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頁(yè)巖氣采出含砷廢水處理技術(shù)

  0前言

  頁(yè)巖氣是一種新型的低碳、清潔以及高儲(chǔ)量的非常規(guī)天然氣資源,具有產(chǎn)量高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),已成為全球能源領(lǐng)域以及油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)。但對(duì)頁(yè)巖氣資源大量的開(kāi)發(fā),也造成了溫室氣體排放、輻射、空氣污染、以及采出水污染等多種環(huán)境問(wèn)題。其中,采出水對(duì)水環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,引起了各方面的廣泛關(guān)注。目前,頁(yè)巖氣開(kāi)采的主要方式為水力壓裂技術(shù),該技術(shù)是利用高壓將大量的淡水、化學(xué)藥劑以及沙子的混合物注入地層,進(jìn)而對(duì)頁(yè)巖層進(jìn)行液壓破碎,以將其中的天然氣資源釋放出來(lái)。

  頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢水主要來(lái)自于壓裂液、返排水以及產(chǎn)出水,其成分復(fù)雜,包含了懸浮有機(jī)物、油脂、天然放射性物質(zhì)、重金屬、酚類、酮類等多種污染物E。水力壓裂技術(shù)產(chǎn)生的廢水含鹽量較高,溶解性總固體(TDS)含量一般為10000-300000mg/L,且含有重金屬As。頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢水中含有重金屬As,As是一種具有高毒性的類金屬元素,水體中As含量超標(biāo)將會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。若不對(duì)該廢水進(jìn)行妥當(dāng)處置,將會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大影響。

  目前,含As廢水的主要處理技術(shù)有混凝法、沉淀法、離子交換法、膜分離法、吸附法以及生物法。近年來(lái),有諸多研究學(xué)者利用重金屬捕集劑對(duì)廢水中的重金屬進(jìn)行有效去除。胡運(yùn)俊等人問(wèn)通過(guò)制備不同的重金屬捕集劑,對(duì)水中微量Hg(II)去除進(jìn)行了探討研究;劉志勤等人網(wǎng)制備了一種重金屬捕集劑,對(duì)重金屬Cu2+和Ni2+有很好的去除效果;Navarro等合成了一種重金屬捕集劑,在廢水中非過(guò)渡金屬離子濃度較高的條件下,對(duì)廢水中Cu2+、Ni2+、CO2+、Pb2+和Zn2+仍具有較好的去除能力;Matlock等人合成的一種重金屬捕集劑處理含汞、鉛廢水,去除率都在99%以上。重金屬捕集劑可以和重金屬離子進(jìn)行絡(luò)合以產(chǎn)生難溶于水且穩(wěn)定的螯合物呦。重金屬捕集劑處理效果不受pH值以及共存離子的影響,而吸附法具有成本低、效果好以及回收利用率高等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。目前,對(duì)于高COD、高含鹽量的頁(yè)巖氣采出含As廢水處理尚無(wú)報(bào)道,因此本研究采取捕集分離+深度吸附復(fù)合工藝,對(duì)頁(yè)巖氣采出含As廢水中的As進(jìn)行有效去除,處理后的出水符合GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》HI類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

  1 試驗(yàn)材料與方法

  1.1材料

  1.1.1主要試劑

  聚丙烯酰胺(PAM)為市售成品,重金屬捕集劑MRT-M12與重金屬吸附材料均為實(shí)驗(yàn)室按比例制備。

  1.1.2主要儀器

  多頭測(cè)速磁力攪拌器(HJ-6B,金壇市盛威實(shí)驗(yàn)儀器廠)、蠕動(dòng)泵(BT600S,上海重逢科學(xué)儀器有限公司)、便攜式pH測(cè)定儀(FB10,杭州艾普儀器設(shè)備有限公司)、便攜式TDS測(cè)定儀(DDBJ-350,上海精密儀器儀表有限公司)。

  1.1.3水樣

  試驗(yàn)水樣來(lái)自于四川某氣田頁(yè)巖氣開(kāi)采作業(yè)排出廢液。

  1.2試驗(yàn)與分析方法

  1.2.1試驗(yàn)方法As捕集過(guò)程。

  取1L含As水樣置于多頭磁力攪拌器中,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為550r/min,加入一定量10%重金屬捕集劑溶液,反應(yīng)30min后,再分別加入2%PAM溶液,攪拌反應(yīng)5min后,靜置15min,取上清液過(guò)濾后測(cè)定水質(zhì)pH值與COD、TDS、SS和As的含量。

  深度吸附反應(yīng)。加入一定量吸附劑,將將最佳As捕集劑投加量下的反應(yīng)后濾液利用蠕動(dòng)泵從一級(jí)吸附柱底部通入,蠕動(dòng)泵的流量為10bv/h,分別測(cè)定一級(jí)出水、二級(jí)出水pH值與COD、TDS、SS和As的含量。頁(yè)巖氣采出含As廢水處理工藝流程見(jiàn)圖1。

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  1.2.2分析方法

  試驗(yàn)過(guò)程中pH值、COD、TDS、SS以及As的分析檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

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  2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

  2.1低濃度含As廢水As去除效果研究

  2.1.1MRT-M12投加量的影響

  將原水水質(zhì)條件pH值7.25、COD濃度為976.82mg/L、TDS濃度為19.44g/L、SS濃度為171mg/L、As濃度為0.55mg/L的1L廢水分別加入編號(hào)為1#、2#、3#、4#的反應(yīng)器中,再分別加入10%MRT-M12捕集劑1、4、8、12mL,反應(yīng)30min后,再各加入1mL2%PAM溶液,攪拌反應(yīng)5min后,靜置15min,測(cè)定上清液的pH值以及COD、SS、TDS和As的含量,并計(jì)算其去除率,結(jié)果見(jiàn)圖2。

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  由圖2可知,不同投加量下溶液的pH值變化不大,均在7左右。當(dāng)MRT-M12投加量從0.1g/L上升到1.2g/L時(shí),COD、SS以及TDS的去除率幾乎沒(méi)有變化,COD的去除率均大于30%,SS的去除率均大于94%,對(duì)于TDS,幾乎沒(méi)有去除效果。說(shuō)明MRT-M12對(duì)于SS的去除具有較好的效果,但是MRT-M12投加量含量變化對(duì)COD、SS以及TDS的去除幾乎沒(méi)有影響。As的去除率隨著MRT-M12投加量的增加而增加,當(dāng)投加量從0.1g/L上升到1.2g/L時(shí),As的去除率從61.8%升高至80%,但當(dāng)MRT-M12投加量大于0.8g/L時(shí),對(duì)于As的去除率沒(méi)有明顯增加,趨于平緩趨勢(shì)。為考慮工程應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)成本的問(wèn)題,本試驗(yàn)對(duì)于低濃度含神廢水的處理選擇0.8g/L作為最佳投加量來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

  2.1.2深度吸附工藝的影響

  將1L在MRT-M12最佳投加量下進(jìn)行As捕集反應(yīng)過(guò)后的溶液連續(xù)通過(guò)一級(jí)和二級(jí)吸附柱,然后分別對(duì)一級(jí)和二級(jí)出水中的pH值以及COD、SS、TDS和As含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表2。

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  由表2可以看出,當(dāng)1號(hào)原水與2號(hào)原水分別通過(guò)一級(jí)和二級(jí)過(guò)柱后,As含量均未被檢出,說(shuō)明進(jìn)一步的深度吸附過(guò)程對(duì)重金屬As可以達(dá)到100%去除。但深度吸附對(duì)于TDS、SS幾乎沒(méi)有去除效果,且一級(jí)、二級(jí)出水pH值均有所升高。

  2.2高濃度含砷廢水去除效果研究

  2.2.1MRT-M12投加量的影響

  將原水水質(zhì)條件pH值為7.20、COD濃度為981.72mg/L、TDS濃度為19.57g/L、SS濃度為195mg/L、As濃度為4.53mg/L的1L廢水分別加入編號(hào)為1#、2#、3#、4#反應(yīng)器中,再分別加入10%MRT-M12捕集劑1、4、8、12mL,反應(yīng)30min后,再各加入1mL2%PAM溶液,攪拌反應(yīng)5min后,靜置15min,測(cè)定上清液pH值以及COD、SS、TDS和As的含量,并計(jì)算其去除率,結(jié)果見(jiàn)圖3。

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  由圖3可以看出,在不同MRT-M12投加量下,高濃度的含As廢水中COD、SS以及TDS的去除率同低濃度含As廢水處理結(jié)果幾乎一致,變化甚微。高濃度的含As廢水中As的去除率同樣隨著MRT-M12投加量的增加而增加,當(dāng)投加量從0.1g/L上升到1.2g/L時(shí),As的去除率從51.9%增加至97.8%,但當(dāng)MRT-M12投加量大于0.8g/L時(shí),As的去除率增加趨勢(shì)變緩,同低濃度含砷廢水處理結(jié)果一致。為考慮工程應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)成本的問(wèn)題,本試驗(yàn)對(duì)高濃度含砷廢水的處理選擇0.8g/L作為最佳投加量來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。又因?yàn)椴都瘎㎝RT-M12與As形成的沉淀質(zhì)量較輕,難以進(jìn)行自然沉降,所以需要利用高分子絮凝劑PAM的吸附架橋作用,使得質(zhì)量較小的沉淀物絮凝產(chǎn)生比較大的礬花,進(jìn)而通過(guò)分離去除,以提高As的去除效果。研究表明,絮凝劑PAM的加入主要起絮凝作用,對(duì)于重金屬的去除效果微弱。絮凝效果對(duì)比見(jiàn)圖4。

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  2.2.2深度吸附工藝的影響

  將1L在MRT-M12最佳投加量下進(jìn)行As捕集反應(yīng)過(guò)后的溶液連續(xù)通過(guò)一級(jí)和二級(jí)吸附柱,然后分別對(duì)一級(jí)和二級(jí)出水中的pH值以及COD、SS、TDS和As含量進(jìn)行測(cè)定,并計(jì)算其去除率,結(jié)果見(jiàn)表3。原水與最終出水比較見(jiàn)圖5

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  從圖5可以看出,最終的出水水質(zhì)清澈透明,較原水在色度上有很大改善。

  根據(jù)表3顯示,經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)過(guò)柱柱后深度吸附的1號(hào)原水與2號(hào)原水,As含量均未被檢出,表明深度吸附過(guò)程可以將重金屬As完全去除。同低濃度含As廢水處理效果一致,深度吸附對(duì)于高濃度含As廢水的TDS、SS幾乎也無(wú)去除效果,且一級(jí)、二級(jí)出水pH值也都有所上升。

  3 結(jié)論與建議

  本研究采用捕集分離+深度吸附復(fù)合工藝對(duì)頁(yè)巖氣采出的低濃度與高濃度含As廢水進(jìn)行了處理。在捕集分離過(guò)程中,重金屬As捕集劑的最佳投加量為0.8g/L,且對(duì)低濃度的含As廢水的COD、SS、TDS和As的最大去除率分別為33.5%、95.3%、0.36%和80%,對(duì)高濃度的含As廢水的COD、SS、TDS和As的最大去除率為34.9%、96.4%、0.97%和97.8%。通過(guò)深度吸附的低濃度和高濃度含As廢水中的COD、SS、TDS去除率變化不大,但重金屬As含量未被檢出,As排放能夠達(dá)到GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》HI類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步為實(shí)際工程中頁(yè)巖氣采出含碑廢水處理提供技術(shù)支撐。( >

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