页岩气压裂返排液及排放废液的研究现状及微藻资源化处理应用前景综述

贺美, 邵波, 刘勇, 李鑫, 张定凯, 郑妙洁, 田磊



页岩气压裂返排液及排放废液的研究现状及微藻资源化处理应用前景综述

贺美1, 2, 邵波1, 刘勇1, 李鑫1, 张定凯1, 郑妙洁1, 田磊2, 3,*

1. 长江大学资源与环境学院, 武汉 430100 2. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学), 武汉 430100 3. 长江大学石油工程学院, 武汉 430100

在页岩气勘探开发的诸多环境问题中, 页岩气压裂返排液及排放废液污染问题表现尤为突出, 压裂返排液及排放废液组分的复杂性及性质的独特性决定了其处理难度大、费用高, 被普遍认为是最难处理的工业污水之一, 如何合理处置页岩气开发中产生的大量返排液及排放废液已成为页岩气规模化开发的重要瓶颈问题之一。文章综述了页岩气压裂返排液及排放废液的环境影响与风险及处理现状, 并针对压裂返排液及排放废液的水质特点, 讨论了相应的资源化应用前景。

页岩气; 压裂返排液; 压裂排放废液; 资源化; 无害化处理

1 前言

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源, 已成为全球油气资源开发的新亮点。但随着页岩气勘探的逐步推进, 诸多环境问题凸显, 引发了国际众多领域学者的质疑和讨论, 有的国家甚至因环保压力减缓了页岩气的开发进程。其中页岩气压裂返排液及排放废液污染问题表现尤为突出[1–3]。压裂返排液及排放废液的产生量巨大, 成分复杂多样, 富含重金属、芳香烃等多种有毒且致癌物, 其组分的复杂性及性质的独特性决定了其处理难度大、费用高, 被普遍认为是最难处理的工业污水之一[3–6]。如何合理有效处理页岩气开采过程中产生的压裂返排液及排放废液已成为页岩气规模化开发的瓶颈问题之一, 该污染问题必须得到妥善解决, 否则将对页岩气开发的长远发展造成不可估量的损失[6–7]。我国的页岩气勘探开发正处于起步阶段, 页岩气开发面临的环保压力要比发达国家要大, 应更加谨慎面对页岩气勘探开发中的环保问题[2]。

页岩气压裂返排液及排放废液呈现出盐度高、COD含量高、悬浮物含量高、硬度高、矿化度高、黏度大、含油量高等水质特点, 使得其处理难度大[2, 8]。海洋微藻种类繁多且繁殖迅速, 能够适应压裂返排液及排放废液的高盐度环境, 且能利用压裂返排液及排放废液中的高盐分、有机物、重金属等污染物作为营养物质生长繁殖, 具有较强净化压裂返排液及排放废液水质的潜力[9–14]。另一方面, 微藻具有光合效率高、油脂含量高、不与粮争地等特点, 是目前国际上发展最快、应用最广的环保型可再生能源—生物柴油最具可持续发展潜力的原料[15–16]。微藻生物柴油具有广阔的发展前景, 但遇到的最大困难在于用人工培养基进行微藻培养的成本过高, 成为了制约藻类生产油脂技术大规模工业化发展的主要瓶颈, 限制了微藻生物柴油的工业化大规模应用[17–18]。微藻生物柴油作为一种新型且再生能源面临着成本过高的问题, 而大量的压裂返排液及排放废液却得不到合理利用。压裂返排液及排放废液中含有多种丰富的营养物质, 基本能满足海洋微藻生长所需, 若能将压裂返排液及排放废液作为微藻培养基, 进行海洋富油微藻工业规模化养殖, 在净化水质的同时回收藻类, 提取微藻油脂, 将海洋富油微藻进行压裂返排液及排放废液净化处理与工业大规模生物柴油生产耦合, 实现页岩气压裂返排液及排放废液的资源化处理, 具有很高的应用价值及实际意义。

本文综述了页岩气压裂返排液及排放废液的环境影响与风险及处理现状, 并针对压裂返排液及排放废液的水质特点, 讨论了海洋富油微藻进行压裂返排液净化处理与工业大规模生物柴油生产耦合的可能性, 以及采用海洋富油微藻对页岩气压裂返排液及排放废液进行资源化处理的应用前景。

2 页岩气压裂返排液及排放废液的环境影响与风险

随着页岩气勘探开发的逐步推进, 诸多环境问题凸显, 其中页岩气压裂返排液及排放废液污染问题表现尤为突出。页岩气压裂作业过程中水资源消耗量大, 导致大量压裂返排液及排放废液的产生。压裂返排液及排放废液成分复杂, 富含多种有毒且致癌的物质, 若不进行妥善处理就直接排放或者回注, 将对水环境、土壤环境、生态系统和人群健康产生潜在的环境影响与风险[1–3, 6]。

2.1 压裂返排液及排放废液产生量非常巨大

页岩气储集层通常呈低孔、低渗特征, 气流阻力比常规天然气大, 生产能力低或无自然生产能力, 难开采, 因此所有的井都需要实施压裂改造才能开采。常用的压裂技术有重复压裂技术、水平井分段压裂技术以及同步压裂技术等。水平井分段压裂技术是目前美国页岩气快速发展最关键的技术, 而其中清水压裂技术以其低成本等优势具有广阔的发展前景。国内非常规油气的开采中, 水平井水力压裂技术也得到了广泛的应用, 特别是清水压裂技术, 有着很多非常成功的应用实例[19–20]。但清水压裂技术这种特殊的页岩气钻采开发技术中, 水资源消耗量非常巨大[21]。据估计, 页岩气开采用的水力压裂法, 压裂液中98%—99.5%为水和砂, 根据页岩构造的地质特性, 一次水力压裂作业可能需要大量的水耗。如美国Barnett页岩气水平井需14000—117000 m3·井–1的压裂液; Marcellus页岩气水平井需15000—34000 m3·井–1的压裂液; 四川长宁—威远国家级页岩示范区水平井约需20000 m3·井-1的压裂液, 由此每次水力压裂作业会导致大量的压裂返排液及排放废液产生[8, 22]。

2.2 压裂返排液及排放废液污染物组分的复杂性及危害

目前国内外页岩气水平井水力压裂技术中水基压裂液应用最为广泛。水基压裂液作为当前油气田开发最常用的压裂液, 由于添加剂对压裂液的性能影响非常大, 使得添加剂的种类很多, 主要由表面活性剂、稠化剂、交联剂、破胶剂、粘土稳定剂、助排剂、粘度稳定剂、pH调节剂和杀菌剂等750多种化学物质组成, 绝大多数都对人体具有毒害作用[1, 23–24]。其中, 25%的物质可能引发癌症, 37%的物质会破坏内分泌系统, 40%—50%的物质会影响人类的神经、免疫和循环系统, 75%以上的物质会影响人类的皮肤、眼睛和呼吸系统[23, 25–26]。除了压裂液添加剂中的有害化学物质, 压裂返排液及排放废液中也会含有随着压裂过程带出地层地下水中的一些有毒且致癌的芳香烃、高盐的固体、有毒金属、天然放射性物质(铀、钍、镭等)、石油类和细菌等, 具有可生化性差和难处理的特点[26–27]。总之, 页岩气压裂返排液及排放废液成分非常复杂, 矿化度也相对较高, 含有大量的重金属离子, 且压裂返排液及排放废液水量较大, 如果不慎在水力压裂过程中发生管道泄漏和喷溢, 或压裂返排液及排放废液在处理过程中因储运不当或遇暴雨等恶劣天气发生泄漏等, 不仅会造成河流、湖泊等地表水的严重污染, 且会通过压裂过程产生的岩石裂缝、岩石的天然断裂和缝隙等系统向上移动, 慢慢渗入蓄水层, 或通过破裂的气井套管或者附近的废弃管井泄漏到蓄水层, 污染地下水, 也会对附近的土壤造成不同程度的重金属富集等污染[27–28]。另外, 压裂返排液及排放废液一般在钻探场地或者运往污水处理厂进行无害化处理后, 再进行排放或者再利用。但传统的污水处理设备很难彻底清除压裂返排液及排放废液中的放射性元素、重金属、氯化物等有害物质, 处理后排放仍会污染河流和饮用水源[1, 29]。

3 页岩气压裂返排液及排放废液的水质特点及处理现状

我国蕴藏着丰富的页岩气资源, 开发潜力巨大, 但尚处于起步阶段, 应更加谨慎面对页岩气勘探开发中的环保问题, 否则将对页岩气开发的长远发展造成不可估量的损失。压裂返排液及排放废液的产生量大, 其组分的复杂性及性质的独特性决定了其处理难度大, 费用高, 目前尚未有合理有效处理压裂返排液及排放废液的方法[21, 30–31]。如何合理有效处理页岩气开采过程中产生的压裂返排液及排放废液已成为页岩气规模化开发的瓶颈问题之一[3]。为了页岩气的合理开发与可持续发展, 缓解页岩气开采区域的环境问题, 研究开发新的合理处置压裂返排液及排放废液的节能环保处理技术势在必行。

3.1 压裂返排液及排放废液的水质特点

页岩气开发不同于常规油气开发, 页岩气压裂返排液及排放废液成分复杂, 往往含有高浓度的稠化剂、交联剂、杀菌剂、pH调节剂等化学添加剂[23], 且压裂返排液及排放废液曾与地层接触, 往往同时含有硫酸盐还原菌、硫化物等, 总硫含量在20 mg·L–1左右, 氯离子及一些金属离子(钙、镁、钡、锶等)、有机物、固体杂质含量也相对较高[27], 另外还有来自气藏岩层的天然放射性物质等, 使压裂返排液及排放废液常呈现出盐度高、COD含量高、悬浮物含量高、硬度高、矿化度高、黏度大、含油量高等水质特点[3, 6]。压裂返排液及排放废液组分的复杂性及性质的独特性决定了其处理的难度大、费用高, 被普遍认为是最难处理的工业污水之一[4–5]。另外, 由于地质条件、施工工艺条件的差异与使用压裂液的不同所导致的压裂返排液及排放废液组成与性质上的较大差异, 也同样增加了压裂返排液及排放废液的处理难度[2, 8]。

3.2 压裂返排液及排放废液的处理方法与现状

压裂返排液及排放废液的水污染处理问题的妥善解决已成为影响页岩气产业开发的关键。为使压裂返排液及排放废液达到排放标准, 目前国内外主要利用物理、化学、生物等技术或通过组合工艺对压裂返排液及排放废液进行处理, 处理后的废液有以下几种处置方式[3–5, 32]: (1)深井灌注; (2)市政污水处理厂处理后外排; (3)现场或中心建厂处理后回用或外排。

3.2.1 物理处理法

该法主要是利用重力、离心力及过滤、稀释、固化、吸附等手段对压裂返排液及排放废液中的悬浮物进行分离或处理。近年来又兴起了膜分离法。(1)重力分离法: 该法主要是利用油水比重差异进行分离沉降, 分离效果与沉淀时间成正比, 目前主要利用重力沉降罐处理来达到油水分离。(2)离心分离法: 该法主要是利用油水的质量差在离心力场产生不同的离心力进行分离[5]。(3)固化法: 该法是利用一定的固化剂使压裂返排液及排放废液失稳脱水, 固化剂与压裂返排液及排放废液中的水发生剧烈的水化反应, 与有机物及固相颗粒交联絮凝, 形成固相—固化剂—水的水化絮凝体系。该法具有成本低, 可覆土还耕等优点, 但固化比较费时, 处理过程较为复杂[29, 32]。(4)吸附法: 该法是利用吸附剂与压裂返排液及排放废液相混合, 使其中一种或多种污染物被吸附在多孔物质表面而除去。该法具有一定的处理效果, 但需要前期进行复杂的预处理, 且需要与其他方法结合使用。万里平[33]等采用双氧水氧化与活性炭吸附的方法处理微电解预处理后的酸化压裂返排液及排放废液, COD去除效果良好。(5)膜分离法: 主要是利用膜的选择渗透性实现污染物的分离, 该法在实现分离过程中不会产生二次污染, 且适应性强, 但需要对压裂返排液及排放废液进行一定的预处理[5, 34–37]。

3.2.2 化学处理法

该法主要利用化学物质使压裂返排液及排放废液中的有机物、重金属等污染物发生分离、沉淀或氧化, 以降低返排液及排放废液中的污染物浓度。(1)中和法: 主要针对酸化的压裂返排液及排放废液, 通过在压裂返排液及排放废液中加入碱性物质与之发生中和反应, 有效去除悬浮物并减缓管道与设备的腐蚀[32]。(2)化学混凝法: 即在压裂返排液及排放废液中加入絮凝剂和助凝剂等, 使杂质、悬浮微粒沉降, 实现固液分离, 为目前水处理技术中重要的分离方法之一[38–39]。罗百春等合成了一种复合絮凝剂PCSSA, 对压裂返排液及排放废液的COD去除率为89.5—92.9%, 大大改善了压裂返排液及排放废液的水质[40]。(3)氧化还原法: 通过向返排液及排放废液中加入氧化剂、Fenton试剂等或进行光催化等, 将返排液及排放废液中的有机物、重金属等污染物去除的方法, 包括化学氧化法和深度氧化法[38, 41]。Liu等[42]采用化学氧化法对压裂返排液进行处理, 结果表明, 通过加入Cu—Cr催化剂使压裂返排液的COD去除率达到97%。该法虽能有效降低压裂返排液的COD值, 但是随着氧化剂与催化剂的加入常常会造成二次污染。深度氧化法是一种新兴技术, 能有效处理常规氧化法无法降解的有机污染物质, 目前国内外应用较多的深度氧化法主要有Fenton试剂氧化法、光化学和光催化氧化法和电化学法[5, 32]。周国娟等[43]采用Fenton氧化—絮凝处理方法对压裂废水进行回注处理研究。结果表明, 压裂废水处理后达到油田回注水的水质标准。深度氧化技术对难降解有机污染物具有较好的处理效果, 但成本较高, 由于压裂返排液及排放废液中污染物成分复杂, 深度氧化法对其他污染物组分如重金属等处理效果不佳。(4)微电解法: 主要是利用金属电极反应腐蚀原理的一种处理工艺, 在难降解废水的处理中得到了一定的研究和应用[5]。张爱涛等[44]人采用“Ca(OH)2破胶—微波絮凝—Fe/C微电解—微波H2O2氧化”对油田酸化压裂废水进行处理的微波辅助工艺是可行的, 废水色度、SS、COD值等水质指标均可达标排放, 处理后压裂废水可生化性得到了提高。该方法具有适用范围广、操作简单、成本低等特点, 但同时也存在着单一使用难以使返排液及排放废液处理达标等缺点, 因此在压裂返排液及排放废液的处理方面并未受到广泛的应用。

3.2.3 生物修复法

生物修复是80年代以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物工程技术, 是一切以利用生物为主体的治理技术, 它主要利用生物吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物, 使污染物的浓度降低到可接受的水平, 或将有毒有害的污染物转化为无害的物质, 也包括将污染物稳定化, 使废水得以净化的方法。包括微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类[4]。

微生物修复技术在处理页岩气压裂返排液及排放废液较为常见[1,3–4, 7]。该技术是利用微生物群对压裂返排液及排放废液中的污染物进行分解或利用, 使其转化为无机或无毒物质的方法, 包括好氧生物处理法与厌氧生物处理法两种[5]。常用的好氧生物处理法有活性污泥法与生物膜法。活性污泥法是利用活性污泥在有氧条件下吸附、氧化、降解废水中的污染物, 从而使废水得到净化。Lester等[45]研究了活性污泥对高矿化度(TDS)压裂返排液及排放废液净化的可行性。结果表明, 当TDS为1500 mg·L-1时, 反应10 h, 返排液及排放废液中COD去除率达90%以上, 但当TDS达到45000 mg·L-1时, 高浓度的TDS使微生物发生质壁分离或降低细胞活性, 对生物处理COD的效果有抑制作用。

从进口的角度看，目前主要的二铵进口国主要有15个，包括：印度、巴基斯坦等，2017年，这15个主要的二铵进口国的二铵进口总量为1138万吨，同比增长2%。主要的一铵进口国主要有11个，包括巴西、美国、澳大利亚等。2017年这11个国家的一铵进口量为808万吨，同比增长14%。

生物处理技术具有运行费用低、不产生二次污染等优点, 但因为压裂返排液及排放废液等油田污水成分复杂、水质变化大、可生化性差, 使生物处理法的处理效率往往不高, 在压裂返排液及排放废液中的应用尚有一定难度, 还需加强研究[1,4–5, 32]。

3.2.3 联合处理法

由于压裂返排液及排放废液组分的复杂性及性质的独特性, 在实际施工过程中采用一种方法对压裂返排液及排放废液进行处理很难达到国家返排排放要求, 因此常将几种方法联合起来对压裂返排液及排放废液进行处理。目前常用的压裂返排液及排放废液联合处理工艺主要有传统组合工艺、电解组合工艺、生化组合工艺三种[1,4–5, 8, 32], 具体为: 1)氧化—絮凝—过滤/吸附; 2)氧化—絮凝—电解—过滤/吸附; 3)氧化—絮凝—电解—过滤/吸附—生化。联合处理法效果虽较单一处理方法好, 但应用时工艺复杂、成本较高[4–5, 7]。

4 页岩气压裂返排液及排放废液的微藻资源化应用前景

目前, 污水再生利用是解决水环境污染与水资源短缺问题的重要途径。微藻在污水净化与再生利用方面具有一定的优势, 具有操作简单、不产生二次污染等优点, 一方面微藻对污水中的有机物、悬浮物、细菌、病毒等的去除率效果较好[9–10], 另一方面微藻也是非常重要的生物柴油原料。但微藻生物柴油人工培养基的成本较高, 且微藻大规模工业化生产生物柴油可能造成二次污染, 限制了微藻生物柴油的大规模工业化发展[15, 46]。若能利用压裂返排液及排放废液作为替代性微藻培养基, 规模化低成本养殖微藻, 将微藻进行压裂返排液及排放废液净化处理与工业大规模生物柴油生产耦合, 既可实现页岩气压裂返排液及排放废液的资源化处理, 又可为实现微藻生物柴油产业化提供可能。

4.1 微藻净化污水机理

微藻是广泛存在于大自然中的自养型微生物, 种类繁多且繁殖迅速, 在生长繁殖过程中, 在生长过程中能够利用N、P, 并且对重金属也有一定的去除效果, 对Zn、Hg、Cd等富集可达几千倍, 吸附作用强而净化效率高[14, 47]。净化机理主要表现在以下几个方面: (1)能够利用污水中的有机物、N、P等作为碳源、氮源与磷源, 通过微藻细胞中叶绿素进行光能自养, 完成细胞增殖并释放出氧, 对污水中有机物、N、P等均有较好的去除效果[48]; (2)会使污水的pH值增高, 改变污水的物理化学性质, 促进NH3的挥发及磷酸盐沉淀的形成, 达到脱磷除氮的效果[49]; (3)由于微藻的细胞壁及细胞膜上存在大量的脂质, 在生长繁殖过程中, 具有较强的富集有机物与重金属的能力, 通过微藻本身的代谢过程, 在富集有机物与重金属的同时进行代谢降解, 对有机物与重金属起到一定的净化效果, 是可应用于污水再生利用的重要工具[50]。

4.2 微藻净化污水应用现状

藻类净化污水的应用最先于20世纪50年代由美国的Oswald和Gotaas提出, 20世纪80年代, 随着生物技术的迅速发展, 利用藻类净化污水的研究越来越多, 取得了较大进展[14]。Oswald等于20世纪60年代提出高效藻类塘(HRAP)的理念, 利用菌藻共生原理, 通过藻类塘中的藻和细菌共同作用净化污废水。HRAP先后应用于德国、法国、新西兰、以色列、新加坡等国家, 对城市污水、猪舍高浓度有机污水、重金属污水等进行处理, 取得了良好的污水净化效果[13]。1971年, Mcgriff等将人工强化培养的高浓度藻类与活性污泥结合, 提出“活性藻”污水处理方法。“活性藻”技术在各类污水处理的应用结果表明, 该方法中藻类具有良好的絮凝沉淀性能, 去除氮、磷、有机物效果良好[10–11]。20世纪80年代后, 固定化藻技术在污水处理方面得到广泛的发展与应用。二形栅藻、嗜热高山星球藻、杜氏盐藻、斜生栅藻、四尾栅藻等采用吸附法和包埋法固定于栅板、中空纤维、藻酸盐胶球等, 对N、P、有机物、重金属污水进行处理, 取得了较好的污水净化效果, 处理负荷高[9, 12]。固定化技术近年来发展很快, 但受到生物反应器的制约, 在工程实践应用中仍存在很多问题。近年来光生物反应器也发展起来, 由于易于控制pH、光照等, 多用于单纯的藻类培养, 目前在市政与工业废水处理中应用较少[9, 47]。如何提高微藻对污废水中有机物、N、P及重金属等污染物的利用能力, 以提升微藻净化污水的能力, 还有待进一步深入研究。

4.3 微藻生物柴油研究现状及存在的问题

生物柴油, 是指以动物油脂、植物油脂、废餐饮油等生物体油脂作为主要原料, 通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料, 具有无毒、无害、可生物降解等良好的环境特性, 具有广阔的发展前景。生物柴油作为一种成功的替代型燃油, 已经在世界范围内迅速发展, 并成为国际上发展最快、应用最广的环保型可再生能源。

微藻作为生物柴油原料的研究始于20世纪60年代。与传统油料作物相比, 微藻具有环境适应能力强、生长周期短、不占用耕地、生物产量高等特点, 它的细胞含油量可达到传统油料作物的几倍乃至几十倍之多。二次世界大战期间, Harder等[47]提出通过培养大量硅藻来生产当时急需的脂肪, 此后利用藻类生产油脂方面的研究逐渐受到关注。目前利用藻类生产生物燃料至今已经研究了50多年。随着国际石油价格的一路上涨, 美国最早开展了利用藻类制备生物柴油的研发工作, 美国能源部于1978—1996年启动了藻类生物柴油水生物种计划(ASP), 该项目在能源微藻藻种筛选方面开展了大量的工作, 筛选出了300多株含油量高、生长速度快且具有极高应用前景的藻种, 分离高脂藻类用于室外开放塘培养, 并结合发电厂烟气对藻种进行大规模培养用于生产液体燃料, 但最终因为投资成本太高而被中止[51]。随着现代工业生物技术的发展, 经过微藻生物柴油的探索, 获得了较多高产油能力或抗菌能力强的产油微藻资源, 提高了微藻产油的效率[51–52]。20世纪90年代以来, 伴随着世界经济的快速发展, 石油需求量的不断增大, 及人们对能源短缺、水污染、全球变暖、环境恶化等问题的关注, 美国、澳大利亚、日本及非洲等许多国家又掀起了研究微藻生物柴油的热潮[17]。日本工业与国际贸易部资助了一项研究能源更新的项目, 主要研究通过微藻吸收火力发电厂排放的CO2, 利用微藻生产生物质能源。2009年1月7日, 美国大陆航空公司N76516号波音737—824型客机成功利用海藻提取物制取的生物柴油进行商业飞机生物燃料试验飞行[47, 53]。

我国研究微藻生物柴油的时间晚于西方发达国家, 但近年来也发展迅速, 并取得了一系列的成果, 尤其是螺旋藻的养殖发展非常迅速, 利用微藻生产生物柴油的研究取得了很大进展[54]。吴庆余等最早从事微藻制备油脂研究, 通过向小球藻培养基中添加葡萄糖进行异养培养来获得油脂[55]。海南绿地微藻生物科技公司成功利用CO2废气用于培育微藻生产生物柴油, 山东海洋工程研究院培育了高脂肪含量的富油微藻, 用于生产生物柴油[15]。中国科学研究院已与中国石油合作开发微藻生物柴油技术, 目前已完成户外中试, 计划将建成万吨级工业示范装置。武汉水生所、武汉植物园、青岛海洋所、南海海洋所等单位陆续开展了产油微藻的筛选、培育、扩大培养、收集以及油脂提取等相关研究工作, 并积极与石油化工企业合作, 试图开拓适合我国国情的大规模微藻生物柴油产业化道路[47, 55]。

微藻生物柴油实现产业化的必经发展之路是使微藻能大规模、高密度的培养。微藻养殖成本高昂及微藻大规模工业化生产生物柴油可能造成的二次污染是制约微藻生物柴油技术大规模工业化发展面临的主要瓶颈, 限制了微藻生物柴油的工业化大规模应用。在微藻工业化大规模培养以生产生物柴油过程中, 微藻所需要的N、P以及微量元素等各种营养物质成本在其总的生产成本中占有相当大的比例[15, 46]。因此, 找到合适的廉价培养基, 降低生产成本, 成为微藻生产生物柴油实现产业化的关键之一。若能利用各种污废水作为替代性微藻培养基, 规模化低成本养殖微藻, 可为实现微藻生物柴油产业化提供可能。目前已见栅藻、小球藻、布朗葡萄藻、杜氏盐藻等微藻利用市政污水、啤酒工业废水、页岩气压裂返排液中的污染物成分作为营养物质用于生产生物柴油的报道, 表明微藻利用污废水生产生物柴油是可行的[47, 55–57]。

4.5 微藻资源化处理压裂返排液及排放废液的应用前景

由于页岩气压裂返排液及排放废液盐度高、COD含量高、悬浮物含量高、硬度高、矿化度高、黏度大、含油量高等水质特点, 使得其处理难度大, 使之成为页岩气规模化开发的重要瓶颈问题[2, 8], 且压裂返排液及排放废液中的高盐分、有机物等营养物质得不到合理利用。海洋微藻种类繁多且繁殖迅速, 能够适应压裂返排液及排放废液的高盐度环境, 且能利用压裂返排液及排放废液中的高盐分、有机物、重金属等污染物作为营养物质生长繁殖, 具有较强净化压裂返排液及排放废液水质的潜力[9–14]。

微藻具有光合效率高、油脂含量高、不与粮争地等特点, 是目前国际上发展最快、应用最广的环保型可再生能源—生物柴油最具可持续发展潜力的原料。微藻生物柴油具有广阔的发展前景, 但遇到的最大困难在于用人工培养基进行微藻培养的成本过高, 成为了制约藻类生产油脂技术大规模工业化发展的主要瓶颈, 限制了微藻生物柴油的工业化大规模应用。微藻生物柴油作为一种新型且再生能源面临着成本过高的问题, 而大量的压裂返排液及排放废液却得不到合理利用。压裂返排液及排放废液中含有多种丰富的营养物质, 基本能满足海洋微藻生长所需, 若能将压裂返排液及排放废液作为微藻培养基, 进行海洋富油微藻工业规模化养殖, 在净化水质的同时回收藻类, 提取微藻油脂, 具有多方面的重要意义。其一, 压裂返排液及排放废液中富含矿物离子、有机物、重金属等多种污染物, 海洋微藻可利用这些污染物进行自身合成代谢, 对压裂返排液及排放废液起到一定的净化作用, 解决压裂返排液COD含量高、固体悬浮物含量高、重金属含量高、矿化度高等处理难题, 缓解压裂返排液大量排放对环境造成的压力, 降低压裂返排液处理所需的成本; 其二, 压裂返排液及排放废液中含有多种丰富的营养物质, 基本能满足海洋微藻生长所需, 利用压裂返排液进行海洋富油微藻工业规模化养殖, 解决微藻培养时人工配制培养基造成的成本过高的问题, 降低藻类养殖的成本, 为实现藻类的工业大规模化养殖奠定了基础。总之, 若能采用海洋微藻进行压裂返排液及排放废液净化处理与工业大规模生物柴油生产耦合, 可实现页岩气压裂返排液的资源化处理, 具有很高的应用价值及实际意义, 具有较好的应用前景。

5 结论与展望

页岩气压裂返排液及排放废液污染问题对于水资源的质与量都将带来较大的影响。压裂返排液及排放废液组分的复杂性及性质的独特性决定了其处理难度大、费用高, 合理处置压裂返排液及排放废液的节能环保处理技术是缓解页岩气开采区域的环境问题, 确保页岩气合理开发与可持续发展的关键。微藻资源化处理页岩气压裂返排液及排放废液可将废水处理与工业大规模生物柴油生产耦合, 成本低, 具有较好的应用价值与前景。

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Summary of the study on the fracturing flowback fluids and effluents and prospect of their microalgal resource treatments

HE Mei1,2, SHAO Bo1, LIU Yong1, LI Xin1, ZHANG Dingkai1, ZHENG Miaojie1, TIAN Lei2,3,*

1. School of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China 2. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan 430100, China 3. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China

A number of environmental issues have appeared in the exploration and development of Shale gas, especially the pollutions of the fracturing flowback fluids and effluents (FFE). FFE are difficult to dispose and the treatments are often expensive due to the complex compositions and the special characteristics, which are generally considered as one of the most difficult treated industrial sewages. How to treat the large amount of FFE has become a critical factor affecting the large-scale exploration and development of Shale gas. In this paper, the environmental impacts and risks as well as the treatment status of FFE were summarized. Additionally, the prospect of resourceful treatments for FFE was discussed in view of the water characteristics of FFE.

shale gas; fracturing flowback fluids; fracturing flowback effluents; resourceful treatment; biodiesel

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.026

X91

A

1008-8873(2018)05-195-08

2017-07-13;

2017-08-28

国家自然科学基金资助项目(41472124); 中国石油科技创新基金研究项目(2015D–5006–0210); 中国石油科技创新基金研究项目 (2016D–5007–0702); 湖北省自然科学基金(2016CFB178); 长江大学长江青年人才基金项目(2016cqr14); 长江大学大学生创新创业训练计划项目(2016008)

贺美(1984—), 女, 湖南衡阳人, 博士, 副教授, 从事水生态修复相关研究, E-mail: hemei-521@163.com

通信作者:田磊, 男, 博士, 副教授, 从事油田化学研究, E-mail: tianlei4665@163.com

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