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油田壓裂廢水膜法再生利用技術

發布時間:2022-4-14 14:59:12  中國污水處理工程網

  油氣井壓裂作業過程中產生的壓裂廢水已成為當前油田水體的主要污染源之一。壓裂后產生的廢水成分復雜,主要有4項特點:一是所含懸浮物的質量濃度偏高,黏度較大;二是化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)質量濃度高,一般為2000~10000mg/L;三是礦化度高(水的硬度高),含有質量濃度較高的重金屬陽離子以及大量陰離子(如Cl-和SO42-等);四是含有許多有機物添加劑,具有穩定性極強、難分解且抑制生物降解、處理難度大的顯著特點。壓裂廢水未經處理直接外排或挖坑填埋會對周邊生態環境造成極大危害。

  目前,壓裂廢水處理方法主要有物理法(包括膜分離法、氣浮法等)、物理化學法(包括混凝沉淀法、吸附法等)、生物化學法、高級氧化法等。根據不同壓裂廢水的水質特性,可以采用單一方法或聯合工藝進行處理。受現場條件和技術水平的限制,國內油田對壓裂廢水多采用采油廢水的常規處理工藝,不能實現有效的達標排放。因此,開展壓裂廢水處理與再生利用技術研究,對于保障油田的正常生產和可持續發展具有重要的意義,且對環境保護和人類健康具有深遠意義。

  與傳統的水處理方法相比,膜分離技術具有高效節能、無相變、常溫操作、占地面積小、易操作以及穩定性好等優點。納濾是一種介于反滲透和超濾之間的新型壓力驅動膜分離過程,其截留分子量為200~1000,孔徑為納米級。與反滲透相比,納濾具有操作壓力低、滲透通量大、能耗低等優點。筆者采用“高效絮凝+納濾”聯用工藝技術處理油田壓裂廢水,可實現壓裂廢水的規;赜媚康。

  1、膜法再生利用技術的實驗材料與工藝原理

  1.1 膜法再生利用技術的實驗材料與試劑

  壓裂廢水由國內某大型油田企業提供;F-01,F-02,F-033種絮凝劑與ACB-01專用膜清洗劑由同舟縱橫(廈門)流體技術有限公司提供。

  1.2 膜法再生利用技術的實驗儀器與設備

  膜分離實驗設備和納濾膜芯由同舟縱橫(廈門)流體技術有限公司提供。壓裂廢水先經過絮凝沉淀后,取上清液倒入膜分離實驗裝置的料桶中。依次啟動輸料泵和高壓泵,利用高壓泵提升進入膜表面的料液壓力,使其超過1.5MPa。通過膜的截留將進料分成兩部分:一部分為濃縮液,回流至高壓泵前和進料桶,繼續進行濃縮;另一部分形成透析液,排入透析液收集槽。

  在實驗過程中,定時記錄實驗時間、壓力、溫度等相關數據,定時測定過濾速度并取樣分析。在操作結束后,首先排除濃縮液,其次用清水沖洗系統后,再次加入ACB-01專用膜清洗劑的水溶液進行清洗,在40~45℃運行40~60min,最后用清水沖洗至pH值中性即可。

  1.3 膜法再生利用技術的工藝原理

  1)膜通量J的測定公式為

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  2)去除率α的計算公式為

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  3)水通量恢復率βFRR的計算公式為

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  2、膜法再生利用技術的實驗結果與討論

  2.1 絮凝沉淀

  全面考察了F-01,F-02,F-03這3種絮凝劑在不同質量分數下(0~0.1%)的絮凝沉淀效果。實驗結果表明,當添加質量分數為0.05%的F-03絮凝劑時,對壓裂廢水表現出優異的絮凝效果。深黃色、渾濁的壓裂廢水經絮凝處理后,上清液的澄清度和色澤都大為改善。

  2.2 納濾工藝

  2.2.1 膜通量

  圖1為膜通量隨時間的變化情況;圖2為各實驗批次的平均膜通量。從圖1可以發現,膜通量隨著運行時間的增長,呈逐漸降低趨勢。在運行初期的低倍濃縮階段,由滲透壓和濃差極化產生的膜阻力相對較小,因此膜通量相對較大,膜通量下降趨勢較為緩慢;而在運行后期的高倍濃縮階段,一方面由滲透壓和濃差極化導致的膜阻力不斷增大,另一方面膜污染程度也不斷加重,因此膜通量下降比較明顯。

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  總體而言,從圖2可以看出,在優化后的實驗操作條件下(運行壓力為1.5MPa,運行溫度為25~35℃),在確保高回收率(90%~95%)的同時,多實驗批次的平均膜通量達到48~55LMH,可滿足工業化生產的設計要求。

  2.2.2 濃縮倍數

  3個批次納濾實驗的濃縮倍數分別為13,15,11,實現壓裂廢水的回用率達到90%以上,大大降低了壓裂廢水的排放量。

  2.2.3 膜污染與膜清洗

  膜污染按污染位置的不同可分為膜外污染和膜內污染,其中膜外污染是由于污染物吸附沉積在膜表面而增加了過濾阻力,從而降低了膜通量;膜內污染是由于污染物在膜孔內吸附沉積而減小了膜孔徑,從而降低了膜通量。本研究一方面通過高效絮凝沉淀的預處理工藝,有效去除壓裂廢水中的懸浮物,大大降低了納濾膜分離工藝的膜外污染;另一方面,優選適合的膜材質、膜構型和膜孔徑的抗污染納濾膜,最大程度降低膜外污染和膜內污染。

  在此基礎上,針對壓裂廢水中的污染物類型,本實驗采用ACB-01專用膜清洗劑及清洗方案,進行了3個批次膜清洗實驗。圖3為膜清洗后的水通量恢復情況。從圖3可知,經純水沖洗后,納濾膜的水通量可以恢復到80%以上,再經過ACB-01專用膜清洗劑清洗后,納濾膜的水通量完全恢復,表明該清洗方案高效可行。

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  2.3 濾液質量

  “高效絮凝+納濾”聯用工藝技術處理前的壓裂廢水為深黃色、渾濁的,經絮凝工藝技術處理后,上清液為淡黃色,再經過納濾膜過濾后的透過液為無色透明液體,濃縮液為深褐色。委托有資質的第三方檢測機構對壓裂廢水、絮凝上清液、納濾透過液的主要成分進行了分析,結果見表1。從表1可以看出,“高效絮凝+納濾”聯用工藝技術對各種主要雜質去除率較高,顯著優于傳統水處理方法,并完全符合回用水要求,主要表現在4個方面:一是COD去除率高,超過80%;二是水的硬度去除率高,超過93%;三是二價或多價陽離子去除率高,超過90%,且Fe2+/Fe3+>Mg2+>Ca2+;四是SO42-去除率達到100%。

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  3、結論

  筆者采用“高效絮凝+納濾”聯用工藝技術處理某大型油田的壓裂廢水,經過高效絮凝預處理后,納濾工藝表現出高膜通量(48~55LMH)、高濃縮倍數(大于10倍)、高膜通量恢復率(100%恢復)等優點!案咝跄+納濾”聯用工藝技術對壓裂廢水中COD去除率超過80%,對水的硬度去除率超過93%,對陽離子去除率超過90%,對SO42-去除率達到100%。因此,“高效絮凝+納濾”聯用工藝技術對壓裂廢水表現出較好的處理效果,為高效再生利用壓裂廢水提供了新的解決方案和實驗基礎。處理后的壓裂廢水可回用,從而大大減少對環境造成的危害。(來源:同舟縱橫(廈門)流體技術有限公司)

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