油田压裂废水的膜法再生利用技术研究
作者：蓝云才
来源：《科技创新与生产力》 2018年第7期
摘要：采用“高效絮凝+纳滤”联用工艺技术处理某大型油田的压裂废水，经过高效絮凝预处理之后，纳滤工艺表现出高膜通量、高浓缩倍数、高膜通量恢复率等优点，且对压裂废水中COD、水的硬度、二价及多价阳离子、硫酸根离子（SO42-）的去除率分别高达80%，93%，90%，100%，“高效絮凝+纳滤”联用工艺技术为高效再生利用压裂废水提供了新的解决方案。
关键词：压裂废水；纳滤；絮凝；水再生
中图分类号：X74；TE357文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.07.060
油气井压裂作业过程中产生的压裂废水已成为当前油田水体的主要污染源之一。压裂后产生的废水成分复杂，主要有4项特点[1-2]：一是所含悬浮物的质量浓度偏高，黏度较大；二是化学需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）质量浓度高，一般为2000~10000mg/L；三是矿化度高（水的硬度高），含有质量浓度较高的重金属阳离子以及大量阴离子（如Cl-和SO42-等）；四是含有许多有机物添加剂，具有稳定性极强、难分解且抑制生物降解、处理难度大的显著特点。压裂废水未经处理直接外排或挖坑填埋会对周边生态环境造成极大危害[3]。
目前，压裂废水处理方法[4-7]主要有物理法（包括膜分离法、气浮法等）、物理化学法（包括混凝沉淀法、吸附法等）、生物化学法、高级氧化法等。根据不同压裂废水的水质特性，可以采用单一方法或联合工艺进行处理[8-9]。受现场条件和技术水平的限制，国内油田对压裂废水多采用采油废水的常规处理工艺，不能实现有效的达标排放。因此，开展压裂废水处理与再生利用技术研究，对于保障油田的正常生产和可持续发展具有重要的意义，且对环境保护和人类健康具有深远意义。
与传统的水处理方法相比，膜分离技术具有高效节能、无相变、常温操作、占地面积小、易操作以及稳定性好等优点。纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的新型压力驱动膜分离过程，其截留分子量为200～1000，孔径为纳米级。与反渗透相比，纳滤具有操作压力低、渗透通量大、能耗低等优点。笔者采用“高效絮凝+纳滤”联用工艺技术处理油田压裂废水，可实现压裂废水的规模化回用目的。
1膜法再生利用技术的实验材料与工艺原理
1.1膜法再生利用技术的实验材料与试剂
压裂废水由国内某大型油田企业提供；F-01，F-02，F-033种絮凝剂与ACB-01专用膜清洗剂由同舟纵横（厦门）流体技术有限公司提供。
1.2膜法再生利用技术的实验仪器与设备
膜分离实验设备和纳滤膜芯由同舟纵横（厦门）流体技术有限公司提供。压裂废水先经过絮凝沉淀后，取上清液倒入膜分离实验装置的料桶中。依次启动输料泵和高压泵，利用高压泵提升进入膜表面的料液压力，使其超过1.5MPa。通过膜的截留将进料分成两部分：一部分为浓缩液，回流至高压泵前和进料桶，继续进行浓缩；另一部分形成透析液，排入透析液收集槽。
在实验过程中，定时记录实验时间、压力、温度等相关数据，定时测定过滤速度并取样分析。在操作结束后，首先排除浓缩液，其次用清水冲洗系统后，再次加入ACB-01专用膜清洗剂的水溶液进行清洗，在40~45℃运行40~60min，最后用清水冲洗至pH值中性即可。
1.3膜法再生利用技术的工艺原理
1）膜通量J的测定公式为
式中：J为膜通量，即膜的水通量，L·m-2·h-1，单位可简记为LMH；V为Δt时间内透过液体积，L；A为膜的有效面积，m2；Δt为测试时间，h。
2）去除率α的计算公式为
式中：cP为透过液的物质的量浓度；VP为透过液的总体积；cF为原料液的物质的量浓度；VF为原料液的总体积。
3）水通量恢复率βFRR的计算公式为
式中：J0为实验前的纯水通量；JR为膜清洗后的纯水通量。
2膜法再生利用技术的实验结果与讨论
2.1絮凝沉淀
全面考察了F-01，F-02，F-03这3种絮凝剂在不同质量分数下（0~0.1%）的絮凝沉淀效果。实验结果表明，当添加质量分数为0.05%的F-03絮凝剂时，对压裂废水表现出优异的絮凝效果。深黄色、浑浊的压裂废水经絮凝处理后，上清液的澄清度和色泽都大为改善。
2.2纳滤工艺
2.2.1膜通量
图1为膜通量随时间的变化情况；图2为各实验批次的平均膜通量。从图1可以发现，膜通量随着运行时间的增长，呈逐渐降低趋势。在运行初期的低倍浓缩阶段，由渗透压和浓差极化产生的膜阻力相对较小，因此膜通量相对较大，膜通量下降趋势较为缓慢；而在运行后期的高倍浓缩阶段，一方面由渗透压和浓差极化导致的膜阻力不断增大，另一方面膜污染程度也不断加重，因此膜通量下降比较明显。
总体而言，从图2可以看出，在优化后的实验操作条件下（运行压力为1.5MPa，运行温度为25~35℃），在确保高回收率（90%~95%）的同时，多实验批次的平均膜通量达到48~55LMH，可满足工业化生产的设计要求。
2.2.2浓缩倍数
3个批次纳滤实验的浓缩倍数分别为13，15，11，实现压裂废水的回用率达到90%以上，大大降低了压裂废水的排放量。
油田压裂废水的膜法再生利用技术研究
