利用新型多级絮凝反应器处理页岩气压裂回流水：能量匹配机制及现场验证

《Process Safety and Environmental Protection》：Treatment of shale gas fracturing flowback fluid using a novel multistage flocculation reactor: Energy-matching mechanism and field validation

多级强化絮凝反应器（MFR）通过高、中、低强度水力分区实现能量阶梯式耗散，有效促进页岩气返排流体中污染物快速混合与絮凝，实验室COD去除率达87.86%，浊度去除率90.21%，现场试验油类、COD和TSS去除率分别达91.6%、98.8%和91.6%。该设计平衡了絮凝初期高剪切混合与后期低剪切保护絮体的需求，为复杂废水处理提供高效节能方案。

　　

梁星|崔灿|徐露露|穆玉敏|金刚|刘畅|李亮|张海军|李晓兵

中国矿业大学焦煤资源绿色开发国家重点实验室，江苏省徐州市221116

摘要

絮凝技术被广泛用于废水处理，而反应器的水动力学特性对絮体的生长有着重要影响。本文开发了一种多级强化絮凝反应器（MFR），用于处理页岩气回流水，并通过模拟实验、实验室试验和现场测试对其性能进行了评估。MFR结合了高、中、低三种不同强度的处理区域，从而在流体流动过程中实现能量的分段释放。在入口流速为0.49 m/s的情况下，高强度区域具有紧凑的空间尺度以及7.78 × 10^-4 m^2/s^2的湍流动能（TKE），促进了絮凝剂与污染物的快速混合，形成了0.31 mm大小的初始絮体；中等强度区域的空间尺度较大，TKE较低（8.31 × 10^-5 m^2/s^2），有助于絮体进一步聚集至0.56 mm；低强度区域的空间尺度最大，TKE最低（9.74 × 10^-6 m^2/s^2），有利于絮体的保护与密实化，最终形成0.92 mm大小的絮体。这种能量匹配的设计方式既实现了上游的快速混合，又减少了下游絮体的破碎，同时能耗较低。实验室测试显示，该反应器对COD的去除率达到87.86%，浊度的去除率达到90.21%。现场试验进一步验证了其稳定性，油类物质的去除率为91.6%，COD的去除率为98.8%，总悬浮固体（TSS）的去除率为91.6%。总体而言，MFR为回流水处理提供了一种运行稳定且能源效率高的解决方案，为絮凝反应器的设计提供了参考。

引言

页岩气作为一种清洁且非传统的天然气资源，在推动低碳经济发展、支持节能减排方面发挥着重要作用（Sun等人，2021年；Shao等人，2022年）。页岩气的主要开采方法是水平井水力压裂技术，虽然该技术效果显著，但需要大量水资源，并会产生大量回流水（Wang等人，2020年；Dong等人，2022年）。由于其复杂的成分（含有高浓度细悬浮固体、高盐度和大量有机物），这种废水难以处理（Butkovskyi等人，2017年；Mei等人，2021年；Dong等人，2021年）。如果管理不当，回流水会对区域生态系统和公共健康造成严重威胁（Zhang等人，2022年；Wang等人，2019年）。

为应对这些挑战，人们探索了多种水处理技术，包括过滤、絮凝、蒸馏、膜技术和化学氧化（Zhao，2023年；Acharya等人，2020年；Liang等人，2020年；Yu等人，2022年）。其中，絮凝技术因其简单性、经济性和高效的污染物去除能力而成为关键的预处理步骤（Badawi和Zaher，2021年；Liang等人，2025年；Kang等人，2025年）。絮凝过程基于电荷中和原理，破坏胶体颗粒的静电排斥作用，从而促进其自然沉降（Kurniawan等人，2023年；Lapointe等人，2020年；Mohamed Noor和Ngadi，2024年）。随后的桥接和缠结机制使这些不稳定的颗粒聚集形成更大、更密的絮体（Hubert等人，2024年；Peydayesh等人，2021年；Shabanizadeh和Taghavijeloudar，2023年；Ihaddaden等人，2022年）。这些物理化学过程的效率受到反应器水动力学条件的显著影响（Ramesh和Jalali，2023年）。反应器设计必须确保絮凝剂的快速均匀分散，并为絮体生长提供最佳的水力环境。因此，开发先进的反应器配置对于提升絮凝效果至关重要，尤其是处理像回流水这样的复杂废水时。

絮凝反应器通常分为机械式和液压式两类。机械式反应器虽然混合效率高，但存在剪切分布不均和能耗高的问题（He等人，2019年）。相比之下，液压式反应器通过导向结构实现混合，从而降低了运行成本和维护需求。这些优势激发了人们对液压系统的研究兴趣。例如，Alalm等人（Gar Alalm等人，2016年）利用计算流体动力学（CFD）设计了一种新型螺旋式液压絮凝沉降系统，对合成废水处理的浊度和溶解有机碳（DOC）去除率分别达到了96%和59%；García-ávila等人（García-ávila等人，2023年）开发了一种适用于农村废水处理的垂直管式絮凝器，浊度去除率高达99.92%，处理能力为3.6 m^3/h，可为约720人提供饮用水；Lin等人（Lin等人，2023a）开发了一种高效的多级速度梯度流化床絮凝器，处理高岭石悬浮液时的浊度去除率达到97.6%，同时减少了60%的絮凝剂用量和沉淀时间；Liang等人（Liang等人，2024年）设计了一种新型多级强化絮凝反应器（MFR）并确定了其最佳参数。然而，这些研究并未深入探讨反应器内部的絮凝机制，尤其是能量分布方面。

阐明能量分布规律对于优化絮凝效率至关重要（Sun等人，2019年）。湍流强度和能量耗散率直接影响颗粒碰撞频率和絮体稳定性（Vadasarukkai和Gagnon，2017年）。虽然高剪切速率有助于试剂的初始分散，但过高的湍流会在后期导致絮体破碎（Zhang等人，2019年）。因此，理想的反应器需要采用分阶段能量管理策略：初期高能量输入以实现快速混合和碰撞（Abujazar等人，2022年），随后逐渐降低湍流强度以促进絮体聚集和保护脆弱的新生絮体（Li等人，2021年；Lu等人，2015年）。因此，全面理解MFR内的能量分布特性对于阐明其絮凝机制至关重要。

本研究旨在揭示MFR的能量分布特性和絮凝机制，并验证其工程应用的可行性。通过不同流速下的数值模拟分析了反应器的能量分布，并利用高速动态成像系统跟踪了絮体的形成过程。在此基础上，建立了一种基于分段能量释放和逐步空间扩展的多级絮凝工艺。通过实际回流水进行的实验室实验评估了絮凝剂投加量和入口流速对污染物去除效果的影响，并将MFR的性能与传统搅拌式絮凝反应器进行了对比，证明了MFR的优越性。此外，通过在页岩气生产现场的连续运行验证了MFR的实际应用潜力。总体而言，本研究为回流水处理提供了重要见解，加深了对絮凝机制的理解，推动了废水处理技术的发展。

反应器设计

MFR的设计基于水动力剪切与絮凝过程之间的能量匹配原则。传统单级絮凝反应器往往存在能量耗散与絮体形成不匹配的问题（Zhao等人，2025年）。初期需要较强的剪切力以实现快速颗粒碰撞，但过强的剪切力可能会破坏较大的絮体。传统絮凝反应器通常采用均匀的混合强度，这不可避免地会导致...

MFR中的能量分布

研究了六种不同入口流速（0.19、0.29、0.39、0.49、0.59和0.69 m/s）下的MFR能量分布。图2展示了每种流速对应的湍流强度分布，不同颜色代表不同的湍流强度级别，箭头表示流体流动轨迹。湍流强度是评估反应器内速度波动程度的关键参数（He等人，2020年）。

如图2所示...

结论

本研究开发了一种用于处理页岩气压裂回流水的新型MFR。基于实验室实验、数值模拟和现场测试，主要结论如下：

• (1).
  MFR实现了沿流体流动路径的分阶段能量释放，以满足不同的絮凝需求。在最佳入口流速0.49 m/s时，高强度区域的TKE从7.78 × 10^-4 m^2/s^2降低到低强度区域的9.74 × 10^-6 m^2/s^2，有利于絮体的快速形成...

CRediT作者贡献声明

梁星：撰写初稿、数据整理。 李晓兵：监督、项目管理、资金申请。 张海军：撰写、审稿与编辑、监督。 李亮：撰写、审稿与编辑。 刘畅：撰写、审稿与编辑。 金刚：撰写、审稿与编辑。 穆玉敏：数据可视化、实验分析。 徐露露：撰写、审稿与编辑。 崔灿：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者得到了中央高校基本科研业务费（2025QN1090）的支持。

注释

作者声明没有其他财务利益冲突。