用于大规模低碳处理页岩气压裂废水的渗透辅助反渗透（OARO）技术

《Separation and Purification Technology》：Osmotically assisted reverse osmosis (OARO) for low-carbon treatment of shale gas fracturing wastewater at full scale

绿色低碳页岩气返排水处理系统首次应用基于渗透辅助反渗透的膜浓缩技术，实现能耗降低48.53%、碳排放减少55.36%，并通过化学沉淀和膜分离技术使工业级盐回收成本降至8.07美元/立方米，出水毒性降低98%且达标排放。

　　

Bin Tan|Xin Li|Huijie Lu|Lizhong Zhu

浙江大学环境与资源科学学院，中国杭州，310058

摘要

在页岩气开采的水力压裂过程中，会产生大量含有无机盐、重金属和化学添加剂的回流水和产出水（FPW）。现有的FPW处理技术受到高运营成本、高碳足迹以及混合盐处理困难的限制。本研究建立了一种绿色且低成本的FPW处理系统，该系统整合了高密度沉淀、溶气浮选、化学沉淀、砂滤、纳滤、反渗透、全膜盐水浓缩（AMBC）、机械蒸汽再压缩和化学改性沸石吸附等技术。在FPW处理中首次采用了基于渗透辅助反渗透（OARO）的创新节能技术，使得进入机械蒸汽再压缩（MVR）单元的盐水体积减少了40%，电力消耗降低了48.53%，碳排放减少了55.36%。同时，还开发了有效的杀菌策略，用于清除纳滤膜上的主要污染菌Myroides。工业级氯化钠的高效回收进一步将净成本降至低至8.07美元/立方米，出水质量始终符合严格的排放标准，且总体毒性降低了98%。

引言

非常规油气资源分布在全球各地，例如中国的四川、内蒙古和贵州[1]、[2]。通过水力压裂开采页岩气会产生含有盐分、重金属和放射性核素的回流水和产出水（FPW）[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。FPW的毒性主要来源于盐分、颗粒物和有机物[9]。有效的FPW处理必须优先去除这些污染物[3]、[9]。美国2011至2020年的水力压裂活动在气候变化背景下严重加剧了水资源压力，这凸显了FPW再利用的紧迫性，尤其是在像内蒙古这样水资源匮乏的地区[3]。

FPW的常见处理方法包括深井注入、高级处理和回收[10]、[11]。随着全球环境法规的日益严格，深井注入正在逐步被淘汰[12]。为了去除悬浮固体，广泛采用了油分离、絮凝沉淀、砂滤和活性炭吸附等技术。对于导致土壤盐碱化和水质下降的溶解盐，已采用化学沉淀（CP）、正向渗透（FO）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、膜蒸馏（MD）、机械蒸汽再压缩（MVR）和电渗析（ED）等方法[13]、[14]。特别是基于膜的技术在FPW处理中越来越受到重视[15]、[16]、[17]，这些技术通常需要有效的预处理来提高出水质量[18]。虽然对单个处理技术（如NF、FO、MD）的实验室研究已经较为成熟，但将其作为组合系统进行大规模应用的研究仍不足，这限制了整体FPW处理方案的实用性和优化。

对于盐度适中的FPW，反渗透（RO）通常是能效最高的选择；而在高盐度条件下，由于能量需求稳定，蒸发系统（如MVR）更具竞争力[19]。混合膜-MVR系统在节能和可持续FPW处理方面展现出潜力，但需要进一步详细研究以验证其污染物去除、资源回收和碳减排的效果[19]。MVR工艺在总溶解固体浓度为35–150克/升（TDS）、水回收率为50%的情况下，脱盐能耗为20–42千瓦时/立方米。相比之下，OARO工艺在总溶解固体浓度为50–140克/升的情况下，能耗为3–16千瓦时/立方米（相比MVR节能30–60%），水回收率为35–50%[19]。优化的OARO系统在总溶解固体浓度为50–125克/升的进水条件下，可实现30–70%的回收率，能耗低于6美元/立方米[20]。OARO还能在低水压（25巴）和渗透梯度下有效浓缩海水反渗透（SWRO）盐水（总溶解固体浓度50–130克/升），从而实现最小液体排放（MLD）。然而，工业化实施还需要解决规模放大、膜组件的可用性和技术经济性分析等问题[21]。

本研究开发了一种创新的FPW处理系统，以解决纳滤膜污染、MVR能耗高和固体废物处理成本高的问题。核心技术OARO-based AMBC是其在FPW处理中的首次大规模应用。对整个系统的出水质量、毒性、运营成本和碳足迹进行了全面评估，为低成本的FPW处理系统设计和运行提供了参考。

系统概述

FPW水质分析与处理要求

本研究描述的FPW处理系统旨在处理来自中国四川盆地长宁页岩气田的压裂和生产过程中产生的水。该系统的设计处理能力为每天500立方米FPW，经过简单预处理后，每天可再利用2000立方米水。处理后的水符合《地表水环境质量标准》（GB3838–2002，III类）的要求，可用作地表水补充。

全系统性能

在连续45天的时间内（图4），记录了排放水中的COD、NH₃-N、TP、Cl^?和油含量，以验证处理效果。在线监测结果显示，COD（20毫克/升）、NH₃-N（1毫克/升）、TP（0.2毫克/升）、Cl^?（250毫克/升）和油（0.05毫克/升）的浓度均符合《地表水环境质量标准》（GB3838–2002，III类）。这些数据表明，全系统运行稳定且处理效果显著。

结论

与传统方法相比，该全规模FPW处理系统的能耗降低了48.53%，碳排放减少了55.36%。通过引入纳滤（NF）和AMBC技术，工业级氯化钠的回收降低了固体废物处理成本，并带来了经济效益，使净处理成本降至8.07美元/立方米。处理后的FPW毒性显著降低了98%。此外，该系统适用于总溶解固体浓度范围在70,000

未引用的参考文献

[47], [48], [49]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。