基于水质矩阵的石油压裂废水处理性评价 4页

第l1卷第5期安全与环境学报V01．11No．52011年10月JournalofSafetyandEnvironmentOct，2011文章编号：1009—6094(2011)05—0074．o42)以混凝沉淀后水为处理对象，进行臭氧催化氧化。臭氧投加量为0．5mg／mgCOD，催化剂为Mn，反应时间30min。基于水质矩阵的石油压裂3)以混凝沉淀后水为处理对象，进行静态吸附试验。吸废水处理性评价附介质为颗粒果壳活性炭(平均粒径1．0mm)，吸附时间30min。金鹏康，周立辉，杨毅，王晓昌4)以混凝沉淀后水为处理对象，将其pH值通过浓硫酸(1西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055；调整至1．0，进行Fe／C微电解。m(Fe)：m(c)为1：l，二者反2长庆油田油气工艺研究院，西安710021)应投加量均为5g／L。Fe采用平均粒径为0．5nlln的生铁粉，C采用平均粒径微1．0mm的颗粒果壳活性炭。反应5h后，摘要：结合石油压裂废水水质特征与评价指标及其污染物范围因用石灰中和并沉淀中间产物以得到最终处理水。子，建立了石油压裂废水的水质评价矩阵，表明石油压裂废水中的COD和黏度是影响其处理的主要污染因子。以混凝为预处理工艺，2水质矩阵与水质变换矩阵的概念分别采用臭氧催化氧化、吸附和Fe／C微电解等对压裂废水进行处理。20世纪80年代，Tambo等_6J提出了运用矩阵对污水中污结果表明，混凝预处理工艺可以有效去除水中的悬浮性污染物和石油染物的可处理性进行评价，并提出水质矩阵以及水质变换矩类物质，臭氧催化氧化和Fe／C微电解工艺不仅能有效去除水中的有机污染物，且能降低压裂废水的黏度。以国家污水综合排放标准和污阵的概念。水反应处理时问为约束条件，建立了石油压裂废水处理性评价矩阵，2．1水质矩阵指出压裂废水可采用的基本工艺为混凝、臭氧催化氧化组合处理工把水中污染物的存在状态与可处理性联系起来可以用3艺。方面表达：污染物的尺寸、污染物的化学特性、污染物的浓度。关键词：环境工程学；水质矩阵；压裂废水；处理性从这个角度出发，提出了图1所示的水质矩阵。一般常在表中图分类号：x74l文献标识码：A中将水质指标在纵向列出，横向列出污染物的分组因子，矩阵DOI：10．3969／j．issn．1009—6094．2011．05．016的元素用污染物的浓度表示，这就构成了水质矩阵。水质矩O引言阵中范围因子在横向通过适当的分类来显示；对于矩阵纵向的水质指标，应当选择那些能显示水中污染物的代表特性的压裂废水具有高COD值、高稳定性、高黏度等特点_1J，已综合指标，如TOC、COD等。成为当前油田水体污染源之一。基于压裂废水的高污染性以2．2水质变换矩阵及典型水质特点，目前的研究较多，可供选择的处理工艺也比水质变换矩阵是为不同的水处理工艺建立的，它的行、列较多l2。一种处理方法不能对废水中所有污染物的去除都与水质矩阵基本相同，但是元素是用去除率来表示的，代有效，而且，压裂废水中含有的污染物不同使其性质也存在差替了水质矩阵中的浓度C如果水中同种杂质的浓度相差异，而各种水处理工艺也都有其针对性。因此，要了解不同工很多，就会得到不同的去除率。在这种情况下，水质变换矩阵艺对一种污水的处理效果，以及对所含不同污染物的去除率应当把浓度影响因素也考虑在内，形成三维的水质变换矩阵，等问题，就需要结合一定的小型试验以及污水特性，对污水的见图2。可处理性进行评价。目前，关于水和废水的处理性评价方法很多，常用的方法在水质变换矩阵中，如果没有去除率则矩阵元素R诚为有专家评议法、核查表法、矩阵法、网络法、透明图重叠法、环0，在有去除率时为正值。如果在处理过程中有新的化合境指数法、模型模拟法等_5j。除了矩阵方法以外，其他评价方物产生，则矩阵中该元素为负值。另外，如果某种物质在处理法的典型缺陷是不能结合废水的水质特点和可利用的处理工前，水质矩阵中难以判断其处理效率，则应指出这种物质是从艺进行分析，不能提供特定水质的处理工艺。基于该原因，本哪几个矩阵元素得出的，再进行综合比较确定。如果R诚不文采用矩阵法对石油压裂废水的污染物的可处理性进行分析能由单独的成分决定，则应说明这个元素与其他物质的关系。评价，为石油压裂废水的实际处理工艺的确立提供理论依据。范围因子1试验方法在压裂废水处理性研究中，以混凝沉淀为基本工艺，处理后水分别进行臭氧催化氧化、活性炭吸附和Fe／C微电解处理，分析评价其处理性。各工艺操作条件如下。蜷1)混凝沉淀工艺中混凝剂为PAC1(聚合氯化铝)和PAM噬(聚丙烯酰胺)，投加量分别为100ms／L和5ms／L，沉淀时间为30mino*收稿日期：2011—01一l9作者简介：金鹏康，教授，博士，从事水和废水的物理化学处理技术研究，pkjin@hotmail．tom。图1水质矩阵基金项目：国家自然科学基金项目(50708088，50978211)Fig．1WaterquaU~matrix74n2011年10月金鹏康，等：基于水质矩阵的石油压裂废水处理性评价0ct．2011由表2可以看出，压裂废水不仅有机物和石油类污染物质质3水质矩阵的量化评价指标量浓度高，而且较其他废水而言，其黏度大。通常情况下，水用A表示目标，“表示评价因素，“为对的相对重在20℃的黏度约为1×10-Pa·S，而压裂水的黏度是水的2～要性数值(：1，2，3，⋯，n)，ulj的取值见表1。根据上述符3倍，这是压裂废水难于处理的主要问题所在。水的黏度越号的意义得判断矩阵P。大，流动性越差。因此，投加的化学药剂在压裂废水中很难扩散，传质作用缓慢，造成处理时间很长，而且影响处理效果l8J。4．2压裂废水水质矩阵中水质指标及范围因子的确定基于水质矩阵和水质变化矩阵的概念，对压裂废水建立水质矩阵，引人权重因子，以国家污水综合排放二级标准为约U22誓止㈩束条件评价影响水处理工艺的水质指标。利用水质矩阵的目的就是为了评价废水中污染物的分布情况，因此，矩阵纵向的水质指标应代表污水中的主要污染物，并对W=(一W，一W2，⋯，W)作归一化或正规化处理，确立和抑制反应的重要因素。本文选用的指标为SS、COD、黏度、色度、挥发酚。在陇东油田，这些污染物的排放浓度不能超过《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级排放指标(见表3)。由于黏度对压裂废水的处理过程影响非常大，在水质评4石油压裂废水评价体系的建立价的同时也将其列入其中，其评价的基准是常规水的黏度，即1．0×lf3Pa·s。4．1石油压裂废水水质特征4．3判断矩阵的建立对陇东油田的压裂废水多次现场取样分析，结果见表2。确定了评价因子后，比较表4所示各类污染物超出排放标准的倍数，根据倍数的大小确定其中任意两指标的相对重要性，结合表1的判断矩阵赋值，可得判断矩阵。ss石油色度COD黏度32911／33P=319(2)l／31／41439嗤由式(2)计算得到各指标的权重因●子(表4)。可以看出，权重最大的指标为COD，其、I●次Jll为fll黏●●●●度●●●、I石，油类污染物质。虽然黏度不是一个控制指标，{但；3由石于色其在压黏裂废水污染物中的特油度度殊性，黏度指标备受关注，其权重也相应较大_9J。5压裂废水处理工艺评价去除部分无效部分由表2可以看出，压裂废水的BOD／COD值小于0．3，说明图2水质变换矩阵其可生化性较差。因此，在压裂废水的处理技术方面，仅考虑Fig．2Waterqualitytransformationmatrix表1判断矩阵标度及其含义Table1Judgmentmatrixscaleandmeaning标度含义标度含义1表示因素u。与比较，具有同等重要性7表示因素与比较，比强烈重要3表示因素u。与比较，“。比稍微重要9表示因素“。与比较，比极端重要5表示因素u。与比较，比明显重要2、4、6、82、4、6、8分别表示相l临判断1～3、35、57、79的中值。表示因素u．与u，比较得判断u，则u，与比较得判断“=倒⋯数’’‘’1／u0表2压裂废水水质特点Table2Qualitycharacteristicsoffracturingwastewater75nV01．1lNo．5安全与环境学报第ll卷第5期物化和化学处理工艺。在现有的压裂废水处理工艺中，常用对式(3)和(4)进行解析，对于COD而言，几种工艺的去的物化方法有混凝、吸附，化学方法主要是氧化，其中最常用除效果从大到小依次为Fe／C、臭氧催化氧化、混凝、吸附；对的工艺有高级氧化和Fe／C微电解氧化lmJ。按照第1节的方黏度的降低方面，臭氧催化氧化和Fe／C基本相当，混凝对黏法进行试验，将试验结果按照处理效率进行统计分析与整理，度有微弱的降低趋势，而吸附几乎没有降黏作用。并以实际工艺处理时间为约束条件，参照水质矩阵及其水质由上述分析结果可以看出，Fe／C微电解和臭氧催化氧化判断矩阵的计算结果，建立表5所示的压裂废水可处理性变工艺的处理效果基本相当。但是，Fe／C微电解处理工艺的反换矩阵评价表。应速度很慢，需要5h，而且反应过程中需要用浓硫酸将pH值根据表'5，考虑混凝、臭氧催化氧化(矩阵中以氧化表调整至1，在实际应用中会存在一定的安全因素。二者相比示)、吸附和Fe／C微电解对压裂废水最大的两个权重因子较，臭氧催化氧化具有明显的优势。基于上述分析，压裂废水COD和黏度的去除情况，可以得到压裂废水中影响其处理性可采用的基本工艺为混凝、臭氧催化氧化。最为重要的两个指标COD和黏度的判断矩阵。COD去除矩6结论阵为混凝氧化吸附Fe／C本文通过对石油压裂废水的基本性质进行探讨，建立了，，11／721／9、混凝石油压裂废水处理性评价的水质矩阵。1)通过水质矩阵的建立以及权重因子分析，指出影响石P71／：／5㈦油压裂废水处理的主要污染因子为COD和水中黏度。9571／I／c2)压裂废水中的黏度可以通过臭氧催化氧化和Fe／C微黏度降低矩阵为电解处理工艺得到有效降低。混凝氧化吸附Fe／C3)针对压裂废水水质特征，研究了混凝、臭氧催化氧化、厂11／751／9、混凝吸附和Fe／C微电解4种处理工艺对其去除情况，其中混凝对水中的悬浮性污染物、石油类物质具有优良的去除效果；臭氧=P=1IlI17／511／66。11／79l吸⋯附．．c(4)催化氧化和Fe／C微电解可以有效降低水中的有机物质量浓979l／JEe／c度，但Fe／C微电解处理时间较长。4)结合水质矩阵和水质变化矩阵，并考虑到处理过程中表3污水综合排放二级标准的安全因素，压裂废水达到国家污水综合排放二级标准可采Table3Integratedwastewaterdischargestandard(class2)用的基本工艺为混凝和臭氧催化氧化。References(参考文献)：[1]WANGSong(王松)，CAOMingwei(曹明伟)，DINGtam．in(丁连表4废水中主要污染物权重分析民)，eta1．FracturingfuidwasteliquiddisposalbyusingnanometerTable4Weightsanalysisof~tlsinpollutantsinw~tewaterTiO2inHenanOilField【J]．DrillingFluidandCompletionFluld(钻井液与完井液)，2006，23(4)：65—68．[2]ZHONGXian(钟显)，ZHAOLizhi(赵立志)，YANGxu(杨旭)，eta1．Experimentalstudyofbiochemicaltreatmentoffracturingfluid]flSCOV-cry[J]．ChemicalEngineeringofOilandGas(石油与天然气化工)，2006，35(1)：70—72．[3]AHMADUNFR，PENDASHTEHA，ABDULLAHLc，cta1．Reviewoftechnologiesforoilandgasproducedwatertreatment[J]．JOurnalofHazard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reexpectedtobealeadingtreatmentprocessforoil-fracturingfluidsewage．*收稿日期：201l一0l～24Keywords：environmentalengineering；watermatrix；fracturingflu—作者简介：张秀霞，教授，从事石油污染土壤的修复技术研究，idwastewater；treatabilityzhxiuxia@upc．edu．all。CLCnunlbet：X741Documentcode：A基金项目：中国石油科技创新基金项目(2009D一5006—07—01)AcleID：10o9—6094(20l1)o5—0074—0477