一种利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减返排水中有机物的方法

摘要

本发明公开一种利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减页岩气返排废水有机物的方法，包括以下步骤：采集页岩气返排废水储存池底部长期累积的污泥；将污泥接种于待处理的页岩气返排废水缺氧或厌氧储存池中，开启搅拌装置，处理一段时间，污泥与待处理的返排废水体积比为1:1～2:3。本发明提供的降解页岩气返排废水有机物的方法，直接利用返排水的底泥中的微生物，无需添加任何化学物质及其其它微生物，可快速降低返排水浊度，高效去除返排水中有机物污染物，同时降低返排水底泥的环境风险。

说明书

技术领域

本发明涉及页岩气压裂返排废水处理技术领域，具体涉及一种利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减页岩气返排废水各类有机物的方法。

背景技术

页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，是一种清洁、低碳、高储量的非常规天然气。目前页岩气常用的开采方式为水力压裂法，其开采过程中会产生大量的压裂返排废水。页岩气的压裂返排废水组分复杂，页岩气废水通常含有高浓度悬浮物(suspendedsolids，SS)、压裂液添加剂(包括增塑剂、表面活性剂、杀菌剂、防腐剂、交联剂等)、多环芳烃、石油类、重金属、天然存在的放射性物质(naturally occurring radioactivematerials，NORM)和油脂等，因此页岩气返排废水处理难度大、成本高。

物理化学法处理页岩气压裂返排废水易造成二次污染且设备复杂、处理成本高，而生物法在页岩气压裂返排废水处理上具有广泛发展前景，尤其是针对页岩气压裂返排废水中有机物的深度去除技术，生物法相较于物理化学法具有低运行成本、绿色环保、应用范围广等优势。一般微生物对盐度的耐受范围有限，高盐度会抑制微生物的正常新陈代谢功能，导致细胞脱水或由于细胞膜内外的渗透压差异而分解，导致细胞活性的损失，因此高盐度是生物法处理页岩气废水的限制因素。

目前运用微生物处理法处理页岩气返排废水中有机物的方法，通常是针对页岩气中有机物成分培养特定微生物菌群或制备微生物复合菌剂(例如中国专利申请CN107779418A所公开)，再将微生物接种到返排废水中，以此处理页岩气返排废水中的有机物。然而，该方法工艺复杂，微生物培养时间长，成本高。此外，现阶段好氧活性污泥法处理页岩气返排水成本相对较高，且活性污泥易解体，生物活性受低温影响明显，厌氧法由于运行成本低，污泥不会膨胀解体，微生物适应温度范围广，因而逐渐受到关注。

发明内容

本发明旨在解决上述存在的至少部分技术问题，提出一种利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减返排水中有机物的方法，本方法以页岩气返排废水储存池中长期累积的污泥中现有微生物为接种微生物，用于削减页岩气返排废水中有机污染物。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减返排水中有机物的方法，包括以下步骤：

(1)采集页岩气返排废水储存池底部长期累积的污泥；

(2)将污泥接种于待处理的页岩气返排废水厌氧储存池中，开启搅拌装置，处理一段时间，其中，污泥与待处理的返排废水体积比为1:1～2:3。

进一步，所述污泥为页岩气返排废水储存池累积半年或半年以上的底泥。

进一步，接种污泥后返排废水的水力停留时间至少为72h。

经研究分析，所述污泥(返排水底泥)中含有缺氧型或厌氧型微生物，所述缺氧型或厌氧型微生物能够耐受20～26％的盐度、石油类(含油量2～3％)、重金属以及返排水所含的杀菌剂等。污泥中所含的微生物能够适应各种温度环境，适应的环境温度为8～45℃。所述微生物不仅在常温到高温下(20～45℃)具有很高活性，甚至在低温下(约8℃)下也可高效运行。所述微生物可适用于不同阶段不同有机物浓度的页岩气返排废水。所述污泥中的微生物菌属包括Marinobacterium，Sphaerochaeta，Desulfocella，Desulfovibrio，Fusibacter，Dethiosulfatibacter和Trichococcus等。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明提供的利用页岩气返排水底泥微生物低成本高效削减返排水中有机物的方法，以页岩气返排废水储存池中长期(半年或半年以上)累积的底泥中现有的微生物为接种微生物，削减页岩气返排废水中有机污染物。通过将特定比例的页岩气返排废水与长期累积底泥充分接触，在缺氧条件下底泥微生物可利用返排水及其底泥中自带的硝酸盐、硫酸盐、三价铁等作为电子受体，去除返排水中所含有机物污染物并降低返排水浊度，出水再经过后续处理后回用或处理达标后排放。

本发明方法无需外加任何化学物质及其他微生物，无需额外占用空间，只需在现有页岩气返排水储存池的基础上添加搅拌装置，便可使页岩气废水中有机污染物即使在低温环境下(8～10℃)，72h内TOC削减约57～67％；SS消减70％；微量萘、苊、芴等多环芳烃完全去除。针对返排水处理后回收与排放，该工艺也可以节省后续处理工艺成本。

此外，页岩气返排水储存池内的污泥通常含有高盐度(20～26％)、高有机物含量、多环芳羟、高重金属、高石油类(2～3％)等特征，目前页岩气返排水储存池中底泥主要是压缩脱水后堆置，存在一定的环境风险。本发明提供的工艺方法，充分利用返排水储存池污泥中微生物及其有机物，工艺运行10天后可使底泥中石油类脱除率高达51％，同时还可有效消除返排水沉积物中微量多环芳羟等难降解有机污染物，降低底泥的环境风险。

经本发明进一步研究分析，本方法中利用的页岩气返排水长期累积底泥产生了耐盐、耐重金属和耐石油污染的Marinobacterium，Sphaerochaeta，Desulfocella，Desulfovibrio，Fusibacter，Dethiosulfatibacter和Trichococcus等优势微生物菌属，能够降解返排废水中的多环芳羟、石油类、邻苯二甲酸酯等有机污染物。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明构建的页岩气返排废水处理反应器的结构示意图。

图2为实施例1返排废水的TOC分析结果图。

图3为实施例2返排废水的TOC分析结果图。

图4为实施例3返排水的TOC分析结果图。

图5为实施例4返排水的TOC分析结果图。

图6为实施例4待处理返排废水与处理后返排废水的效果对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。下述实施例中涉及的操作方法，如无特别说明，均为常规方法；所采用的材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实验室模拟：构建2个模拟页岩气返排废水有机物去除反应器，反应器的结构如图1所示，反应器为圆柱体结构，总高为0.63米，内径为0.15米，反应器体积为10L。如图1所示，反应器包括反应器主体1，与反应器主体连接的蠕动泵2，用于混合搅拌反应器内的返排水废水(Flowback and produced water,FPW)与污泥(Sludge)；反应器的上部设置多个液体取样口3，反应器的下部设置多个污泥取样口4，反应器的顶部设置气体取样口5。

实施例1

该案例主要探究反应器在冬季低温条件下对复杂混合返排废水的处理效果。

(1)采集页岩气返排废水储存池累积半年的底泥5L，加入反应器内；

(2)将5L重庆某地区混合页岩气返排废水泵入反应器内，使反应器中泥水比例为1:1；

(3)启动蠕动泵，在10±2℃下运行反应器，使泥和水充分混合，定期测定污染物降解效率。分别在反应器运行至0,3,7,10,15d时，沉淀2小时，分别从液体取样口取水样测定TOC、盐度、三氮、硫酸盐、二价铁，总铁等指标，在反应器运行至0，10，15d时分别从污泥取样口取泥水混合物测定其中TOC，石油类、PAH、邻苯二甲酸酯等指标。

经分析结果显示，运行3d后，返排废水中的TOC可以降解68％(TOC的实验结果如图2所示),SS降低至29％，水中微量萘、苊、芴等多环芳烃完全去除；运行15d后返排水中微量邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯可彻底消除，邻苯二甲酸二乙酯可消除97.5％。工艺运行10d后，污泥中石油类脱除率高达51％，邻苯二甲酸二正丁酯得到完全去除；运行15d后，污泥中萘、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、苯并(a)芘等多环芳烃得到完全去除；邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯可消减96.5％。

实施例2

该案例主要探究在低温且反应器中底泥占比更低的情况下对复杂混合返排废水的处理效果。

(1)采集页岩气返排废水储存池累积半年的底泥4L，加入反应器内；

(2)将6L重庆某地区页岩气返排废水处理厂的混合返排废水泵入反应器内，使反应器中泥水比例为2:3；

(3)启动蠕动泵，在10±2℃下，运行反应器，使泥和水充分混合，定期测定污染物降解效率。

经分析结果显示，运行3d后，返排废水中的TOC可以降解57％(TOC的实验结果如图3所示)，SS降低至33％，水中微量萘多环芳烃完全去除；运行7d后水中微量邻苯二甲酸二甲酯可完全去除，运行15d后水中微量邻苯二甲酸二乙酯可消除97％。工艺运行10d后，污泥中石油类脱除率高达51％，邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸丁基苄基酯可彻底去除；运行15天后，污泥中萘、芘、苯并(a)蒽、屈等完全去除，邻苯二甲酸二正丁酯去除率可达90％。

实施例3

案例3以重庆某页岩气开采场地压裂结束排放后期的返排水(以地层水为主)为主，研究反应器在低温条件下对含低浓度有机污染物返排水的处理效果。

(1)将6L页岩气返排废水泵入装有4L污泥的反应器内，使反应器中泥水比例为2:3；

(2)启动蠕动泵，在10±2℃下，运行反应器，使泥和水充分混合，定期测定污染物降解效率。经分析结果显示，反应器运行5d后返排水中TOC(实验结果如图4所示)消减54％，SS降低至35％，水中微量萘等多环芳烃完全去除。

实施例4

案例4应用四川某页岩气开采区块的返排废水，研究夏季高温条件下反应器对其它典型页岩气开采区返排废水有机物的降解效率。

(1)将6L四川页岩气返排废水泵入装有4L污泥的反应器内，使反应器中泥水体积比例为2:3；

(2)启动蠕动泵，在30±2℃下，运行反应器，使泥和水充分混合，定期测定污染物降解效率。经分析结果显示，反应器运行3d后返排水中TOC(实验结果如图5所示)消减62％，SS降低82％。

图6示出了实施例4处理后的出水与待处理页岩气返排水水质对比情况，结果显示，经过处理3d后的返排废水水质变化明显。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。