蘇培興,車(chē)智濤,張代鈞*,盧培利,丁阿強(qiáng)

基于生命周期評(píng)價(jià)的頁(yè)巖氣開(kāi)采返排-產(chǎn)出水處理技術(shù)選擇

蘇培興1,2,車(chē)智濤1,2,張代鈞1,2*,盧培利1,2,丁阿強(qiáng)1,2

(1.重慶大學(xué),煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044；2.重慶大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,重慶 400044)

為探究頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水(即返排-產(chǎn)出水)處理技術(shù)對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響,針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水的處理后內(nèi)部回用以及達(dá)標(biāo)排放兩種管理模式,結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)的理念,運(yùn)用Simapro分析工具,創(chuàng)建 LCA 模型,對(duì)典型處理技術(shù)進(jìn)行清單分析,評(píng)估處理技術(shù)中的資源、能源消耗和環(huán)境負(fù)荷,量化分析其對(duì)人群健康、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和資源方面的影響,建立一種頁(yè)巖氣開(kāi)采返排-產(chǎn)出水處理技術(shù)選擇的評(píng)價(jià)方法.同時(shí),以國(guó)內(nèi)某頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程為例,評(píng)估所選用處理技術(shù)的潛在環(huán)境影響.結(jié)果表明,內(nèi)部回用模式下選用的混凝-絮凝處理技術(shù)對(duì)環(huán)境生態(tài)影響最小;達(dá)標(biāo)排放模式下針對(duì)有機(jī)物去除,選用鐵電極的電絮凝技術(shù)或曝氣生物濾池對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響較小.對(duì)于較低含鹽量的開(kāi)采廢水的脫鹽,選用的脫鹽技術(shù)正滲透對(duì)環(huán)境的影響比反滲透小,但反滲透的脫鹽效果更好.對(duì)于較高含鹽量開(kāi)采廢水的脫鹽,選用的多效蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)對(duì)環(huán)境生態(tài)的影響較小.

頁(yè)巖氣；返排-產(chǎn)出水；處理技術(shù)；環(huán)境影響；生命周期評(píng)價(jià)；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)的頁(yè)巖氣資源可采儲(chǔ)量巨大,開(kāi)發(fā)利用好頁(yè)巖氣對(duì)調(diào)整優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和節(jié)能減排具有重要作用.但目前我國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程仍面臨著生態(tài)環(huán)境影響不明確、污染防治技術(shù)不規(guī)范等問(wèn)題.頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程所產(chǎn)生的返排水與產(chǎn)出水(FPW)統(tǒng)稱(chēng)為頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水[1],包括高濃度的鹽、金屬、油、油脂和天然有機(jī)物,水質(zhì)復(fù)雜,呈現(xiàn)出高懸浮物(TSS)、高化學(xué)需氧量(COD)、以及難生物降解等特性.在收集、運(yùn)輸、處理、處置不當(dāng)?shù)那闆r下,會(huì)對(duì)地表及地下水資源造成嚴(yán)重污染[2].單一技術(shù)無(wú)法有效處理頁(yè)巖氣廢水,需要一系列的技術(shù)組合處理方案,工藝復(fù)雜、成本高且環(huán)境影響不明確[3-4].因此了解頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理過(guò)程產(chǎn)生的環(huán)境影響,優(yōu)化頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水的處理技術(shù)選擇,對(duì)降低處理技術(shù)的環(huán)境影響至關(guān)重要.近年來(lái),已經(jīng)有采用LCA方法評(píng)估頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)環(huán)境影響的報(bào)道[5-10],但缺少針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理技術(shù)環(huán)境影響的LCA研究.

本文采用LCA方法,基于頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理效能,針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理后內(nèi)部回用與達(dá)標(biāo)排放的兩種管理策略,量化分析不同處理技術(shù)的生態(tài)環(huán)境影響程度,評(píng)估頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理工藝對(duì)人群健康、生態(tài)環(huán)境以及資源的影響,建立頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水管理的評(píng)價(jià)體系.以國(guó)內(nèi)某頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程為例,分析其所選用處理技術(shù)的潛在環(huán)境影響,并提出改善對(duì)策.研究結(jié)果可為優(yōu)化頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理技術(shù)的選擇提供參考.

1 研究方法

目前,LCA已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品或過(guò)程的生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)[11].LCA分為4個(gè)有機(jī)組成部分:目的與范圍的確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和生命周期解釋[12].生命周期考慮了與產(chǎn)品壽命相關(guān)的所有階段的環(huán)境特征和潛在影響,包括產(chǎn)品的儲(chǔ)存、包裝、運(yùn)輸、分銷(xiāo)、使用和最終處置.

Simapro軟件基于專(zhuān)業(yè)且廣泛使用的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù),并集成了世界上先進(jìn)的生命周期評(píng)價(jià)方法,如Eco-indicator99、CML1992、Ecopoints97、EPS2000等.Eco-indicator 99的核心是根據(jù)特定的自然環(huán)境系統(tǒng)將數(shù)據(jù)清單的分析結(jié)果劃分為不同的環(huán)境污染問(wèn)題,并進(jìn)行權(quán)重分析,得出最終的環(huán)境生態(tài)指數(shù)值.環(huán)境生態(tài)指數(shù)不僅可以用以表述某一產(chǎn)品的環(huán)境損害相對(duì)負(fù)荷值,也可以表述某種材料或某個(gè)過(guò)程的環(huán)境影響相對(duì)負(fù)荷值,從而可以更直觀的判斷對(duì)環(huán)境的影響程度.其數(shù)據(jù)分析過(guò)程模型如圖1所示[13].

圖1 Eco-indicator 99數(shù)據(jù)分析過(guò)程模型

本研究采用Simapro 9.0版本軟件,選用EcoinventV3.0數(shù)據(jù)庫(kù)以及Eco-indicator99作為評(píng)價(jià)方法[14],創(chuàng)建LCA模型,對(duì)清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和定量化分析,并依據(jù)分析結(jié)果,將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的環(huán)境影響類(lèi)型,將致癌物質(zhì)、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物歸為人群健康影響指標(biāo),氣候變化、電磁輻射、臭氧層、生態(tài)毒性與酸化/富營(yíng)養(yǎng)化歸為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響指標(biāo),礦物和化石燃料歸為資源損耗指標(biāo),然后將特征化的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,從人群健康影響、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響、資源損耗3個(gè)方面進(jìn)行權(quán)重分析,從定性的角度判斷對(duì)環(huán)境的影響程度,最后將定性分析的損害評(píng)價(jià),轉(zhuǎn)化為定量的環(huán)境生態(tài)指數(shù),以獲得環(huán)境綜合影響值[13,15].

特征因子使用特征模型計(jì)算,并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)影響類(lèi)別指標(biāo)的影響.其計(jì)算公式如下[15]:

式中:CF表示特征因子;FF表示歸趨因子;XF表示受納環(huán)境中敏感目標(biāo)暴露的暴露因子;FF表示暴露對(duì)目標(biāo)影響的影響因子(effect factor)的乘積.

在Eco-indicator 99評(píng)估方法中采用端點(diǎn)加權(quán)法評(píng)估,LCA在3個(gè)定義的端點(diǎn)(人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源)之間進(jìn)行加權(quán).該方法獲得的權(quán)重因子如下:生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分配權(quán)重因子為40%,人群健康分配的權(quán)重因子為40%、資源損耗分配的權(quán)重因子為20%,計(jì)算公式如下[15-16]:

式中:表示環(huán)境生態(tài)指數(shù),Inv()表示清單數(shù)據(jù), CFImpact(Endpoint,)表示影響類(lèi)別(impact)中端點(diǎn)(Endpoint)物質(zhì)的端點(diǎn)特征因子,NV(Endpoint)表示端點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化參考值,WF(Endpoint)表示端點(diǎn)的權(quán)重因子.

1.1 目標(biāo)與范圍確定

本研究依據(jù)FPW的處理需求以及已有知識(shí)確定了各自的備選技術(shù),并比選出了內(nèi)部回用和達(dá)標(biāo)排放兩種管理模式下不同階段的最佳處理單元技術(shù).內(nèi)部回用模式下的備選處理技術(shù)包括混凝-絮凝、化學(xué)沉淀、溶氣氣浮法、超濾與介質(zhì)過(guò)濾.沉砂后的FPW經(jīng)過(guò)油水分離,利用混凝-絮凝、化學(xué)沉淀和溶氣氣浮法等方式去除FPW中的懸浮物(SS)、油和脂(OG)、膠體與部分有機(jī)物;過(guò)濾階段采用介質(zhì)過(guò)濾或超濾等方式.達(dá)標(biāo)排放模式下選用的有機(jī)物處理技術(shù)包括電-Fenton法、電絮凝、臭氧氧化、曝氣生物濾池與膜生物反應(yīng)器.脫鹽處理技術(shù)包括正滲透和反滲透、單效蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(SEE-MVR)和多效蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮(MEE- MVR)(圖2).同時(shí),內(nèi)部回用模式下的備選處理技術(shù)也可作為達(dá)標(biāo)排放模式下預(yù)處理備選技術(shù).

圖2 達(dá)標(biāo)排放型處理工藝流程

研究表明,在污水處理中電力消耗和化學(xué)品消耗對(duì)大多數(shù)影響類(lèi)別指標(biāo)結(jié)果的環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)率高達(dá)90%,證實(shí)了環(huán)境影響主要來(lái)源于電力消耗和化學(xué)品消耗[17].因此,這里選擇的FPW處理的系統(tǒng)邊界包括淡水消耗、原材料、能源和化學(xué)品的使用、廢水處理設(shè)施以及污泥和鹽水等廢棄物的最終處置,并以處理1m3的FPW為功能單位,研究每處理1m3的FPW所造成的環(huán)境影響(圖3).

圖3 頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理系統(tǒng)邊界

1.2 清單分析

研究初期建立了完善的FPW國(guó)內(nèi)外水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù).在此基礎(chǔ)之上,將FPW的最終用途劃為內(nèi)部回用和達(dá)標(biāo)排放兩大類(lèi),再根據(jù)需要去除的目標(biāo)污染物,在同一用途內(nèi)進(jìn)行平行比較.在內(nèi)部回用中,主要考慮對(duì)進(jìn)水中的懸浮物進(jìn)行處理,因此將比較的重心放在出水SS濃度上(表1～5);達(dá)標(biāo)排放中有機(jī)物的處理主要比較了出水COD濃度(表6～10),脫鹽的處理主要比較了出水TDS濃度(表11～12),而其余的水質(zhì)指標(biāo)對(duì)最終結(jié)果的影響較小.

當(dāng)頁(yè)巖氣FPW的總?cè)芙夤腆w(TDS)<20g/L時(shí), 多用于經(jīng)處理后內(nèi)部回用,主要作為所在頁(yè)巖氣田配制壓裂液的用水,內(nèi)部回用型處理工藝主要去除目標(biāo)是油脂、懸浮物、細(xì)菌等,具備節(jié)省水資源、環(huán)境污染小、處理成本低等優(yōu)勢(shì)[18].wang等[19]探索了鋁基和鐵基混凝劑對(duì)FPW的處理效能,Fe2(SO4)3的最佳投加劑量為50mg/L,處理后FPW中SS濃度可降至18mg/L.Kim[20]等運(yùn)用溶氣氣浮法處理頁(yè)巖氣FPW,在最佳條件下,FPW中SS濃度可降至 5.1mg/L,去除廢水中SS的效果較好.Butkovskyi[21]等梳理了典型溶氣氣浮法的能耗.沉淀是大部分廢水處理前的預(yù)處理步驟,已有研究將化學(xué)沉淀應(yīng)用于FPW處理[19,22].介質(zhì)過(guò)濾能有效去除廢水總有機(jī)碳(TOC),不需要進(jìn)行廢水預(yù)處理,不受廢水TDS濃度的影響[23],其清單數(shù)據(jù)參考了重慶某頁(yè)巖氣產(chǎn)出水處理的實(shí)際工程數(shù)據(jù).超濾可以去除廢水中大部分顆粒物和懸浮固體,Guo等[24]采用超濾處理四川威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣FPW,處理后SS濃度可降至4.4mg/L.根據(jù)文獻(xiàn)中的單元技術(shù)最佳處理效果,將其能耗整理為清單數(shù)據(jù)(表1～5).

表1 混凝-絮凝清單[19] (功能單位:m3處理水)

表2 溶氣氣浮法清單[20-21](功能單位:m3處理水)

表3 化學(xué)沉淀清單[19,22](功能單位:m3處理水)

表4 介質(zhì)過(guò)濾清單(功能單位:m3處理水)

注:清單數(shù)據(jù)參考了重慶涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水收集及處理系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū).

表5 超濾清單[24](功能單位:m3處理水)

達(dá)標(biāo)排放型處理工藝是對(duì)內(nèi)部回用型處理出水做進(jìn)一步處理,包括去除有機(jī)物和脫鹽2個(gè)階段,去除有機(jī)物可有利于后續(xù)脫鹽處理.Fenton氧化目前已運(yùn)用于涪陵頁(yè)巖氣田南川區(qū)塊返排水的處理中,研究表明電-Fenton法的COD去除率顯著高于Fenton法,在最佳處理?xiàng)l件下,電-Fenton法處理涪陵焦石壩頁(yè)巖氣FPW,出水COD降至71.3mg/L[25].除此之外,臭氧氧化目前已作為涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊FPW處理技術(shù)的核心[26],其處理FPW的最佳臭氧用量為0.3g/L[21].臭氧氧化處理城市廢水的耗電量約為0.27kW·h/m3處理水[27],利用臭氧氧化膜脫鹽處理煤化工廢水,出水COD濃度約為60mg/L[28].電絮凝可用于處理大部分有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物以及部分重金屬,FPW中高鹽分導(dǎo)致的高導(dǎo)電性有利于降低電絮凝的成本,同時(shí)其直流電場(chǎng)促使油滴的電凝結(jié)也有利于去除油和脂[29-31]. Zhang等[32]研究了電絮凝對(duì)四川頁(yè)巖氣鉆井廢水預(yù)處理的效果,Jo?o等[33]也探究了電絮凝處理廢水的效能,并對(duì)比了鋁電極和鐵電極的能耗及處理效果,表明電絮凝與傳統(tǒng)有機(jī)物去除工藝相比,能耗更低,且COD去除效果較好;曝氣生物濾池處理能力強(qiáng)、效果好,具有去除TSS、COD、脫氮除磷的作用,可以去除FPW中的大部分有機(jī)污染物[34].吳敏等[35]對(duì)普通生物濾池處理工藝的生命周期能耗進(jìn)行了總結(jié).Daniel等[36]利用曝氣生物濾池處理FPW,COD去除率約為80%.膜生物反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率一般高于常規(guī)活性污泥處理系統(tǒng),對(duì)石油化工廢水中多種多環(huán)芳烴(包括萘和菲)的去除效果較好[37-39].Ioannou-Ttofa等[40]對(duì)膜生物反應(yīng)器處理過(guò)程進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià),定量分析了膜生物反應(yīng)器處理廢水的能耗.Ortiz等與Foley等[41-42]綜述了膜生物反應(yīng)器的污染物排放清單.根據(jù)文獻(xiàn)中出現(xiàn)的能源消耗、化學(xué)品消耗和耗材,將其整理為清單數(shù)據(jù)(表6～10).

表6 電-Fenton法清單[25](功能單位:m3處理水)

表7 臭氧氧化清單[21,27-28](功能單位:m3處理水)

表8 電絮凝清單[32-33](功能單位:m3處理水)

表9 曝氣生物濾池清單[35,41](功能單位:m3處理水)

FPW處理的難點(diǎn)在于脫鹽,并且脫鹽的難度和成本隨著TDS濃度的增加而增加.當(dāng)TDS濃度處于20～40g/L時(shí)膜處理技術(shù)更適合進(jìn)行脫鹽[43]. Mcginnis等[44]的研究給出了正滲透的能耗及處理效果.Raluy等[45]對(duì)反滲透(RO)的能耗進(jìn)行了清單分析,結(jié)果表明當(dāng)反滲透工藝所耗功率約為2kW·h/m3處理水時(shí),能在達(dá)到處理效果的同時(shí),污染物排放最少;當(dāng)TDS濃度>40g/L時(shí)宜選用熱處理技術(shù)代替膜處理技術(shù)進(jìn)行脫鹽[46].Onishi等[47]針對(duì)單效蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(SEE-MVR)和多效蒸發(fā)-機(jī)械蒸汽再壓縮(MEE-MVR)的能耗做了分析,Caballero等[48]統(tǒng)計(jì)熱處理清單數(shù)據(jù).通過(guò)整理FPW脫鹽單元技術(shù)的清單分析數(shù)據(jù)(表11～12).

表11 正滲透和反滲透清單[44-45](功能單位:m3處理水)

表12 SEE-MVR和MEE-MVR[47-48]清單(功能單位:m3處理水)

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)部回用環(huán)境影響評(píng)估

利用Simapro軟件,得到內(nèi)部回用各種單元技術(shù)的環(huán)境影響.如圖4所示,對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗影響的單元技術(shù)排序?yàn)?化學(xué)沉淀>溶氣氣浮法>鋁基混凝劑>鐵基混凝沉淀,過(guò)濾階段的單元技術(shù)影響程度為超濾>介質(zhì)過(guò)濾.選用的內(nèi)部回用單元技術(shù)的生態(tài)環(huán)境影響的排序均為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響.

化學(xué)沉淀對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源損耗的影響程度均最大,生態(tài)指數(shù)分別為7′10-4, 5.39′10-5和5′10-4;混凝-絮凝階段采用鐵基混凝劑對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源損耗的影響程度均最小,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2.89′10-6, 3.27′10-7和1.12′10-6;采用鋁基混凝劑的混凝-絮凝對(duì)環(huán)境的影響程度也相對(duì)較小.

圖4 內(nèi)部回用型單元處理技術(shù)的環(huán)境影響分析結(jié)果

2.2 達(dá)標(biāo)排放環(huán)境影響評(píng)估

如圖5所示,鋁電極電絮凝對(duì)所有參數(shù)指標(biāo)的影響均最大,因此對(duì)環(huán)境的影響程度最大,其人群健康影響、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響和資源損耗的環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為4.9′10-3, 3′10-4和1.9′10-3;曝氣生物濾池對(duì)人群健康影響最小,環(huán)境生態(tài)指數(shù)為3′10-4;鐵電極電絮凝對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與資源損耗的影響程度最小,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2.09′10-5和2′10-4;達(dá)標(biāo)排放去除有機(jī)物階段的單元處理技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)影響.

圖5 達(dá)標(biāo)排放單元處理技術(shù)的環(huán)境影響分析結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)達(dá)標(biāo)排放脫鹽階段中膜脫鹽處理技術(shù)進(jìn)行分析,探究對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大的工藝,如圖6所示,反滲透對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗上的影響程度均大于正滲透,其環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2×10-4, 1.22×10-5和2.5×10-4;正滲透對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源損耗的影響的環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為1×10-4, 7.43×10-6和1.5×10-4.選用的達(dá)標(biāo)排放膜處理脫鹽技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:資源損耗>人群健康影響>生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響.

圖6 達(dá)標(biāo)排放膜脫鹽處理技術(shù)環(huán)境影響的分析結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)達(dá)標(biāo)排放熱處理脫鹽技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),如圖7所示, SEE-MVR在人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗上的環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為3.6×10-3, 3×10-4和3.2×10-3,均大于MEE-MVR. MEE-MVR對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)、資源損耗的影響程度均較小,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2×10-3, 2×10-4和1.8×10-3.選用的達(dá)標(biāo)排放熱處理脫鹽技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)影響.

圖7 達(dá)標(biāo)排放熱處理技術(shù)環(huán)境影響的分析結(jié)果

2.3 處理技術(shù)的選擇

已有研究表明,鐵基混凝劑用氯作為氧化劑對(duì)FPW濁度的去除率達(dá)到98%[49],鋁基混凝劑對(duì)FPW濁度的最大去除率為96.8%[50],介質(zhì)過(guò)濾對(duì)低濃度油和脂的去除率可達(dá)到90%左右[23],因此,混凝-絮凝階段推薦鐵基混凝劑或鋁基混凝劑,過(guò)濾階段的內(nèi)部回用型單元技術(shù)推薦選用介質(zhì)過(guò)濾.化學(xué)沉淀對(duì)環(huán)境影響較大應(yīng)盡量減少或避免.溶氣氣浮法、微濾/超濾等可作為備選方案.

在FPW達(dá)標(biāo)排放處理有機(jī)物時(shí),可以盡量減少或避免鋁電極電絮凝的使用,以減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響.曝氣生物濾池與鐵電極電絮凝均是值得推薦的處理技術(shù).除此之外,其它工藝也可以根據(jù)實(shí)際情況作為備選方案.膜處理脫鹽技術(shù)中,正滲透的環(huán)境影響顯然低于反滲透.熱處理脫鹽技術(shù)中,SEE- MVR的環(huán)境影響近乎是MEE-MVR兩倍,兩者都能達(dá)到較好的脫鹽效果[47],因此推薦采用MEE-MVR作為熱處理的脫鹽技術(shù).

對(duì)環(huán)境生態(tài)影響程度最小的組合工藝為內(nèi)部回用選用“混凝-絮凝-溶氣氣浮法-介質(zhì)過(guò)濾”,達(dá)標(biāo)排放階段有機(jī)物去除技術(shù)優(yōu)先選用鐵電極電絮凝,其次可將電-Fenton法、臭氧氧化以及曝氣生物濾池作為有機(jī)物處理技術(shù)備選方案;脫鹽階段TDS濃度處于20～40g/L,宜選用正滲透.雖然正滲透膜技術(shù)的低能耗、高效率的優(yōu)點(diǎn)正越來(lái)越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視,但反滲透工藝是一種廣泛用于高純工業(yè)用水制備和海水淡化等的脫鹽技術(shù),也在壓裂返排液脫鹽處理中得到了商業(yè)化應(yīng)用[51],對(duì)FPW的脫鹽效果更佳[45],當(dāng)TDS濃度>40g/L,熱處理階段宜選用MEE-MVR進(jìn)行脫鹽.

兩種管理模式不同階段下的各單元技術(shù)適宜處理的物質(zhì)如表13所示,根據(jù)不同的目標(biāo)污染物,采取針對(duì)性的處理技術(shù),從環(huán)境生態(tài)影響角度出發(fā),推薦最佳單元處理技術(shù).

表13 各單元技術(shù)不同階段適宜處理的物質(zhì)及推薦工藝

2.4 案例分析

以涪陵某頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程為例進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),評(píng)估其處理技術(shù)的環(huán)境影響.其產(chǎn)出水水質(zhì)具有中高含鹽、中高有機(jī)濃度、低可生化性、重金屬元素含量低的特點(diǎn),COD、氨氮、含鹽量、氯離子平均含量分別為 2356, 86.27, 26500和14000mg/L,重金屬、硫酸根、鈣鎂離子含量均較低,水質(zhì)較復(fù)雜.收集及處理系統(tǒng)采用“預(yù)處理(水質(zhì)調(diào)節(jié)、混凝沉淀、兩級(jí)芬頓氧化、電解氧化、多介質(zhì)過(guò)濾等)+雙膜減量化(超濾、反滲透)+MVR蒸發(fā)結(jié)晶”處理技術(shù),將其劃分為預(yù)處理、膜脫鹽處理和熱處理3個(gè)階段.頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水以處理1m3的FPW為功能單位.頁(yè)巖氣產(chǎn)出水相關(guān)協(xié)同處理技術(shù)系統(tǒng)邊界包括操作每個(gè)單元工藝所需的材料和能量,從人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗的影響3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估.根據(jù)系統(tǒng)邊界以及FPW處理技術(shù)的實(shí)際情況,本研究忽略產(chǎn)出水處理過(guò)程中的損失、設(shè)備占地和質(zhì)量小于產(chǎn)品質(zhì)量1%的化學(xué)品的環(huán)境影響.頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理技術(shù)的環(huán)境影響主要取決于淡水消耗、原材料、能源和化學(xué)品的使用、廢水處理設(shè)施以及污泥和鹽水等廢棄物的最終處置,所建立的技術(shù)路線(xiàn)及物質(zhì)消耗清單分析數(shù)據(jù)(表14～16)來(lái)自涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水收集與處理系統(tǒng)可行性研究報(bào)告.

注:產(chǎn)出水、剩余污泥、預(yù)處理出水均為重慶涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水收集及處理系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū)具體數(shù)據(jù),自行輸入Simapro軟件.

表15 膜脫鹽處理清單(功能單位:m3處理水)

注:預(yù)處理出水、膜脫鹽處理出水均為根據(jù)項(xiàng)目可研報(bào)告具體數(shù)據(jù),自行輸入Simapro軟件.

表16 熱處理清單(功能單位:m3處理水)

注:膜脫鹽處理出水、頁(yè)巖氣、處理出水均為根據(jù)項(xiàng)目可研報(bào)告具體數(shù)據(jù).

2.4.1 預(yù)處理生命周期環(huán)境影響評(píng)估 根據(jù)預(yù)處理清單數(shù)據(jù)的分析結(jié)果(表14),采用simapro軟件對(duì)頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理技術(shù)進(jìn)行特征化,挑選其中影響最大的6個(gè)因素的參數(shù),進(jìn)一步對(duì)特征化結(jié)果進(jìn)行分析,如圖8a所示,次氯酸鈉對(duì)人群健康影響程度較大,環(huán)境生態(tài)指數(shù)為2.6×10-3;過(guò)氧化氫對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與資源損耗的影響較大,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2.3×10-4和1.7×10-3;相比而言,氫氧化鈉對(duì)三者之間的影響較小.預(yù)處理階段清單指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響.

2.4.2 膜處理生命周期環(huán)境影響評(píng)估 如圖8b所示,雙膜處理技術(shù)消耗的電能對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與資源損耗的影響程度均最大,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為4.2×10-4, 3.36×10-5和4×10-4,是膜脫鹽處理對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的主要因素.設(shè)備所采用的材質(zhì)玻璃鋼以及膜材料尼龍66(聚酰胺66)、聚乙烯的影響程度較小;對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)與資源損耗的影響程度均為電能>尼龍66>聚乙烯>玻璃鋼.除電能外,膜脫鹽處理中其他指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:資源損耗>人群健康影響>生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響.

2.4.3 熱處理生命周期環(huán)境影響評(píng)估 熱處理系統(tǒng)包括3個(gè)部分:MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)、鹽漿脫水干燥系統(tǒng)與母液蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng),且MVR的耗電量較大.如圖8c所示,熱處理系統(tǒng)消耗的電能是對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的主要因素,其人群健康影響、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響和資源損耗的環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為2.7×10-3, 2×10-4和2.5×10-3.對(duì)人群健康的影響程度為:電能>鎳>頁(yè)巖氣>鉻鋼;對(duì)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、資源損耗的影響程度均為電能>鎳>鉻鋼>頁(yè)巖氣.熱處理階段各清單指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度均為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量影響.

2.4.4 產(chǎn)出水處理工程生命周期環(huán)境影響評(píng)估 如圖8d所示,根據(jù)涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程的生命周期評(píng)價(jià)預(yù)處理結(jié)果可得預(yù)處理對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗的影響程度均最大,是涪陵頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的主要因素,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為5.6×10-3, 5×10-4和3.8×10-3.對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和資源損耗的影響程度均為:預(yù)處理>熱處理>深度處理.膜脫鹽處理對(duì)人群健康、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、資源損耗的影響程度均最小,環(huán)境生態(tài)指數(shù)分別為4×10-4, 3.53×10-5和5×10-4.頁(yè)巖氣田產(chǎn)出水處理工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度為:人群健康影響>資源損耗>生態(tài)系統(tǒng)影響.

綜上所述在預(yù)處理階段中“兩級(jí)Fenton+ NaClO”氧化處理產(chǎn)出水階段對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大,其主要影響因素是化學(xué)品次氯酸鈉和過(guò)氧化氫的投加,但氫氧化鈉的危害性相對(duì)較小;熱處理階段對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生主要影響的是電能,對(duì)生態(tài)環(huán)境影響遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)處理和膜脫鹽處理階段.同時(shí)電能也是膜脫鹽處理階段對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的主要因素.電能的主要使用是雙膜系統(tǒng)泵的能耗.膜脫鹽處理階段對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的則是反滲透膜和超濾膜,膜材料的更換會(huì)帶來(lái)一定的生態(tài)環(huán)境影響,并且反滲透膜材料的生態(tài)環(huán)境影響高于超濾膜材料.相比于預(yù)處理與熱處理階段,膜脫鹽處理的生態(tài)環(huán)境影響較小.

3 結(jié)論

3.1 內(nèi)部回用模式下,推薦采用以鐵基混凝劑的混凝-絮凝為主,并輔以介質(zhì)過(guò)濾,盡量減少或避免化學(xué)沉淀的使用.當(dāng)FPW中OG濃度高(>50mg/L)時(shí),采用混凝-絮凝與溶氣氣浮法聯(lián)用處理效果更佳.

3.2 達(dá)標(biāo)排放模式下,優(yōu)先推薦“混凝-絮凝-有機(jī)物的去除-膜處理”組合工藝.其中,有機(jī)物的去除推薦采用鐵電極電絮凝.當(dāng)FPW的TDS濃度超過(guò)40000mg/L,推薦采用MEE-MVR脫鹽代替膜處理脫鹽.

3.3 通過(guò)案例分析揭示了頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水處理過(guò)程中的環(huán)境影響,并提出了減緩策略.在混凝階段由鋁基混凝劑改用為鐵基混凝劑;澄清軟化階段嚴(yán)格監(jiān)控NaOH與Na2CO3的用量;膜脫鹽處理階段合理化控制超濾的用電量;熱處理階段推薦采用MEE- MVR.并為實(shí)際的工程應(yīng)用中頁(yè)巖氣 FPW 的管理及處理技術(shù)選擇提供思路與方法.

[1] Butkovskyi A, Bruning H, Kools S A, et al. Organic Pollutants in Shale Gas Flowback and Produced Waters: Identification, Potential Ecological Impact, and Implications for Treatment Strategies [J]. Environmental Science & Technology, 2017,51(9):4740-4754.

[2] Sun Y, Wang D, Tsang D, et al. A critical review of risks, characteristics, and treatment strategies for potentially toxic elements in wastewater from shale gas extraction [J]. Environment International, 2019,125:452-469.

[3] 盧培利,邱 哲,張代鈞,等.頁(yè)巖氣開(kāi)采返排廢水有機(jī)污染物研究進(jìn)展與展望[J]. 化工進(jìn)展, 2018,37(3):1161-1166.

Lu P L, Qiu Z, Zhang DJ, et al. Research progress and prospect on the organic pollutants in flowback wastewater from shale gas extraction [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2018,37(3):1161- 1166.

[4] 吳青蕓,鄭 猛,胡云霞.頁(yè)巖氣開(kāi)采的水污染問(wèn)題及其綜合治理技術(shù)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014,32(13):74-83.

Wu Q Y, Zheng M, Hu Y X, et al. Shale Gas Produced Water Contamination and Its Comprehensive Treatment [J]. Science& Technology Review, 2014,32(13):74-83.

[5] José A C, Juan A L, Natalia Q, et al. Environmental and Economic Water Management in Shale Gas Extraction [J]. Sustainability, 2020,12:4.

[6] Wang J L, Liu M M, Benjamin C M, et al. Environmental impacts of shale gas development in China: A hybrid life cycle analysis [J]. Resources, Conservation & Recycling, 2017,120:38-45.

[7] Wilkins R F, Menefee A H, Clarens A F. Environmental Life Cycle Analysis of Water and CO2-Based Fracturing Fluids Used in Unconventional Gas Production [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(23):13134-13141.

[8] Ma G, Geza M, Cath T Y, et al. iDST: An integrated decision support tool for treatment and beneficial use of non-traditional water supplies - Part II. Marcellus and Barnett Shale case studies [J].Journal of Water Process Engineering, 2018,25:258-268.

[9] Wang Y, Tavakkoli S, Khanna V, et al. Life Cycle Impact and Benefit Trade-Offs of a Produced Water and Abandoned Mine Drainage Cotreatment Process [J]. Environmental science & technology, 2018, 52(23):13995-14005.

[10] 譚 茜.基于生命周期分析的頁(yè)巖氣開(kāi)采廢水治理方案的綜合評(píng)價(jià)[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2017.

Tan Q,The Comprehensive Evaluation of Schemes for Treatment and Disposal of Shale gas Wastewater Based on Life Cycle Analysis [D]. Chongqing: Chongqing University, 2017.

[11] 徐 艷,張培棟.基于SimaPro利用廢棄餐飲油脂煉制生物柴油的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J]. 可再生能源, 2013,31(6):79-84.

Xu Y, Zhang P D. The environmental impact assessment of life cycle of biodiesel from food waste oil based on SimaPro software [J]. Renewable Energy Resources, 2013,31(6):79-84.

[12] ISO 14040-2006Environmental Management–Life Cycle Assessment– Principles and Framework [S].

[13] 鄧南圣,王小兵.生命周期評(píng)價(jià)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

Deng N S, Wang X B. Life Cycle Impact Assessment [M]. Beijing: Chemical Industry Press.2003.

[14] Herrmann I T, Moltesen A. Does it matter which Life Cycle Assessment (LCA) tool you choose?–a comparative assessment of SimaPro and GaBi [J]. Journal of Cleaner Production, 2015,86:163- 169.

[15] Michael Z H, Mark A J. Life Cycle Impact Assessment [M]. Netherlands: Springer, 2015.

[16] Mark G K, Spriensma R. The eco-indicator 99:a damage oriented method for life cycle impact assessment Methodology Report [R]. Amersfoort, Netherlands: PRé Consultants, 1999.

[17] Rashid S S, Liu Y Q, Zhang C. Upgrading a large and centralised municipal wastewater treatment plant with sequencing batch reactor technology for integrated nutrient removal and phosphorus recovery: Environmental and economic life cycle performance [J]. Science of the Total Environment, 2020,749.

[18] 于志龍,陳 瀅,劉 敏.頁(yè)巖氣廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2020,39(11):4589-4599.

Yu Z L, Chen Y, Liu M.Research progress in treatment technology for shale gas wastewater [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2020,39(11):4589-4599.

[19] Wang M C, Wang M W, Chen D, et al. Evaluation of pre-treatment techniques for shale gas produced water to facilitate subsequent treatment stages [J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2019,7:1.

[20] Kim J Y, Kim J, Lim J H, et al. Cold-cathode X-ray irradiation pre-treatment for fouling control of reverse osmosis (RO) in shale gas produced water (SGPW) treatment [J]. Chemical Engineering Journal, 2019,374:49-58.

[21] Butkovskyi A, Faber A, Wang Y, et al. Removal of organic compounds from shale gas flowback water [J]. Water Research, 2018, 138:47-55.

[22] Carrero-Parre?o A, Viviani C, Onishi, et al. Optimal Pretreatment System of Flowback Water from Shale Gas Production [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017,56(15):4386-4398.

[23] Igunnu E T, Chen G Z. Produced water treatment technologies [J]. International Journal of Low-Carbon Technologies, 2014,9(3):157- 177.

[24] Guo C, Chang H, Liu B, et al. A combined ultrafiltration–reverse osmosis process for external reuse of Weiyuan shale gas flowback and produced water [J]. Environmental Science: Water Research & Technology, 2018,4(7):942-955.

[25] 林雯杰,王 菁,孟宣宇,等.電-Fenton法處理頁(yè)巖氣壓裂返排液[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017,11(2):857-861.

Lin W J, Wang Q, Meng X Y, et al. Treatment of shale gas fracturing flowback fluid by electro-Fenton process [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2017,11(2):857-861.

[26] 胡德高.涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)建設(shè)水污染防控探索與實(shí)踐[J]. 工業(yè)用水與廢水, 2017,48(4):39-43.

Hu D G. Exploration and practice of water pollution control during development and construction of Fuling shale gas field [J]. Industrial Water &Wastewater, 2017,48(4):39-43.

[27] Munoz I, Rodriguez A, Rosal R, et al. Life Cycle Assessment of urban wastewater reuse with ozonation as tertiary treatment A focus on toxicity-related impacts [J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(4):1245-1256.

[28] 張志偉.臭氧氧化深度處理煤化工廢水的應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

Zhang Z W. The Research and application of ozonation for the advanced treatment of coal chemical wastewater [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

[29] Dina T M, Muftah H E, Mustafa N, et al. A comprehensive review of electrocoagulation for water treatment: Potentials and challenges [J]. Journal of Environmental Management, 2017,186(1):24-41.

[30] Esmaeilirad N, Carlson K, Ozbek P O. Influence of softening sequencing on electrocoagulation treatment of produced water [J]. Journal of Hazardous Materials, 2015,283:271-729.

[31] Shan Z, Guohe H, Guanhui C, et al. Hardness, COD and turbidity removals from produced water by electrocoagulation pretreatment prior to Reverse Osmosis membranes [J]. Desalination, 2014,344:454- 462.

[32] Zhang H, Luo Z, Zhang X F, et al. Electro-flocculation pretreatment experiments of shale gas drilling wastewater [J]. Natural Gas Industry B, 2020,7(4):309-316.

[33] Jo?o P P B R, Alexandre T P. Electroflocculation for the treatment of wastewater from dairy food industry: scale-up of a laboratory reactor to full-scale plant [J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2019,21(5):1155-1163.

[34] 張 杰,曹相生,孟雪征.曝氣生物濾池的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)給水排水, 2002,18(8):26-29.

Zhang J, Cao X S, Meng X Z.Research progress of biological aerated filter [J]. China Water & Wastewater, 2002,18(8):26-29.

[35] 吳 敏,楊 健.普通生物濾池處理工藝的生命周期能耗分析[J]. 中國(guó)給水排水, 2001,17(6):69-72.

Wu M, Yang J. Life cycle energy consumption analysis of common biological filter treatment process [J]. China Water & Wastewater, 2001,17(6):69-72.

[36] Daniel E F, Stephanie M R, Zackary L J, et al. Biologically active filtration for fracturing flowback and produced water treatment [J]. Journal of Water Process Engineering, 2017,18:29-40.

[37] Mozo I, Stricot M, Lesage N, et al. Fate of hazardous aromatic substances in membrane bioreactors [J]. Water Research, 2011,45(15): 4551-4561.

[38] Zolfaghari M, Drogui P, Seyhi B, et al. Occurrence, fate and effects of Di (2-ethylhexyl) phthalate in wastewater treatment plants: A review [J]. Environmental Pollution, 2014,194:281-293.

[39] Zilverentant A, van Nieuwkerk A, Vance I, et al. Produced water report: Pilot-scale membrane bioreactor treats produced water [J]. World Oil, 2009,230(8):79-82.

[40] Ioannou-Ttofa L, Foteinis S, Chatzisymeon E, et al. The environmental footprint of a membrane bioreactor treatment process through Life Cycle Analysis [J]. Science of the Total Environment,2016,568:306- 318.

[41] Foley J, de Haas D, Hartley K, et al. Comprehensive life cycle inventories of alternative wastewater treatment systems [J]. Water Research, 2009,44(5):1654-1666.

[42] Ortiz M, Raluy R G, Erra L. Life cycle assessment of water treatment technologies: wastewater and water-reuse in a small town [J]. Desalination, 2007,204(1-3):121-131.

[43] Guarnone M, Rossi F, Negri E, et al. An unconventional mindset for shale gas surface facilities [J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2012,6:14-23.

[44] Mcginnis R L, Hancock N T, Nowosielski-Slepowron M S, et al. Pilot demonstration of the NH3/CO2forward osmosis desalination process on high salinity brines [J]. Desalination, 2013,312(3):67-74.

[45] Raluy G, Serra L, Uche J. Life cycle assessment of MSF, MED and RO desalination technologies [J]. Energy, 2006,31(13):2361-2372.

[46] 陳翱翔,張代鈞,盧培利,等.頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)廢水污染控制技術(shù)與環(huán)境監(jiān)管研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2016,41(10):72-77.

Chen A X, Zhang D J, Lu P L, et al.Shale Gas Wastewater Pollution Control Technology and Environmental Regulatory Measures [J]. Environmental Science and Management, 2016,41(10):72-77.

[47] Onishi V C, Carrero-Parre?o A, Reyes-Labarta J A, et al. Desalination of shale gas produced water: A rigorous design approach for zero- liquid discharge evaporation systems [J]. Journal of Cleaner Production, 2017,140(3): 1399-1414.

[48] Caballero J A, Labarta J A, Quirante N, et al. Environmental and Economic Water Management in Shale Gas Extraction [J]. Sustainability, 2020,12:4.

[49] Nadella M, Sharma R, Chellam S. Fit-for-purpose treatment of produced water with iron and polymeric coagulant for reuse in hydraulic fracturing: Temperature effects on aggregation and high-rate sedimentation [J]. Water Research, 2020,170.

[50] Yonghyeon L, Mingcan C, Jongbok C, et al. Demonstration and evaluation of potential configuration options for shale-wastewater treatment plant by combining several unit processes [J]. Journal of Cleaner Production, 2019,232(20):867-876.

[51] 劉文士,廖仕孟,向啟貴,等.美國(guó)頁(yè)巖氣壓裂返排液處理技術(shù)現(xiàn)狀及啟示[J]. 天然氣工業(yè), 2013,33(12):158-162.

Liu W S, Liao S M, Xiang Q G, et al. Status quo of fracturing flowback fluids treatment technologies of US shale gas wells and its enlightenment for China [J]. Natural Gas Industry, 2013,33(12): 158-162.

LCA-assisted selection of shale gas extraction flowback-produced water treatment technologies.

SU Pei-xing1,2,CHE Zhi-tao1,2, ZHANG Dai-jun1,2*, LU Pei-li1,2, DING A-qiang1,2

(1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China；2.Department of Environmental Science, Chongqing University, Chongqing, 400044, China)., 2022,42(9)：4433～4443

Due to the rapid development of China’s shale gas industry in recent years, it is necessary to evaluate impacts of shale gas extraction wastewater treatments on the environment and ecology. According to the two management modes of internal reuse and discharge after the treatment of wastewater from shale gas extraction (i.e. flowback-produced water (FPW) and the idea of life cycle assessment (LCA)), the Simapro tool was used to conduct inventory analysis of typical treatment technologies. Then a case study of a produced water treatment project in a shale gas field in China was designed to evaluate the potential environmental impacts of the selected treatment technology. The results show that the coagulation-flocculation treatment technology used in the internal reuse mode had the least impact on the environment and ecology. For the removal of organic matter in the emission standard mode, the electrocoagulation with iron electrode or biological aerated filter had less impact on the environment and ecology. For desalination of extraction wastewater with low salt content, the ecological environment impact of forward osmosis is lower than that of reverse osmosis, but the desalination effect of reverse osmosis is better. For desalinating salted extraction wastewater, the selected multi-effect evaporation and mechanical vapor recompression technology demonstrated less impact on the environment and ecology.

shale gas；flowback-produced water；processing technology；environmental impact；life cycle assessment；ecological risk

X37,F124.5

A

1000-6923(2022)09-4433-11

2022-01-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1805502);中國(guó)工程院咨詢(xún)研究重大項(xiàng)目(2018-2D-CQ-2)

*責(zé)任作者, 教授, dzhang@cqu.edu.cn

蘇培興(1996-),男,浙江溫州人,重慶大學(xué)碩士研究生,主要研究方向水污染控制與資源化.