環保排水帽生產廠家肥料驅動正滲透處理頁巖氣開采廢水并用于灌溉

　　環保排水帽廠家肥料驅動正滲透處理頁巖氣開采廢水并用于灌溉。

　　圖文摘要

　　成果簡介

　　最近，四川大學建筑與環境學院劉百倉教授課題組在環境領域知名期刊Environmental Science & Technology上發表了題為“On-Site Treatment of Shale Gas Flowback and Produced Water in Sichuan Basin by Fertilizer Drawn Forward Osmosis for Irrigation”的研究論文，研究了肥料作為汲取液的正滲透系統對頁巖氣開采廢水的凈化特性，首次探討了處理后的廢水用于農田灌溉的可行性，該成果對于頁巖氣開采廢水的資源化具有參考意義。

　　研究背景

　　頁巖氣是一種清潔、非常規的天然氣資源，具有開發壽命長、產量高等優點。

　　我國技術可采的頁巖氣儲量位列世界第一，而四川盆地擁有我國儲量最豐富的頁巖氣資源。伴隨著頁巖氣工業的快速發展，開采過程中產生了大量水質成分復雜的返排液和采出水，由此造成的環境污染及其有效的管理和處理問題已經引起廣泛關注。

　　正滲透是有效應對該廢水的一項處理技術，然而經常采用的氯化鈉和碳酸氫銨等汲取液需要進一步回收。相比之下，肥料驅動正滲透由于無需對稀釋后的汲取液進行分離而受到關注。

　　頁巖氣工業是用水密集型工業，同時頁巖氣開采區距離農田較近，廢水的農田回用可能是一種潛在的廢水資源化策略，稀釋及脫鹽為油氣田開采廢水農田回用的兩種主要方法。

　　已有研究表明頁巖氣開采廢水及常規油氣田采出水與淡水混合稀釋后對植物生長特性及產量等可能產生不利影響。因而本研究著重考察在頁巖氣開采現場利用肥料驅動正滲透處理頁巖氣開采廢水并用于灌溉的可行性，以期實現水資源的可持續利用。

　　全文速覽

　　頁巖氣開采廢水取自四川盆地，水樣經過超濾膜過濾后作為正滲透的原料液;實驗中選用了五種肥料作為汲取液，即氯化鉀、硫酸銨、磷酸二氫銨、磷酸氫二銨和硝酸鉀。

　　首先評價了汲取液類型和運行模式(AL-DS和AL-FS)對正滲透膜污染、滲透反沖洗效率(圖1)以及營養元素損失的影響(圖2)。

　　可以看出，AL-FS運行模式優于AL-DS運行模式，同時磷酸二氫銨作為汲取液時膜污染最輕、清洗效率高、營養元素損失少。

　　為了保持營養元素的平衡，進而采用了磷酸二氫銨和硝酸鉀的混合肥料作為汲取液，將獲得的產水連同未經處理的頁巖氣原水稀釋至一定濃度(TDS = 350，700，1000，5000 mg/L)，以去離子水作為控制組;這些不同類型的水進行灌溉實驗，未經過處理的高鹽度廢水不利于植物生長，而稀釋的汲取液則促進植物生長(圖3和圖4)。

　　然后，不同類型水用于灌溉時植物的表達基因不同(圖5)，差異表達基因導致了不同的生長情況(圖6和7)。

　　圖文導讀

　　圖1 不同肥料作為汲取液時(A)(B)膜污染、(C)(D)滲透反沖洗效率和(E-H)SEM圖像對比：AL-DS運行模式(左側：A、C、E和F)和AL-FS運行模式(右側：B、D、G和H)。圖C和D中百分比表示滲透反沖洗的通量恢復率。

　　圖2 不同肥料作為汲取液時(A)(B)溶質返混通量(RSF)、特定溶質返混通量(SRSF)和(C)(D)營養元素N、P、K的返混通量：AL-DS運行模式(左側：A和C)和AL-FS 運行模式(右側：B和D)

　　圖3 采用不同灌溉用水培養一周后櫻桃蘿卜和快菜的(A)平均增長重量和(B)長度(地上部分及根長)。DI，去離子水;FPW5000、FPW1000、FPW700和FPW350分別表示將頁巖氣廢水稀釋至TDS為5000、1000、700 and 350 mg·L-1;DS1000、DS700和DS350分別表示將汲取液稀釋至TDS為1000、700和350 mg·L-1。p值為在α=0.05下進行單因素方差分析獲得，桔色星號表示該組與控制組(DI水)有顯著差異(p <0.05)。

　　圖4 采用不同灌溉用水培養的快菜的平均增長重量隨時間變化。

　　圖5 采用不同灌溉用水時植物基因表達的維恩圖：(A)櫻桃蘿卜和(B)快菜。

　　圖6 (A)(C)櫻桃蘿卜和(B)(D)快菜的差異表達基因分析。(A)(B)上調和下調的差異表達基因數目，(C)(D)差異表達基因的維恩圖。

　　圖7差異表達基因的功能分析：(A)(B)GO功能注釋和(C)(D)KEGG功能注釋。以灌溉用水為DI水和DS350時(A)(C)櫻桃蘿卜和(B)(D)快菜為例。

　　小 結

　　本研究闡明了肥料驅動正滲透技術在頁巖氣開采廢水的資源化方面的可行性。從膜污染、滲透反沖洗效率和營養元素損失等方面評價幾種常用肥料用作汲取液的性能，并通過植物基因分析探討植物生長特性的差異。相比常規正滲透技術，肥料汲取正滲透具有無需回收汲取液的優勢，可直接用于附近農田灌溉，稀釋后的汲取液由于含有一定量的營養元素而能夠促進植物生長。本研究結論可以為頁巖氣開采區水資源的可持續利用提供技術支撐。

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