美國(guó)煤層采出水處理技術(shù)現(xiàn)狀

張衛(wèi)東 郭敏 閆愛(ài)華

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東) 石油工程學(xué)院,山東 257061;2.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,河北 062552)

美國(guó)煤層采出水處理技術(shù)現(xiàn)狀

張衛(wèi)東1郭敏1閆愛(ài)華2

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東) 石油工程學(xué)院,山東 257061;2.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,河北 062552)

煤層氣的開(kāi)采和常規(guī)的油氣一樣,伴隨著大量的采出水。美國(guó)每年采出大約340百萬(wàn)桶或者億萬(wàn)加侖的采出水。通常,煤層氣采出水具有較高的堿性,含有較多的鈉、鋇、重碳酸巖、鐵,并有較強(qiáng)的導(dǎo)電性。所以,這就需要采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)采出水進(jìn)行處理,即通過(guò)物理的、化學(xué)的手段,去除水中一些對(duì)生產(chǎn)、生活有害或不需要的物質(zhì)。這里我們著重介紹美國(guó)現(xiàn)有的水處理技術(shù),包括:凍結(jié)-解凍/蒸發(fā)作用(FTE)、反滲透、紫外光、化學(xué)處理、離子交換、電容脫鹽作用和去離子作用、反向電滲析法、蒸餾法、人造濕地等。

煤層采出水 水處理 化學(xué)處理 物理處理

Abstract:Great quantity of water is drained in extraction of coalbed methane similar to extraction of conventional oil gas.Each year about 340 million barrels or hundreds of millions of gallons of water are extracted in USA.Usually,the water extracted from coalbed methane is comparably alkaline.It contains high contents of sodium,barium,heavy carbonatite,iron,etc.with strong conductivity.Therefore,it is necessary to treat the water with some proper methods.That is,to remove the harmful or unnecessary substances in the water with physical or chemical methods.The paper lays emphasis on existing water treatment techniques in the USA,which include freezing-thawing/evaporation(FTE),reverse osmosis,ultra-violet light treatment,chemical treatment,ion exchange process,capacitance desalination and de-ioning effect,reverse eletrodialysis process,distillation,artificial wetland methods,etc.

Keywords:Water extracted from coal seams;water treatment;chemical treatment;physical treatment

煤層氣采出水具有較高的堿性,含有較多的鈉、鋇、重碳酸巖、鐵,并有較強(qiáng)的導(dǎo)電性。每一個(gè)成分的濃度對(duì)于不同的水源來(lái)說(shuō)各不相同,這取決于不同的因素,例如煤層深度、泥煤的同化作用進(jìn)程、含水層的再充填等,并且有些情況下,在有效利用前要進(jìn)行處理。所謂的煤層氣水處理就是指通過(guò)物理的、化學(xué)的方法將水中的有害物質(zhì)去除的過(guò)程。

然而,伴隨煤層氣采出的水的水質(zhì)是變化的,不同的盆地之間不同,在一個(gè)特殊的盆地內(nèi)部也不一樣,而且在煤層氣井的整個(gè)壽命周期內(nèi)也是變化的。因此要根據(jù)采出水的水質(zhì)為選擇標(biāo)準(zhǔn),選擇合理的、經(jīng)濟(jì)的處理技術(shù)進(jìn)行采出水的處理,從而可以調(diào)高水質(zhì),用于生產(chǎn)和生活中。

1 凍結(jié)-解凍/蒸發(fā)作用(FTE)

凍融/蒸發(fā)(FTE)工藝包括降低含有鹽或者其他物質(zhì)水溶液的凝固點(diǎn),使其凝固點(diǎn)低于純水的凝固點(diǎn)(32°F)。溶液的部分凝固會(huì)促使優(yōu)質(zhì)冰晶的生成,并提高未凝固溶液中固體顆粒和其他物質(zhì)的濃度。隨后冰晶可被收集并熔化作為一種優(yōu)質(zhì)的水源提供使用,或者在一個(gè)恰當(dāng)?shù)牡貐^(qū)被蒸發(fā)掉。這一工藝可以重復(fù)地進(jìn)行直到濃縮廢液達(dá)到一個(gè)可管理的量。如有必要,可盡量縮小廢液的體積(盡管濃度高),以易于處理和排放(伴隨著相應(yīng)的NPDES許可證)。

目前,FTE水處理工藝在阿拉斯加、科羅拉多和懷俄明州被用于降低產(chǎn)出水中溶解固體的濃度。從1992年開(kāi)始,阿莫科石油公司(Amoco)、美國(guó)能源部和天然氣研究院(現(xiàn)天然氣工藝研究院)開(kāi)展了產(chǎn)出水凈化技術(shù)的研究,以開(kāi)發(fā)出一種可供工業(yè)使用的、天然的FTE凈化工藝技術(shù)。FTE工藝已被用于生產(chǎn)各種不同用途、符合質(zhì)量要求的水,它能有效地降低含水層中有機(jī)化合物、重金屬和懸浮顆粒的濃度[1]。從總體上來(lái)說(shuō),FTE處理工藝的性能受水中濃縮物質(zhì)和凝固狀態(tài)的影響不大[2],這就使該技術(shù)在各種不同的氣候條件下都能成功應(yīng)用。而且,先前的研究已經(jīng)指出FTE技術(shù)在季節(jié)性環(huán)境溫度可降至冰點(diǎn)以下的氣候條件下比常規(guī)的蒸發(fā)技術(shù)有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)自然的結(jié)晶和蒸發(fā)過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí),蒸發(fā)池的處理能力就會(huì)提升,同時(shí)水處理的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所提高[3]。

阿莫科石油公司在新墨西哥州的圣胡安盆地進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試,這個(gè)測(cè)試是在一個(gè)連接煤層氣生產(chǎn)設(shè)施的蒸發(fā)設(shè)備上進(jìn)行。在1996～1997的冬天期間,他們用FTE工藝處理了8000桶溶解性總固體濃度為12800mg/L的產(chǎn)出水。通過(guò)處理,含水量下降80%。和最初的量相比,只有1612桶或者20%溶解性總固體濃度為44900mg/L水剩余。這些處理后的剩余水會(huì)被蒸發(fā)掉或者被凈化成溶解性總固體濃度為1010mg/L的水。使用FTE工藝來(lái)處理和處置產(chǎn)出水的預(yù)計(jì)成本分別為24美分/桶和32美分/桶。

美國(guó)北達(dá)科他州大?？怂故泻兔绹?guó)墾務(wù)局資助了一個(gè)研究課題,這一課題主要針對(duì)用天然的凍融工藝把來(lái)自含水層的水經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化成為滿足質(zhì)量要求的可重復(fù)使用水。研究指出,用FTE工藝來(lái)增大大?？怂钩鞘杏盟墓?yīng)量在技術(shù)上是可行的。模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出了72.6%高質(zhì)量的水(溶解性總固體濃度為292mg/L),而且詳細(xì)化學(xué)分析報(bào)告也支持了這些水的可重復(fù)使用性。研究人員總結(jié),如果要把經(jīng)FTE處理的水作為生活飲用水源,仍需要進(jìn)行必要過(guò)濾和消毒,但這一工藝技術(shù)的總體經(jīng)濟(jì)效益是極其可觀的。

圖1 反滲透工藝(反滲透工藝用于較低的溶解性總固體濃度)

2 反滲透

反滲透(RO),或者超濾,是一種可靠的移除水中溶解固體和其他物質(zhì)(如砷)的水處理技術(shù)。RO水處理技術(shù)已經(jīng)廣泛地被用來(lái)把低濃鹽水/海水或高濃鹽水轉(zhuǎn)化為可飲用水,把污水再生利用,以及回收工業(yè)中的溶解鹽。RO水處理技術(shù)通過(guò)把水溶液穿過(guò)一個(gè)類(lèi)似于玻璃紙的半滲透薄膜來(lái)分離水中的溶解固體和其他物質(zhì)(圖2)。大多數(shù)的RO技術(shù)使用交叉流的方式使薄膜能夠不斷地自我清洗。當(dāng)一部分溶液穿過(guò)薄膜的同時(shí),剩余的流體會(huì)向下沖刷以移除附著在薄膜上的物質(zhì)。

RO工藝需要能量(通常是泵壓力)以使溶液穿過(guò)薄膜。隨著壓力的升高,沿薄膜流動(dòng)的溶液濃度也會(huì)升高。而后續(xù)溶解固體沿薄膜的積聚會(huì)使純水需要持續(xù)不斷的壓力升高以穿過(guò)薄膜?？偟膩?lái)說(shuō),RO技術(shù)可以過(guò)濾和處理細(xì)菌、鹽、溶解性固體、蛋白質(zhì)和其他分子質(zhì)量大于150～250道爾頓的物質(zhì)。

一般需要對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理以確保RO系統(tǒng)長(zhǎng)久而穩(wěn)定的性能。通常,地表水、海水和污水需要比井水進(jìn)行更多的預(yù)處理。預(yù)處理包括澄清、過(guò)濾、超濾、pH值調(diào)整和清除游離氯。薄膜清除顆粒的能力取決于物質(zhì)的濃度、化學(xué)屬性、薄膜類(lèi)型、溫度以及操作工藝。RO系統(tǒng)可用于處理產(chǎn)出水和濃縮廢水使其更方便處置。由RO工藝處理出來(lái)的高質(zhì)量的水可被用于多種的用途。

由加利福尼亞州奧蘭治縣21號(hào)水廠收集的數(shù)據(jù)指出,RO水處理技術(shù)可處理水中的可溶性固體、鈉、鎂、鉀、鋇、堿度和硬度使其成為可飲用水[4]。基于設(shè)備、初始水質(zhì)、薄膜特性等參數(shù)的不同,RO可以高效地清除水中95～99%的溶解鹽、有機(jī)碳和二氧化硅?；贗onics公司開(kāi)發(fā)的技術(shù),RO工藝可以有效地降低濃度為50～95%的鹽水,凈化后補(bǔ)給水的鹽度為100～12000ppm,濃縮溶液的鹽度為120000ppm,水的回收率高達(dá)94%。由馬拉松石油公司提供的信息還指出,在廢液可進(jìn)行深層注射的情況下,當(dāng)RO技術(shù)與其他水處理技術(shù)聯(lián)合使用時(shí),可減少80%的廢液生成量,附加的處理成本是8～10美分/桶(按處理后的補(bǔ)給水計(jì)算)。其中有80%的補(bǔ)給水可用于高質(zhì)量的淡水用途。

3 紫外光

紫外線殺菌是一項(xiàng)可以用來(lái)處理污水和去除有害漂浮物質(zhì)的技術(shù)。紫外光是位于電磁光譜短波長(zhǎng),高能光區(qū)的一種形式的能量。紫外光存在于可見(jiàn)光和X射線的區(qū)域之間,占據(jù)1～400毫微米的空間譜。被細(xì)菌、病毒、菌類(lèi)、藻類(lèi)和原生動(dòng)物吸收的紫外線能量破壞細(xì)胞中保護(hù)細(xì)胞繁殖能力的核酸。殺死微生物所需要的紫外線的數(shù)量取決于微生物的類(lèi)型,但是在253.7nm波長(zhǎng),在最大流量情況下處理污水所接受的最小用量是每秒鐘16000微瓦。

紫外線處理未凈化的水組分的能力受微生物、細(xì)菌、懸浮固體、可溶解的分子和礦物濃度集中的影響。紫外線治理的效率不受pH值、溫度、堿度或者總無(wú)機(jī)碳的影響。含有超過(guò)1000總大腸菌群或超過(guò)100糞大腸菌的每100毫升未凈化水將不會(huì)被紫外線有效地處理。有些分子能夠吸收紫外線,例如胡敏酸和鐵分子,因此減少殺死微生物所必要的總能量。在用紫外線處理污水之前,必須預(yù)先考慮分子類(lèi)型。

紫外光線不能有效的去除溶于水的組分。懸浮固體所形成的影子也會(huì)干擾紫外線殺死微生物的性能,因此,同其他類(lèi)型的水組分一樣,含有大濃度懸浮固體的未凈化水需要預(yù)先過(guò)濾。

暴露于表層的水在被重新注入含水層之前必須殺菌。紫外線殺菌的應(yīng)用可以滿足這個(gè)要求。用于地下水補(bǔ)償、含水層儲(chǔ)存和恢復(fù),或者用于含水層再充填的生產(chǎn)水可以用這項(xiàng)處理技術(shù)在再注入之前進(jìn)行殺菌。

紫外線與臭氧的結(jié)合使用已用于提高臭氧與某些化學(xué)組分的反應(yīng)。臭氧是一種活性氧,通常通過(guò)暴露于紫外線下或高壓電弧下產(chǎn)生。臭氧具有高活性和短半衰期的特性(在蒸餾水中為120分鐘),是一種很受歡迎的處理方式,為140多種水應(yīng)用在進(jìn)行水處理之前除去了水藻和生物的生長(zhǎng)。從經(jīng)濟(jì)和功能的角度來(lái)說(shuō),臭氧作為主要的消毒劑來(lái)使用,被認(rèn)為是比氯更有效的消毒劑,而且剩余的消毒劑會(huì)轉(zhuǎn)化成普通狀態(tài)的氧氣?；瘜W(xué)氧化/紫外線已被證實(shí)可以成功地從水相中達(dá)到下面的百分?jǐn)?shù)消減:

·去除99%的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs);

·去除50%～99%的多環(huán)芳烴(PAHs);

·去除10%～99%的酚醛塑料;

·去除20%～90%的氰化物;

·去除20%～99%的硫化物。

在廢水處理方面,美國(guó)環(huán)保局研究認(rèn)為,相比于氯化處理紫外線應(yīng)用于小型的水處理工廠,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了由于高成本、低可靠性和缺少殘余消毒而出現(xiàn)的不利結(jié)果。美國(guó)環(huán)保署估計(jì),在一個(gè)1.5百萬(wàn)加侖的設(shè)備上,紫外線系統(tǒng)的消耗成本是200000美元,轉(zhuǎn)換成單位成本是0.13美元/加侖。與這個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)行和維修費(fèi)用估計(jì)是1.5美分/1000加侖。

最近由美國(guó)自來(lái)水協(xié)會(huì)研究基金會(huì)贊助的研究,提供了當(dāng)利用臭氧來(lái)凈化水時(shí),溴酸鹽(一種深受質(zhì)疑的人類(lèi)致癌劑)的形成細(xì)節(jié)。因此美國(guó)環(huán)保局已提出溴酸鹽在飲用水中的最大濃度限制是10mg/L。溴酸鹽的催化作用是強(qiáng)酸性的,當(dāng)溴化物被臭氧氧化時(shí),這種酸性才會(huì)有效。數(shù)據(jù)顯示在美國(guó)飲用水資源中,溴化物的平均濃度接近100mg/L,臭氧作為殺毒劑使用時(shí),應(yīng)該在溴化物濃度偏低或者不能控制的地區(qū)限制使用。

4 化學(xué)處理

氯化處理——氯作為公共供水、下水道污水和工業(yè)污水主要的自來(lái)水消毒劑已有幾十年了。在處理污水時(shí)氯的活性形式表現(xiàn)為一種水解產(chǎn)物——次氯酸,這是在氯同水分子相互反應(yīng)時(shí)形成的。氯化處理能有效的除去能引起疾病的病菌、病毒、原生動(dòng)物和其它的有機(jī)生物,而且可以用來(lái)氧化鐵、錳和氫化硫從而從水中過(guò)濾掉這些礦化物。其它處理技術(shù),例如紫外線光照和逆滲流通常與氯化處理過(guò)程一前一后地使用。

公共健康是這項(xiàng)處理過(guò)程的主要得益。相對(duì)于其它處理技術(shù),氯化處理提供了殘余消毒劑的效果。例如,一旦水從處理設(shè)備中出來(lái),用紫外線處理的水就變得非常容易受污染,然而氯將繼續(xù)消毒。利用氯化處理的另外的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)防藻類(lèi)和爛泥在水管和儲(chǔ)水塔中生成。

例如,生產(chǎn)水用于人類(lèi)消費(fèi)、儲(chǔ)存或者注入含水層,在這些地方氯化處理水是非常必要的。氯化處理水會(huì)降低由生產(chǎn)水排放引起的環(huán)境退化,并在低水供應(yīng)地區(qū)提供選擇性的水供應(yīng)。另外,氯化處理過(guò)程可防止有毒的微生物在魚(yú)類(lèi)、甲克類(lèi)和野生動(dòng)物種類(lèi)中聚集。

碘——碘處理水通常用于從水中去除病原體,因孢子蟲(chóng)除外。碘對(duì)pH和水中的有機(jī)含量不是很敏感,長(zhǎng)期暴露是安全的,并且被認(rèn)為小劑量就有效。但是專(zhuān)家不愿意推薦長(zhǎng)期使用碘,因?yàn)槊绹?guó)公民碘的平均攝入量(0.24～0.74mg/天)高于每日應(yīng)攝入量(0.4mg/天)。

銀——有人考慮過(guò)用銀殺死水中的病原體,但是由于美國(guó)環(huán)保署制定的銀的最大濃度限制為十億分之50,所以銀在處理水中的應(yīng)用很早就被限制。最大濃度限制的制定是為了預(yù)防銀質(zhì)沉著病——一種銀特殊病,特征是在眼睛、皮膚和黏膜上出現(xiàn)斑點(diǎn)。

另外一些用于處理水的化學(xué)藥品包括高錳酸鉀、過(guò)氧化氫和凝聚劑。在歷史上,這些試劑由于潛在的健康問(wèn)題或者成本效率問(wèn)題而被限制使用。對(duì)于這項(xiàng)研究的目的,像碘和銀這些化學(xué)藥劑并不被認(rèn)為是一種解決處理生產(chǎn)水問(wèn)題的實(shí)用方法

5 離子交換

離子交換的方法產(chǎn)生以后一直被用來(lái)軟化生活用水,利用鈉離子和氯離子等置換出鈣鎂等硬性離子。當(dāng)需要極度純凈的水時(shí),離子交換也經(jīng)常被用來(lái)利用H+和OH-置換出如導(dǎo)電鹽(淡水處理)等離子,達(dá)到去除水中離子的目的。離子交換的過(guò)程是通過(guò)預(yù)先給樹(shù)脂充填Na+、Cl-、H+或OH-等置換離子的,當(dāng)水中的離子接觸到樹(shù)脂時(shí)便通過(guò)替換這些置換離子吸附在樹(shù)脂上。一旦置換離子用盡,樹(shù)脂便用濃縮的高濃度的置換離子再生,這一過(guò)程既可去除集中在水中的離子,又能有效地使樹(shù)脂再生(如圖2示)。

圖2 簡(jiǎn)單處理流程圖

若同其它處理技術(shù)聯(lián)合作用,如RO技術(shù),離子交換過(guò)程可以潛在地減少污水量到5%的供水量。部分離子交換的好處在于可以避免次級(jí)污染物和廢物從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一介質(zhì)。而其這個(gè)過(guò)程不會(huì)造成污染,所需的能量也較少。離子交換過(guò)程的效果取決于組成元素的初始濃度和處理后污水再利用的要求,但一般需要進(jìn)行其它的化學(xué)處理。離子交換可以有效的去除未凈化水中的鹽、重金屬、鐳、硝酸鹽、砷、鈾等物質(zhì),但不能有效的去除水中的有機(jī)物。由于二價(jià)離子在去除順序上優(yōu)于鈉離子,因此在處理后必須進(jìn)行SAR調(diào)整(含鈉的)。

液體比重測(cè)定理論參照HY DRO處理過(guò)程設(shè)計(jì)了一種處理煤層氣采出水中組成要素的處理方法?？紤]的要素主要包括鈉、硬度和部分金屬,這些要素可以用一種能使資本和運(yùn)營(yíng)成本最小化的方式處理。HY DRO處理是一個(gè)四級(jí)處理過(guò)程,利用RO技術(shù)降低殘留的硫酸鈉濃度,該技術(shù)的四步處理過(guò)程如下:

第一步:弱化酸性陽(yáng)離子(WAC)離子交換。WAC在去除鈉和硬度的同時(shí)去除堿性并釋放酸性物質(zhì),其它陽(yáng)離子(如氨、鍶、鋇、鐵、錳和鋅)同樣可以去除,處理后的污水成弱酸性。在酸性條件下,堿性的重碳酸鹽轉(zhuǎn)化為二氧化碳,因而降低總的固體含量。

第二步:強(qiáng)迫通風(fēng)脫碳技術(shù)。經(jīng)過(guò)WAC處理后的污水經(jīng)過(guò)一個(gè)逆流的空氣清除器,去除在WAC過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳,這步的費(fèi)用較低,但可以控制水的pH值,同時(shí)阻止在下一步形成的碳酸鈣。

第三步:添加石灰。石灰用來(lái)增加處理后污水中的鈣含量,并減少SAR。

第四步:離子交換再生。引進(jìn)了許多WAC離子交換容器來(lái)降低總的固體含量。通常,一個(gè)容器用來(lái)離子再生或者作為儲(chǔ)備,其它的進(jìn)行服務(wù)工作。在一個(gè)獨(dú)立的WAC離子交換容器處理大約45000加侖后,樹(shù)脂上的離子耗盡需要再生。再生由兩個(gè)步驟完成:

首先,樹(shù)脂是通過(guò)在樹(shù)脂床上流過(guò)5%的硫磺酸來(lái)再生的。硫磺酸去除樹(shù)脂表層的鈉和硬度并用氫離子取代它們。在這個(gè)過(guò)程中硫磺酸液流轉(zhuǎn)化為硫酸鈉。

其次,通過(guò)額外的采出水清洗掉樹(shù)脂床上殘留的硫酸鈉。含有硫酸鈉的沖洗液通過(guò)反向滲透作用處理,濃縮污水流,減少其體積,這種軟化過(guò)的污水流可以很簡(jiǎn)單地用RO技術(shù)進(jìn)行處理。通過(guò)RO技術(shù)濃縮出來(lái)的污水流(被阻止的)與第一次通過(guò)硫酸鈉再生的污水流相混合。經(jīng)過(guò)RO處理后的污水(滲透過(guò)的)可以同離子交換處理后的污水結(jié)合排到外界。

經(jīng)這種處理過(guò)程處理后的污水大約有4%～10%的污水被蒸發(fā)或者注入地下。處理后的污水可以被排放到外界或者用于其他應(yīng)用方面。

6 電容脫鹽作用和去離子作用

根據(jù)發(fā)明人Joe Farmer的說(shuō)法,這種相對(duì)較新的廢水回收處理方法所耗費(fèi)的能量是常規(guī)蒸餾法的千分之一到百分之一。含有鹽、重金屬或者放射性同位素的水被泵送時(shí)通過(guò)了碳?xì)饽z片。每個(gè)滲透性的碳?xì)饽z片的表觀面積是3in2,但有效面積卻相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)(600～900m2/g)那么大。向碳?xì)饽z電極充電后,碳?xì)饽z片俘獲離子,并且允許純水通過(guò)。與傳統(tǒng)的離子交換過(guò)程不同,由于電容脫鹽作用和去離子作用不需要與酸和堿的離子交換器,所以可以避免任何相關(guān)的二次污染[5](如圖3)。

圖3 電容脫鹽作用

這種處理方法預(yù)計(jì)可應(yīng)用于化石燃料鍋爐中的水的去離子化、核工廠中水的去離子化、RO預(yù)處理、污水處理、干旱、人口稠密地區(qū)水的脫鹽。這種技術(shù)成本高,使其僅限于小規(guī)模的推廣應(yīng)用或者在能源豐富國(guó)家的推廣應(yīng)用。這種技術(shù)正在不斷發(fā)展,并有望將能源和成本投入降低到5～10美分/桶。Biosource公司也研發(fā)出了類(lèi)似的電容脫鹽技術(shù),其利用活性炭做電極,去除水中的溶解鹽,可以生產(chǎn)去離子化的高品質(zhì)純凈水。SanAntonio City-Water工廠進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明75%的溶解鹽可在較短的再生時(shí)間(15分鐘)內(nèi)被清除掉,而只耗費(fèi)掉1.7度電/加侖水。

7 反向電滲析法

從傳統(tǒng)觀念上看,水的電滲析處理已應(yīng)用于苦鹽水的脫鹽以生產(chǎn)高品質(zhì)的純凈水。這種處理方法的主要原理類(lèi)似于離子交換,離子融于水中后將帶有一個(gè)正電荷或者負(fù)電荷,從而被吸附到具有相反電荷的電極上。而電滲析作用不同于常規(guī)的離子交換過(guò)程,它利用陽(yáng)離子和陰離子選擇性膜來(lái)分隔水溶液中的電荷離子[6]。典型的滲析系統(tǒng)包含幾百個(gè)相鄰的濾膜組件。

反向電滲析過(guò)程于1970年研發(fā)成功。電極交替變換極性,以使鹽水通道變?yōu)樗ǖ?水通道變?yōu)辂}水通道。電極交替變換極性使離子在濾膜組件內(nèi)交替運(yùn)動(dòng)。這種交替運(yùn)動(dòng)有助于避免污物的聚結(jié),防止了濾膜結(jié)垢現(xiàn)象,降低了預(yù)處理藥品的使用量。

反向電滲析能量消耗低,可實(shí)現(xiàn)80%的凈化率。由于反向電滲析設(shè)備具有自清潔作用,因此可以高效地持續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間。結(jié)合其他處理方法,反向電滲析方法可以大大降低水中的砷、溶解固體含量。

根據(jù)GTI提供的信息,Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)測(cè)試表明電滲析可以經(jīng)濟(jì)地將水中的礦化物含量降低到NPDES規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。用電費(fèi)用為0.006美元/桶到0.064美元/桶。

8 蒸餾法

蒸餾法可以去除水中99.5%的雜質(zhì)[7]。蒸餾法普遍用于去除硝酸鹽、細(xì)菌、鈉、硬物質(zhì)、溶解的固體、有機(jī)物、重金屬。蒸餾是指將水煮沸變成蒸汽,當(dāng)蒸汽通過(guò)冷凝室時(shí)冷凝,成為純凈水(如圖4)。而煮沸過(guò)程則將水中雜質(zhì)分離出來(lái)以便收集和處理。如果雜質(zhì)中的成分和水有相同的沸點(diǎn),將不能在蒸餾過(guò)程中被有效的除去。這些雜質(zhì)包括一些揮發(fā)性的有機(jī)污染物、某些農(nóng)藥和揮發(fā)性溶劑[9]。

圖4 蒸餾過(guò)程將水煮沸變成蒸氣去除水中雜質(zhì)

快速噴霧蒸餾是由Aquasonics International發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),這種技術(shù)是用一套快速噴霧系統(tǒng)將含鹽水高速噴出變成特定大小和性質(zhì)的水滴?？紤]到固體會(huì)從溶液中被分離出來(lái),通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù),液體能在噴射幾毫秒后轉(zhuǎn)化成蒸汽。得到的純凈蒸汽有95%可以被冷凝和收集。這項(xiàng)處理技術(shù)相對(duì)于如RO在內(nèi)的其他處理技術(shù)來(lái)說(shuō)會(huì)減少八分之一的處理費(fèi)用。

9 人造濕地

為了開(kāi)發(fā)利用植物的生物降解能力,人造濕地大約在40年前就開(kāi)始了[8]。盡管相對(duì)比其他廢水處理技術(shù)而言,這類(lèi)處理技術(shù)的處理速度較慢,但是這種廢水處理技術(shù)的構(gòu)建和操作費(fèi)用很低,每桶廢水處理費(fèi)用大約是1-2美分。對(duì)于處理有機(jī)廢水,一塊人造濕地平均壽命大約是20年。

10 結(jié)論

(1)煤層氣采出水的質(zhì)量水平取決于某些因素,不同的因素導(dǎo)致了不同的水質(zhì),有些時(shí)候在使用前要進(jìn)行處理;

(2)水處理技術(shù)一般僅限于處理特殊的水組分類(lèi)型;

(3)根據(jù)水的最終用途和理想的組分濃度,水處理過(guò)程會(huì)結(jié)合使用,例如反滲透和氯化的結(jié)合;

(4)每一處理過(guò)程的相對(duì)有效性將會(huì)隨著采出水的首次水質(zhì)和相關(guān)有益利用的變化而變化。

[1] Harju,John,A.and Hayes,Thomas D.“Introduction to the Freeze-Thaw/Evaporation(FTE(SM))Process”.Gas Research Institute Abstract.1997.

[2] Collins,Anthony,G.,Dempsey,John P.,and Parker,Philip J.“Freeze/Thaw Conditioning of Water Treatment Residuals”(Project#386).2000.

[3] Harju,John,A.“Evaluation of the Natural Freeze-Thaw Process for the Desalinization ofGroundwater from the Dakota Aquifer toProvideWater forGrandForks”,ND.2002.

[4] Committee on Groundwater Recharge Ground Water Recharge Using Waters of Impaired Quality.National Academy of Sciences.National Research Council.National Academy Press.304.1994.

[5] Lawrence Livermore National Laboratory.“New Desalination Methodfrom Monterey County Herald.New Gel Could Make Desalinization Competitive”.United States Department of Energy.December 22,1994.

[6] AWWA.“Electro dialysis and Electro dialysis Reversal(M38(AWWA Manual Library 38)”,American Water Works Association.72.1996.

[7] Derickson,Russel,Bergsrud,Fred,and Seelig,Bruce.“Clean Water Series-Treatment Systems for Household Water Supplies:Distillation.University of Minnesota Extension Service”.U.S.Department of Agriculture 90-EWQ1-1-9220.1992.

[8] Shutes,R.B.E.“Artificial Wetlands and Water Quality Improvement”.Environment International.May,2001.Vol.26,No.5-6:441-447.

Status of Technology for Treatment of Extracted Water from Coal Seams in USA

Zhang Weidong1,Guo Min1,Yan Aihua2
(1.Petroleum Engineering College,China Petroleum University(East China),Shandong 257061;2.North China Oil Field Prospecting&Development Research Institute,Hebei 062552)

中國(guó)石油華北油田分公司2007年院所合作科技項(xiàng)目“勘探開(kāi)發(fā)前緣技術(shù)研究”(編號(hào):HBYT-Y JY-2008-JS-6)部分內(nèi)容。

張衛(wèi)東,男,畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)鉆井工程專(zhuān)業(yè),副教授,主要從事石油天然氣工程教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)