的深度处理装置主要针对采用不同的膜提浓工艺或不同蒸发工况造成不达标而增加的，但需根据不同的水质设置不同的深度处理装置。如采用电渗析装置，需增加淡水除COD装置；如蒸发结晶在碱性条件下蒸发，氨氮进入冷凝水，需增加脱氨氮装置。由于压裂返排液达标外排标准较高，处理工艺较为复杂，流程较长，所以宜将返排液收集建污水厂集中处理。

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