精制組合填料廠家膜技術應用于頁巖油氣廢水處理領域的研究及現狀

　　精制組合填料生產廠家科羅拉多州立大學仝鐵錚教授團隊(Tiezheng Tong, Kenneth H. Carlson, Cristian A. Robbins, Zuoyou Zhang, Xuewei Du;Department of Civil and Environmental Engineering, Colorado State University, FortCollins, CO 80523, United States)日前發表在FESE(Front. Environ. Sci. Eng. 2019, 13(4): 63)上的綜述《可用于頁巖油氣廢水的膜處理技術：當今的知識現狀(Membrane-based treatment of shale oil and gas wastewater: The current state of knowledge)》有以下亮點值得關注：

　　● 頁巖油氣開采產生大量具有復雜成分的廢水;

　　● 膜技術近年來逐步應用于頁巖油氣廢水的處理，成為環境工程的熱門領域;

　　● 適用的膜技術需要具有適應高鹽度，且低能耗、抗污染等優點;

　　● 預處理技術對于提高膜技術的處理效率至關重要;

　　● 未來頁巖油氣廢水處理的研究應致力于將現有膜技術實現中試以上的應用。

　　非常規油氣(或稱頁巖油氣)開采在當前世界能源結構中占有越來越重要的地位。然而，頁巖油氣的開采需要消耗大量的淡水，同時產生大量高鹽度廢水。以美國為例，頁巖油氣開采在2005年至2014年間共消耗9400億升淡水，并產生8030億升廢水。根據杜克大學的最新研究結果，頁巖油氣開采的耗水量和廢水產量在2011年至2016年間均有大幅度的升高，最高漲幅分別達到770%和1440%。考慮到許多富含頁巖油氣的地區(包括美國和中國的油氣田)位于干旱缺水區，頁巖油氣產業的發展正帶給我們水污染和水資源短缺的雙重挑戰。

　　高效處理并回用頁巖油氣廢水是提高頁巖油氣工業環境可持續性的有效手段。近年來，開發相關膜技術已經成為環境工程的熱門領域。各種膜技術，包括微/超濾、納濾、反滲透、正滲透以及膜蒸餾，已被應用于頁巖油氣廢水的處理。雖然膜技術在實驗室尺度表現出良好的處理效果，其在頁巖油氣產區的實際應用還未有報道。因此，如何將膜技術實際應用于頁巖油氣工業成為目前亟需解決的問題之一。

　　本文綜述了膜技術在頁巖油氣廢水處理領域的研究進展，系統分析了各技術的優點及限制因素，探討了將膜技術從實驗室轉化為實際油氣田應用的途徑。文章首先分析了頁巖油氣廢水的水量和化學成分隨時間變化的特性。一般來說，頁巖油氣廢水的水量以及油類污染物和裂解液成分隨時間逐漸下降，而鹽分和地層成分隨時間逐漸上升。這些特點對研發水處理技術具有重要的意義。

　　首先，膜技術的模塊化特性能夠適應頁巖油氣廢水的水量變化，成為膜技術應用于頁巖油氣廢水處理的優勢之一。其次，膜技術需要按照回用的水質要求有效去除頁巖油氣廢水中的有害物質，并且能夠抵抗廢水的復雜成分可能造成的膜污染等問題。

　　頁巖油氣廢水的高鹽度是膜處理技術面臨的主要問題。以水力壓力作為驅動力的技術，如納濾和反滲透，具有能耗低的優勢。可是，這類技術的鹽度限值較低，一般在7萬mg/L左右。而頁巖油氣廢水的鹽度可以高達39萬mg/L(美國中位值約9萬mg/L)，遠超于納濾和反滲透能夠承受的鹽度。因此，開發能夠適應高鹽度，且能耗低的膜處理技術成為頁巖油氣廢水處理目前的發展方向(如下圖所示)。

　　圖 (A) 反滲透和機械蒸汽壓縮技術的能耗及鹽度耐受性比較。反滲透較機械蒸汽壓縮能耗較低，但鹽度耐受性也低。因此，(B) 正滲透和(C)膜蒸餾被應用于頁巖油氣廢水處理。

　　文章指出正滲透和膜蒸餾是近年來的研發熱點，能夠在一定條件下滿足以上兩個特性，其中正滲透已有中試的示范工程，而膜蒸餾正逐漸被關注。這兩項技術都能夠耐受高鹽度，將廢水濃縮到接近結晶濃度。雖然絕對能耗要高于納濾和反滲透，正滲透和膜蒸餾可以利用廢熱等低價值能源，從而有效減少水處理系統對電力的依賴，降低能耗費用。然而，這兩項技術需要與機械蒸汽壓縮(mechanical vapor compression)進行全面的對比，才能夠客觀評價其應用前景。

　　文章還強調了預處理對于膜技術處理頁巖油氣廢水的重要性。由于之前的研發工作多基于膜技術本身，對預處理的研究較為缺乏。然而，預處理技術對于降低膜污染和去除特定污染物至關重要。軟化、混凝、吸附、過濾等物理化學過程，以及生物活性濾池、微生物燃料電池-電容去離子聯用等生物過程可以對頁巖油氣廢水進行預處理。文章總結了近年來將這些預處理技術與膜技術結合并且應用于頁巖油氣廢水處理的研究進展，指出繼續開展更深入相關研究的必要性。

　　此外，文章還指出學術界應該與頁巖油氣生產企業密切結合，才能夠實現將開發的膜技術商業化且解決實際水環境問題。目前的膜技術能夠將頁巖油氣廢水處理到較高水平，以滿足各類廢水回用的要求。可是，研究成果大多僅在實驗室尺度實現，缺乏中試規模以上的應用示范。因此，未來頁巖油氣廢水處理的研究不應只關注于開發更為先進的技術與膜材料，而應該致力于將現有的技術實現中試以上的應用，從而向頁巖油氣生產企業展示技術的效果和應用前景。

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