快速培養(yǎng)好氧顆粒污泥處理頁(yè)巖氣壓裂返排液

鮑 晉，陳曄希

（中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司）

鮑 晉等.快速培養(yǎng)好氧顆粒污泥處理頁(yè)巖氣壓裂返排液.鉆采工藝，2019，42（5）：95-98

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，正在改變著國(guó)際能源市場(chǎng)格局。近年來(lái)，各國(guó)都加大了對(duì)頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)力度［1-2］。但其特殊的壓裂改造工藝給當(dāng)?shù)卦斐删薮蟮沫h(huán)境壓力，這些壓力主要體現(xiàn)在水資源的占用及污染［3-5］。因此，返排液回收再利用是減輕環(huán)保壓力、降低生產(chǎn)成本的有效途徑。但是，返排液中含有大量固體懸浮物（200～2 000 mg／L），如果直接回用，可能對(duì)地層造成傷害進(jìn)而影響壓裂改造的效果；返排液長(zhǎng)時(shí)間存放，由于硫酸鹽還原菌和鐵離子的存在，還會(huì)發(fā)生“發(fā)黑發(fā)臭”的現(xiàn)象；返排液還具備高COD（500 ～2 000 mg／L）的特點(diǎn)。所以，返排液回用之前，必須對(duì)返排液中的懸浮物固體（SS）、總鐵、COD進(jìn)行針對(duì)性地去除。

本文針對(duì)現(xiàn)有物化處理及微生物處理技術(shù)所存在的缺陷和不足［6-9］，采用實(shí)際頁(yè)巖氣壓裂返排液為進(jìn)水廢液［10-12］，研究了在SBR中通過(guò)直接轉(zhuǎn)化厭氧顆粒污泥的方法快速培養(yǎng)好氧顆粒污泥［13-15］。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)材料

1.1 接種污泥

接種用厭氧顆粒污泥取自污水處理廠UASB，其形態(tài)如圖1（a）所示，平均粒徑2.7 mm，MLVSS／MLSS為0.76，SVI為36 mL／g。

圖1 顆粒污泥在各個(gè)階段的外觀形態(tài)

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)廢水取自四川威遠(yuǎn)地區(qū)壓裂現(xiàn)場(chǎng)的頁(yè)巖氣壓裂返排液，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 返排液水質(zhì)分析結(jié)果

2.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自制頁(yè)巖氣壓裂返排液室內(nèi)微生物處理流程模擬裝置。該裝置由儲(chǔ)液罐、計(jì)量泵、SBR反應(yīng)器、絮凝沉降罐、高精度加藥泵出水罐等部分組成。SBR反應(yīng)器具有曝氣泵和曝氣頭，曝氣量在10～50 L／h可控。

3.分析測(cè)試方法

混合液懸浮固體濃度（MLSS）、混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）、污泥體積指數(shù)（SVI）、固體懸浮物（SS）按照國(guó)家環(huán)保局編制“水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）”中標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［16］。

污泥平均粒徑測(cè)定：?jiǎn)蝹€(gè)顆粒污泥在顯微鏡下測(cè)試粒徑，平均粒徑由隨機(jī)測(cè)試30顆單個(gè)顆粒污泥計(jì)算算術(shù)平均值得到。

化學(xué)需氧量（COD）：采用微波消解法測(cè)定。

滑溜水降阻率測(cè)試：采用管路摩阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試。

4.顆粒微觀結(jié)構(gòu)觀察

顆粒污泥樣品經(jīng)過(guò)2.5%的戊二醛固定12 h，經(jīng)各級(jí)乙醇脫水，干燥后采用離子噴涂?jī)x噴金，后用Hitachi S-3400N掃描電鏡觀察拍照。

二、結(jié)果與分析

1.好氧顆粒污泥的培養(yǎng)

SBR中接種取自污水處理廠UASB的厭氧顆粒污泥，污泥的形態(tài)如圖1（a）所示，培養(yǎng)過(guò)程分三個(gè)階段：厭氧顆粒污泥馴化階段、好氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化階段和好氧顆粒污泥成熟階段。

第一階段：厭氧顆粒污泥馴化階段。以實(shí)際頁(yè)巖氣壓裂返排液為進(jìn)水廢液，加入CH3COONa為碳源，NH4Cl為氮源配制成進(jìn)水廢水；SBR反應(yīng)器以進(jìn)水—曝氣—沉淀—排水—閑置的方式運(yùn)行，每天3個(gè)周期，每周期8 h；每周期進(jìn)水15 min，曝氣7 h，靜置沉淀30 min，排水以及閑置共15 min。運(yùn)行10 d后，顆粒污泥表面黑色開(kāi)始褪去，并逐漸覆蓋黃褐色絮狀物，顆粒污泥的形態(tài)如圖1（b）所示。此時(shí)COD去除率＞60%，并保持穩(wěn)定在60% ～70%之間，馴化階段結(jié)束。

第二階段：好氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化階段。實(shí)際壓裂返排液為進(jìn)水廢水，以進(jìn)水—曝氣—沉淀—排水—閑置的運(yùn)行方式，每天3個(gè)周期，每周期8 h；每周期進(jìn)水15 min，曝氣7 h，減少靜置沉淀時(shí)間至15 min，排水以及閑置共30 min；運(yùn)行7 d后，顆粒外圍的黑色逐漸褪去，表明厭氧微生物逐漸被淘汰，新的好氧微生物群開(kāi)始形成，顆粒污泥由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S褐色，平均粒徑轉(zhuǎn)變?yōu)?.4 mm，此時(shí)顆粒污泥的形態(tài)如圖1（c）所示。MLVSS／MLSS為0.73，SVI為38 mL／g，好氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化階段結(jié)束。

第三階段：好氧顆粒污泥成熟階段。以實(shí)際壓裂返排液95%加入5%的滑溜水壓裂液為進(jìn)水廢水，以進(jìn)水—曝氣—沉淀—排水—閑置的運(yùn)行方式，每天3個(gè)周期，每周期8 h，進(jìn)水15 min，曝氣7 h，靜置沉淀20 min，排水以及閑置共25 min；運(yùn)行7 d后，顆粒污泥由黃褐色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃褐色，粒徑3.6 mm，此時(shí)顆粒污泥的形態(tài)如圖1（d）所示。MLVSS／MLSS為0.82，SVI為30 mL／g，好氧顆粒污泥成熟階段結(jié)束。

2.各個(gè)階段顆粒污泥MLVSS增殖率變化

MLVSS的增殖率可以表征污泥的生長(zhǎng)速率。接種污泥MLVSS的增殖率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 顆粒污泥在轉(zhuǎn)化過(guò)程中MLVSS增殖率的變化規(guī)律

由圖2可以看出，在1～10 d的馴化階段，MLVSS增殖率先快速下降，在2 d時(shí)達(dá)到最低值-9%；而后開(kāi)始上升，在6 d時(shí)，增值率為正值，并在10 d時(shí)達(dá)到最大值5%。在11～17 d的轉(zhuǎn)化階段，MLVSS增值率緩慢下降至2%。在18～24 d的成熟階段，MLVSS增值率緩慢下降至0.7%并保持穩(wěn)定。分析認(rèn)為：在馴化階段，厭氧顆粒在有氧環(huán)境下，厭氧微生物種群開(kāi)始逐步衰退，而好氧微生物種群開(kāi)始增殖，由于微生物群落的衍變，在1～4 d厭氧微生物衰退的速度大于好氧微生物增殖的速度，宏觀表現(xiàn)為MLVSS的增殖率為負(fù)值；隨著有氧環(huán)境下，好氧微生物增殖的速度加快，MLVSS的增殖率開(kāi)始逐步變?yōu)檎怠Ｔ谵D(zhuǎn)化階段，好氧微生物的增長(zhǎng)速度繼續(xù)高于厭氧微生物衰退的速度，并逐步放緩，因而MLVSS的增殖率也穩(wěn)定在一個(gè)水平內(nèi)并緩慢下降，直到好氧顆粒完全成熟。

3.顆粒污泥微觀結(jié)構(gòu)的變化

接種厭氧顆粒污泥以及經(jīng)過(guò)三個(gè)階段轉(zhuǎn)變成熟后的好氧顆粒污泥掃描電鏡觀察的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 接種污泥與好氧顆粒污泥掃描電鏡照片

由圖3可以看出，接種厭氧顆粒污泥表面顏色較深，粗糙度較高，整體結(jié)構(gòu)較為致密，如圖3（a）所示；1 000倍放大下，可見(jiàn)顆粒表面微生物以球菌為主，如圖3（b）所示。轉(zhuǎn)化后的好氧顆粒表面顏色較淺，更加光滑，外觀結(jié)構(gòu)更加致密，如圖3（c）所示；1 000倍放大下，可以觀察到顆粒污泥通過(guò)胞外聚合物的粘結(jié)作用形成層狀物交錯(cuò)包裹結(jié)構(gòu)；顆粒外部纏繞有大量的桿菌，如圖3（d）所示。

4.各個(gè)階段顆粒污泥對(duì)COD的去除效果

厭氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化為好氧顆粒污泥的三個(gè)階段進(jìn)、出水COD以及COD的去除率如圖4所示。

圖4 顆粒污泥在轉(zhuǎn)化過(guò)程中COD去除率的變化規(guī)律

由圖4可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，COD去除率先降低，在4 d的時(shí)候達(dá)到最低17.7%，然后開(kāi)始緩慢升高，并且在運(yùn)行10 d后逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)的COD去除率可達(dá)70% ～80%。COD去除率的變化趨勢(shì)總體上與MLVSS增值率的變化趨勢(shì)相符。分析認(rèn)為：在馴化階段，厭氧顆粒由于微生物群落的衍變，以及微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)，導(dǎo)致COD去除率先下降；隨著有氧環(huán)境下，好氧微生物種群開(kāi)始快速增殖，COD去除率開(kāi)始升高，直至好氧顆粒污泥成熟后，COD去除率趨于穩(wěn)定。

5.各個(gè)階段顆粒污泥對(duì)SS的去除效果

厭氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化為好氧顆粒污泥的三個(gè)階段進(jìn)、出水SS以及SS的去除率如圖5所示。

圖5 顆粒污泥在轉(zhuǎn)化過(guò)程中SS去除率的變化規(guī)律

由圖5可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，SS去除率先降低，在4 d的時(shí)候達(dá)到最低45.6%，然后開(kāi)始緩慢升高，并且在運(yùn)行10 d后逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)的SS去除率可達(dá)85%左右。在11～17 d，SS去除率下降到80%左右，是由于在第二階段，減少了沉降時(shí)間，導(dǎo)致出水SS上升。在18～24 d，SS去除率又上升到85%以上。SS去除率的變化趨勢(shì)總體上與COD及MLVSS增值率的變化趨勢(shì)相符。

6.各個(gè)階段顆粒污泥對(duì)總鐵的去除效果

厭氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化為好氧顆粒污泥的三個(gè)階段進(jìn)、出水總鐵以及總鐵的去除率如圖6所示。

圖6 顆粒污泥在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總鐵去除率的變化規(guī)律

由圖6可以看出，在厭氧顆粒污泥馴化階段，總鐵去除率先降低，在2 d的時(shí)候達(dá)到最低67.5%，然后開(kāi)始緩慢升高，并且在運(yùn)行10 d后逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)的SS去除率可達(dá)90%以上?？傝F去除率的變化趨勢(shì)總體上與COD、SS及MLVSS增值率的變化趨勢(shì)相符。

7.返排液處理前后配制滑溜水減阻性能對(duì)比

經(jīng)測(cè)試，返排液不經(jīng)過(guò)處理直接配制滑溜水，其減阻率平均值為69%，且波動(dòng)較大；經(jīng)過(guò)處理后的返排液，減阻率平均值達(dá)74.5%，降阻效果及穩(wěn)定性都得到明顯的提升，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工滑溜水配液需求。

三、結(jié)論

（1）SBR反應(yīng)器中接種取自污水處理廠UASB的厭氧顆粒污泥，培養(yǎng)過(guò)程分三個(gè)階段：厭氧顆粒污泥馴化階段、好氧顆粒污泥轉(zhuǎn)化階段和好氧顆粒污泥成熟階段，轉(zhuǎn)化過(guò)程總計(jì)24 d，相對(duì)于常規(guī)的35～45 d，得到大幅縮短。

（2）在三個(gè)階段的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，MLVSS增殖率先為負(fù)值后緩慢變?yōu)檎担詈蠓€(wěn)定在0.7%左右，表明了微生物群落的衍變（厭氧微生物種群衰退，好氧微生物種群增殖）。最終形成的好氧顆粒污泥形態(tài)、大小穩(wěn)定，粒徑3.6 mm，MLVSS／MLSS為0.82，SVI為30 mL／g。

（3）通過(guò)掃描電鏡觀察接種的厭氧顆粒污泥及轉(zhuǎn)化后的好氧顆粒污泥，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化后的好氧顆粒污泥表面顏色更淺，表面更為光滑，主導(dǎo)微生物由球菌轉(zhuǎn)變?yōu)闂U菌。

（4）成熟后的好氧顆粒污泥處理頁(yè)巖氣壓裂返排液，化學(xué)需氧量（COD）去除率穩(wěn)定在70%～80%；懸浮固體（SS）去除率穩(wěn)定在85%以上；總鐵去除率穩(wěn)定在90%以上，表現(xiàn)出優(yōu)良的處理效果。

（5）經(jīng)過(guò)處理后的返排液，減阻率平均值達(dá)74.5%，降阻效果及穩(wěn)定性都得到明顯的提升，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工滑溜水配液需求。