頁巖氣開采含油廢物處理處置及對策研究

鄭玲玲，雍毅，黃祥，侯江，張力，郭衛(wèi)廣

(四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引言

頁巖氣是賦存于頁巖及其夾層空隙中的一種非常規(guī)天然氣，是一種較清潔、純凈的化石能源和化工原料。頁巖氣在鉆探和開采過程中會產(chǎn)生大量的固體廢物，其中產(chǎn)生的水基鉆井巖屑屬于一般工業(yè)固體廢物，而產(chǎn)生的含油廢物(油基鉆井巖屑)因含有油類、重金屬等多種有毒有害污染物，被列入危險廢物，若貯存或處置不當(dāng)，將對生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成威脅，從而將間接限制頁巖氣的開發(fā)速度，影響國家能源戰(zhàn)略[1]。

目前我國頁巖氣正處于處于勘探開發(fā)迅速發(fā)展期，我國頁巖氣累計探明地質(zhì)儲量已經(jīng)超過2萬億立方米，年產(chǎn)量已超200億立方米。近年來，我國每年新增鉆頁巖氣井?dāng)?shù)保持在300口以上，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗，每口頁巖氣井會產(chǎn)生250～350立方米的含油污泥等廢棄物。我國近十年頁巖氣開采行業(yè)含油污泥產(chǎn)生量增長情況如圖1所示，其中2020年共產(chǎn)生約60萬立方米的含油固體廢物。如果這些含油固體廢物隨意堆放接觸土壤，其含有的石油烴類及其他有害物質(zhì)將會隨雨水的沖刷污染地面水和地下水，同時其異味也會對周圍空氣造成一定污染[2]。

圖1 中國近10年頁巖氣開采行業(yè)含油污泥年產(chǎn)量增長圖

本文結(jié)合國內(nèi)外對頁巖氣開采過程中固體廢物處理處置、綜合利用技術(shù)和管理現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理分析，以為我國頁巖氣開采含油污泥處置提供對策建議。

1 頁巖氣開采含油固體廢物管理現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)管理現(xiàn)狀

根據(jù)《國家危險廢物名錄》，我國已將頁巖氣開采產(chǎn)生的含油污泥列為危險廢物進(jìn)行管理。近年來，我國也陸續(xù)出臺了一些用于指導(dǎo)含油固體廢物的處理和處置標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如鉆井作業(yè)中產(chǎn)生的一種含油污泥被列入《國家危險廢物名錄》中的危險廢物(廢物類別：HW08)；HJ 607—2011中“含油率大于5%的含油污泥、油泥沙應(yīng)進(jìn)行再生利用”；《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》中“原油處理、廢水處理產(chǎn)生的油泥(砂)等中的油類物質(zhì)，含油污泥資源化利用率應(yīng)達(dá)到90%以上”；SY/T 7301—2016中規(guī)定“含油污泥(包括含油鉆屑)經(jīng)處理后剩余固相中石油烴總量應(yīng)不大于2%”。2020年11月18日，由川慶鉆探公司主編、國內(nèi)5家單位參編的GB/T 39139.1—2020 《頁巖氣環(huán)境保護(hù)第1部分：鉆井作業(yè)污染防治與處置方法》獲得國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施，這是我國第一個頁巖氣勘探開發(fā)的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中指出“處理后固相石油烴總量等指標(biāo)滿足SY/T 7301標(biāo)準(zhǔn)的，可用于鋪墊油氣田井場基礎(chǔ)材料、通井路”。

黑龍江省、陜西省、新疆維吾爾自治區(qū)、重慶市、四川省等省市、自治區(qū)、直轄市相繼出臺了有關(guān)地方性法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，為當(dāng)?shù)睾蛷U物的處理和控制提供了一定的技術(shù)支撐。特別注意，四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院在制定《四川省天然氣開采含油污泥綜合利用后剩余固相利用處置標(biāo)準(zhǔn)》中，采集頁巖氣含油污泥焚燒渣，發(fā)現(xiàn)其鋇元素浸出濃度達(dá)到150～1 070 mg/L，超過了危險廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的浸出液鋇含量限值(100 mg/L)，是今后處置和綜合利用技術(shù)開發(fā)和政策管理需要關(guān)注的一個方向。

但目前國家還沒有發(fā)布系統(tǒng)性針對鉆井固體廢物和含油污泥的管理文件或標(biāo)準(zhǔn)，其相應(yīng)的處理處置技術(shù)文件也沒有配套，對頁巖氣開采并沒有形成管理部門、協(xié)會、研究機(jī)構(gòu)協(xié)同的管理體系。

1.2 國外管理現(xiàn)狀

因美國最先開展頁巖氣開采活動，其在頁巖氣行業(yè)含油固體廢物環(huán)境管理上也相應(yīng)較早。美國環(huán)境保護(hù)局在20世紀(jì)80年代對頁巖氣含油污泥污染物性質(zhì)及特征、環(huán)保管理要求、對環(huán)境和人體的影響等全過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。1988年美國國會將頁巖氣行業(yè)開采含油污泥從危險廢物名單中豁免。美國相關(guān)各州也在符合國家法律要求的基礎(chǔ)上制訂了適合各州管理要求的法律法規(guī)或指導(dǎo)性文件，美國石油協(xié)會也積極參與到環(huán)境管理中，形成了一套頁巖氣固體廢物系統(tǒng)的技術(shù)和管理體系[3]。

2019年美國環(huán)境保護(hù)局通過對已有公開發(fā)表的論文進(jìn)行梳理，從頁巖氣固體廢物產(chǎn)生、貯存、處理和綜合利用、環(huán)境監(jiān)管要求以及環(huán)境損害鑒定案例等全過程進(jìn)行分析研究，最終確定，仍將鉆井固體廢物和含油污泥作為非危險廢物進(jìn)行管理。

2 頁巖氣開采含油固體廢物處理處置技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 焚燒技術(shù)

含油污泥焚燒技術(shù)是我國最常用的含油固廢處理處置技術(shù)之一，其原理是使油基巖屑在富氧和輔助燃料條件下完全燃燒，實(shí)現(xiàn)含油污泥的無害化處理。焚燒技術(shù)通常采用流化床、回轉(zhuǎn)窯和爐排爐作為焚燒設(shè)備。焚燒爐的燃燒效率受多種因素影響，如固廢熱值、含水率、燃燒工況、溫度及停留時間等。含油固體廢物焚燒前需要進(jìn)行脫水、干化破碎等預(yù)處理，以便于含油固廢的引燃及焚燒，一般要求含有固體廢物高含油率、低含水率，即熱值越高，處置成本越低，更具經(jīng)濟(jì)性。焚燒產(chǎn)生的廢氣和煙塵須經(jīng)過廢氣治理和除塵裝置處理達(dá)標(biāo)后排放，焚燒渣一般需安全填埋或綜合利用，如：生產(chǎn)陶瓷顆粒、制磚和水泥等[4]。但須注意的是頁巖氣開采含油污泥在采用焚燒法處理后的焚燒渣，鋇的溶出遷移水平大幅升高，浸出液中濃度甚至超過了危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)，含油污泥焚燒渣的環(huán)境安全利用值得進(jìn)一步研究。

2.2 熱解析技術(shù)

熱解析技術(shù)又可稱為熱脫附技術(shù)，是將含油固體廢物在絕氧條件下加熱，通過熱分解及蒸餾技術(shù)，將含油固體廢物混合相轉(zhuǎn)變?yōu)闅?、固兩相，其中低碳油類被蒸餾出來，再經(jīng)過二次焚燒完全成廢氣，同時固相經(jīng)過熱解處理后可得到底渣。溫度是熱解技術(shù)中是最重要的影響因素。高溫?zé)峤馕龉に噷搸r氣含油固廢處理的比較徹底，但熱處理法仍存在能耗過高、尾渣仍需安全填埋或綜合利用和尾氣處理成本高等缺點(diǎn)[5]。

2.3 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是指將頁巖氣開采含油固體廢物按照一定量比例，添加入水泥窯中，作為水泥生產(chǎn)原料和燃料，將含油污泥中有機(jī)成分進(jìn)行完全燃燒，無機(jī)成分進(jìn)行綜合利用的一種技術(shù)。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)具有高溫堿性環(huán)境優(yōu)勢，在水泥窯內(nèi)物料焚燒停留時間長，處理徹底，同時水泥窯處置規(guī)模較大，是協(xié)同處置頁巖氣含油固體廢物的最好方式之一。但利用水泥窯協(xié)同處置含油污泥會對水泥窯系統(tǒng)和設(shè)備造成一定的損耗，特別是系統(tǒng)熱耗增加、窯尾易結(jié)皮堵塞、運(yùn)行事故次數(shù)增多、耐火材料使用減少以及生產(chǎn)出的水泥質(zhì)量不穩(wěn)定等劣勢[6]。

2.4 固化技術(shù)

固化技術(shù)是指在頁巖氣含油固廢中添加水泥、石膏粉等膠凝材料，水化形成塊狀固體，降低特征污染物浸出濃度，從而避免環(huán)境污染的技術(shù)。但由于頁巖氣開采中固體廢物含油率和含水率都較高，直接進(jìn)行固化處理很難達(dá)到環(huán)保目標(biāo)，因此需將含油廢物通過熱解析、萃取或離心分離等預(yù)處理工后再進(jìn)行固化處理。目前采用固化技術(shù)處理后的廢物綜合利用率低且必須配套建設(shè)相應(yīng)安全填埋場。該技術(shù)未根本上解決油頁巖氣開采含油固體廢物的無害化處置問題，同時增加了一些處理工程中的固化藥劑費(fèi)，處理成本高、占地面積大、處置規(guī)模小、污染隱患未根本消除[7]。

2.5 回注技術(shù)

含油污泥回注技術(shù)是將頁巖氣含油固廢漿化后和廢棄鉆井液注入到安全地層或者是環(huán)形空間里的技術(shù)。近些年來北美的石油公司在含油污泥回注技術(shù)上進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐工程。該技術(shù)的實(shí)施總體涉及著較多的地質(zhì)相關(guān)工程問題，受地層孔隙度影響大，不具有普適性，須十分謹(jǐn)慎地選擇適宜的地層或是環(huán)形空間，避免污染到地下水或油層，要對回注層進(jìn)行詳細(xì)勘察和綜合評估。同時該技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，對設(shè)備性能要求嚴(yán)格，對施工技術(shù)要求較高?？傮w該技術(shù)難度系數(shù)大且對環(huán)境存在不確定環(huán)境隱患，若在我國進(jìn)行推廣應(yīng)用還需謹(jǐn)慎考慮、綜合評估[8]。

2.6 清洗萃取技術(shù)

清洗萃取技術(shù)是采用添加表面活性劑的溶劑對頁巖氣含油固體廢物進(jìn)行沖洗，使其含油率或其他污染物降低的技術(shù)。含油固廢經(jīng)清洗后，通過沉淀分離法收集清洗劑進(jìn)行循環(huán)利用。目前有學(xué)者采用對油有極強(qiáng)溶解能力的溶劑對含油固體廢物進(jìn)行清洗和萃取，以達(dá)到回收油類，回收的油類可進(jìn)行凈化處理后回收利用。該技術(shù)除油效率不高，且會產(chǎn)生大量污水。總體來說，該技術(shù)設(shè)備占地面積大、運(yùn)行成本高且存在對環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險[9]。

2.7 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)是利用特種微生物對頁巖氣開采含油固體廢物進(jìn)行降解的一種技術(shù)。主要是篩選特種微生物將油基鉆屑中的石油烴類降解為無害的土壤成分，經(jīng)過降解處理過后的油基鉆屑能夠達(dá)到農(nóng)用或者綠化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)是能從根本上消除油基鉆屑污染，且一般不會產(chǎn)生二次污染的綠色環(huán)保技術(shù)。適用于含油固體廢物的生物處理技術(shù)主要有堆肥處理法、地耕法和污泥生物反應(yīng)器法。從總體情況上來看，處理所需要的時間過長且占用大量土地。采取這種技術(shù)很難對芳烴以及雜環(huán)類等難降解有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行處理，對含油率較高的固廢處理效果差，對我國碳減排貢獻(xiàn)小[10]。

2.8 常溫深度脫附技術(shù)(LRET技術(shù))

LRET技術(shù)在常溫常壓下結(jié)合多級多效變頻耦合離心技術(shù)及萃取技術(shù)，利用密度差及處理劑使油基廢棄物中的固液相分離，實(shí)現(xiàn)油基鉆井液及萃取劑的回收利用，整個處理過程能耗低，無二次污染，同時，固相巖屑的含油率也得到有效降低，可用來進(jìn)行更進(jìn)一步的資源化利用，各項環(huán)境指標(biāo)均能滿足要求。該技術(shù)主要是作為頁巖氣含油固體廢物處理的一種預(yù)處理技術(shù)。LRET技術(shù)在處理頁巖氣固體廢物時，既環(huán)保高效又能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，已在四川省國家級長寧頁巖氣開發(fā)示范區(qū)處理實(shí)踐中得以證明。但在實(shí)際工程中操作難度比較大，對技術(shù)、設(shè)備等方面的要求均比較嚴(yán)格[11]。

國內(nèi)外常見的8種油氣開采含油污泥處理處置技術(shù)各種技術(shù)評價參數(shù)對比如表1所示。綜合分析可得，LRET技術(shù)、焚燒技術(shù)、熱解技術(shù)和水泥窯協(xié)同處置技術(shù)因處理周期短、環(huán)境風(fēng)險低、處理規(guī)模大，市場占有率高，成為目前的熱門實(shí)用技術(shù)。

表1 頁巖氣含油污泥處理處置技術(shù)對比

3 綜合利用研究現(xiàn)狀

國家對固體廢棄物管理的強(qiáng)化使頁巖氣開采產(chǎn)生的油基巖屑進(jìn)行綜合利用得到越來越多的關(guān)注，充分利用油基巖屑的有用成分，走資源化利用的道路是油基巖屑處理技術(shù)發(fā)展的趨勢。當(dāng)前，油基巖屑的資源化利用主要集中在制磚、水泥原料及摻混料、路基材料等方面[12]。

3.1 制磚

制磚是將含有固體廢物按一定比例摻加制磚，摻入比例直接影響到磚塊的抗壓性能和產(chǎn)品的環(huán)境安全利用。劉來寶等將頁巖氣含油固廢固化處理后作為主要原料制備燒結(jié)磚，發(fā)現(xiàn)采用30%的新型固化劑固化后的鉆井含油污泥和70%頁巖為原料，在溫度900 ℃左右，可制備出高強(qiáng)磚。四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院研究發(fā)現(xiàn)摻加25%以內(nèi)的頁巖氣含油污泥焚燒渣，其污染物酸浸濃度不會超標(biāo)。但是利用鉆井巖屑制備磚塊技術(shù)也面臨著磚廠運(yùn)營費(fèi)用過高、磚塊銷售困難，在制備燒結(jié)磚過程中還有可能造成二次空氣污染等問題[13]。

3.2 生產(chǎn)水泥

頁巖氣含油固廢可直接摻混作為石灰石的替代料制備水泥熟料。此外，油基巖屑焚燒渣在常溫下替代20%的細(xì)集料進(jìn)行混凝土的制備，用于道路的底基層材料、井場建設(shè)或承重構(gòu)件等[14]。研究表明，隨著油基巖屑摻量的不斷增加，水泥漿的抗壓強(qiáng)度反而呈現(xiàn)下降的趨勢，預(yù)處理后的油基巖屑可替代水泥的30%～60%用作固井用水泥漿。

3.3 生產(chǎn)陶粒

陳筱悅、黃祥等在深度脫附處理油基巖屑的特性分析基礎(chǔ)上，利用該油基巖屑、粉煤灰等進(jìn)行免燒陶粒及燒結(jié)陶粒的綜合利用研究。將油基巖屑轉(zhuǎn)化為免燒及燒結(jié)陶粒可降低二次污染，實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用，將其應(yīng)用于建筑、路基等多個領(lǐng)域可提高油基巖屑的處理速度，具有潛在的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會效益[15]。

4 對策建議

從以上頁巖氣開采含油固體廢物管理、處理處置以及綜合利用的綜合分析基礎(chǔ)上，提出以下對策建議。

(1)加快頁巖氣水平井鉆井清潔生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，特別是推動環(huán)保型非油基鉆井液和無鋇加重劑的開發(fā)和應(yīng)用，從根本上消除油基鉆屑產(chǎn)生量。

(2)綜合分析可得，LRET技術(shù)、焚燒技術(shù)、熱解技術(shù)和水泥窯協(xié)同處置技術(shù)因處理周期短、環(huán)境風(fēng)險低、處理規(guī)模大，市場占有率高，是推薦的最佳技術(shù)，同時需積極探索油基鉆屑處理后的產(chǎn)物多途徑資源化利用方式，拓寬鉆井巖屑綜合利用渠道，以應(yīng)對未來頁巖氣行業(yè)發(fā)展需求。

(3)頁巖氣開采含油污泥在采用焚燒法處理后得到的焚燒渣，其鋇的溶出遷移水平大幅升高，浸出液中濃度甚至超過了危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)，含油污泥焚燒渣的環(huán)境安全利用值得進(jìn)一步研究。加快頁巖氣開采含油污泥焚燒渣的環(huán)境健康風(fēng)險評估和綜合利用產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)制定。