膜技術(shù)應(yīng)用于頁巖油氣廢水處理領(lǐng)域的研究及現(xiàn)狀

科羅拉多州立大學(xué)仝鐵錚教授團(tuán)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(fā)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(shù)：當(dāng)今的知識現(xiàn)狀（Membrane-based treatment of shale oil and gas wastewater: The current state of knowledge）》有以下亮點值得關(guān)注：

● 頁巖油氣開采產(chǎn)生大量具有復(fù)雜成分的廢水；

● 膜技術(shù)近年來逐步應(yīng)用于頁巖油氣廢水的處理，成為環(huán)境工程的熱門領(lǐng)域；

● 適用的膜技術(shù)需要具有適應(yīng)高鹽度，且低能耗、抗污染等優(yōu)點；

● 預(yù)處理技術(shù)對于提高膜技術(shù)的處理效率至關(guān)重要；

● 未來頁巖油氣廢水處理的研究應(yīng)致力于將現(xiàn)有膜技術(shù)實現(xiàn)中試以上的應(yīng)用。

非常規(guī)油氣（或稱頁巖油氣）開采在當(dāng)前世界能源結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生8030億升廢水。根據(jù)杜克大學(xué)的最新研究結(jié)果，頁巖油氣開采的耗水量和廢水產(chǎn)量在2011年至2016年間均有大幅度的升高，最高漲幅分別達(dá)到770%和1440%。考慮到許多富含頁巖油氣的地區(qū)（包括美國和中國的油氣田）位于干旱缺水區(qū)，頁巖油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正帶給我們水污染和水資源短缺的雙重挑戰(zhàn)。

高效處理并回用頁巖油氣廢水是提高頁巖油氣工業(yè)環(huán)境可持續(xù)性的有效手段。近年來，開發(fā)相關(guān)膜技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)境工程的熱門領(lǐng)域。各種膜技術(shù)，包括微/超濾、納濾、反滲透、正滲透以及膜蒸餾，已被應(yīng)用于頁巖油氣廢水的處理。雖然膜技術(shù)在實驗室尺度表現(xiàn)出良好的處理效果，其在頁巖油氣產(chǎn)區(qū)的實際應(yīng)用還未有報道。因此，如何將膜技術(shù)實際應(yīng)用于頁巖油氣工業(yè)成為目前亟需解決的問題之一。

本文綜述了膜技術(shù)在頁巖油氣廢水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展，系統(tǒng)分析了各技術(shù)的優(yōu)點及限制因素，探討了將膜技術(shù)從實驗室轉(zhuǎn)化為實際油氣田應(yīng)用的途徑。文章首先分析了頁巖油氣廢水的水量和化學(xué)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(fā)水處理技術(shù)具有重要的意義。

首先，膜技術(shù)的模塊化特性能夠適應(yīng)頁巖油氣廢水的水量變化，成為膜技術(shù)應(yīng)用于頁巖油氣廢水處理的優(yōu)勢之一。其次，膜技術(shù)需要按照回用的水質(zhì)要求有效去除頁巖油氣廢水中的有害物質(zhì)，并且能夠抵抗廢水的復(fù)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(shù)面臨的主要問題。以水力壓力作為驅(qū)動力的技術(shù)，如納濾和反滲透，具有能耗低的優(yōu)勢�？墒�，這類技術(shù)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(dá)39萬mg/L（美國中位值約9萬mg/L），遠(yuǎn)超于納濾和反滲透能夠承受的鹽度。因此，開發(fā)能夠適應(yīng)高鹽度，且能耗低的膜處理技術(shù)成為頁巖油氣廢水處理目前的發(fā)展方向（如下圖所示）。

圖  (A) 反滲透和機械蒸汽壓縮技術(shù)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(yīng)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(fā)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(guān)注。這兩項技術(shù)都能夠耐受高鹽度，將廢水濃縮到接近結(jié)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(tǒng)對電力的依賴，降低能耗費用。然而，這兩項技術(shù)需要與機械蒸汽壓縮（mechanical vapor compression）進(jìn)行全面的對比，才能夠客觀評價其應(yīng)用前景。

文章還強調(diào)了預(yù)處理對于膜技術(shù)處理頁巖油氣廢水的重要性。由于之前的研發(fā)工作多基于膜技術(shù)本身，對預(yù)處理的研究較為缺乏。然而，預(yù)處理技術(shù)對于降低膜污染和去除特定污染物至關(guān)重要。軟化、混凝、吸附、過濾等物理化學(xué)過程，以及生物活性濾池、微生物燃料電池-電容去離子聯(lián)用等生物過程可以對頁巖油氣廢水進(jìn)行預(yù)處理。文章總結(jié)了近年來將這些預(yù)處理技術(shù)與膜技術(shù)結(jié)合并且應(yīng)用于頁巖油氣廢水處理的研究進(jìn)展，指出繼續(xù)開展更深入相關(guān)研究的必要性。

此外，文章還指出學(xué)術(shù)界應(yīng)該與頁巖油氣生產(chǎn)企業(yè)密切結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)將開發(fā)的膜技術(shù)商業(yè)化且解決實際水環(huán)境問題。目前的膜技術(shù)能夠?qū)㈨搸r油氣廢水處理到較高水平，以滿足各類廢水回用的要求�？墒�，研究成果大多僅在實驗室尺度實現(xiàn)，缺乏中試規(guī)模以上的應(yīng)用示范。因此，未來頁巖油氣廢水處理的研究不應(yīng)只關(guān)注于開發(fā)更為先進(jìn)的技術(shù)與膜材料，而應(yīng)該致力于將現(xiàn)有的技術(shù)實現(xiàn)中試以上的應(yīng)用，從而向頁巖油氣生產(chǎn)企業(yè)展示技術(shù)的效果和應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：史聰