煤層氣采出水處理裝置的研制

張楊（中國石化中原石油工程設(shè)計有限公司）

煤層氣采出水產(chǎn)生于煤層氣勘探開發(fā)過程中，由于各氣田所處的氣藏地質(zhì)、開采工藝和開采年限等不同，導(dǎo)致了煤層氣污水的水質(zhì)水量各不相同[1]。煤層氣采出水主要是指通過排采設(shè)備排出的地下水，煤層氣采出水水量水質(zhì)復(fù)雜，若采出水處理不當(dāng)外排，將對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響[2]。目前煤層氣開采所產(chǎn)出的污水經(jīng)簡單沉淀后外排。而隨著煤層氣開采產(chǎn)生的水量逐漸增大，排水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，煤層氣采出水經(jīng)過簡單處理后已無法滿足污水外排的水質(zhì)指標(biāo)；因此，有必要開發(fā)一種煤層氣采出水處理裝置，使得污水處理后可以達(dá)到污水外排的水質(zhì)指標(biāo)，達(dá)到國家和當(dāng)?shù)卣沫h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，滿足污染物減量化的要求，改善環(huán)境，從而實現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)高速、有序、和諧可持續(xù)發(fā)展[3]。

1 工藝選擇及流程

根據(jù)陜西省韓城某區(qū)塊煤層氣采出水水質(zhì)特征，通過一系列的技術(shù)研究，篩選出煤層氣采出水污染物去除工藝。

煤層氣采出水處理裝置需采用混凝沉降工藝、高級氧化工藝以及過濾工藝實現(xiàn)煤層氣采出水達(dá)標(biāo)外排[4]?；炷两倒に嚳筛咝Ч桃悍蛛x，對石油類污染物、可凝聚有機物、重金屬進行處理，可作為污水處理的預(yù)處理工藝[5]。高級氧化工藝中臭氧法利用臭氧使廢水中的難降解有機物發(fā)生部分氧化，改變水質(zhì)的可生化性、溶解性和混凝性能，利于后續(xù)處理。過濾工藝選擇活性炭濾料、石英砂和無煙煤濾料，能有效地去除色度、臭味，可達(dá)到去除水中鐵、錳、砷等有害物質(zhì)的目的[6]。

煤層氣采出水處理裝置（圖1），包括污水預(yù)處理單元、污水氧化反應(yīng)單元、污水過濾單元。污水預(yù)處理單元包括調(diào)節(jié)池、絮凝沉降池，污水氧化反應(yīng)單元由臭氧氧化裝置組成，污水過濾單元包括按照過濾順序連接的活性炭過濾裝置和多介質(zhì)過濾裝置。

煤層氣采出水處理裝置中，污水預(yù)處理單元利用絮凝沉降的處理工藝實現(xiàn)對水中有機、無機污染物的去除。站外來水首先進入調(diào)節(jié)池進行水質(zhì)、水量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)池出水經(jīng)提升泵提升進入管道混合器反應(yīng)，在混合器進水管上投加混凝劑和絮凝劑[7]，經(jīng)絮凝后進入沉淀池，去除懸浮物，沉淀池出水進入污水氧化反應(yīng)單元。污水氧化反應(yīng)單元中，臭氧氧化反應(yīng)裝置對采出水中難降解的有機污染物進行分解。污水過濾單元中，利用生物活性炭對處理后水質(zhì)的污染物進行吸附降解，從而保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。污水過濾單元中，利用多介質(zhì)過濾對懸浮物進行處理，保證出水懸浮物水質(zhì)達(dá)標(biāo)。當(dāng)處理后水質(zhì)磷酸鹽超標(biāo)時投加磷酸鹽去除劑，確保污水達(dá)標(biāo)外排。由于來水水質(zhì)不穩(wěn)定，考慮當(dāng)進水水質(zhì)較好、污染物含量較低時，可超越污水氧化反應(yīng)單元、污水過濾單元直接外排。實際運行時煤層氣采出水水質(zhì)水量發(fā)生變化時，可根據(jù)運行過程中水質(zhì)的變化對不同處理單元進行優(yōu)化配置，從而達(dá)到相應(yīng)的處理要求。

圖1 煤層氣采出水處理裝置

2 裝置的特點

煤層氣采出水處理裝置為撬裝式處理裝置，其特點如下：形成不同單元技術(shù)融合和一體化組合的模塊化污水處理系統(tǒng)，具有“短流程、高效、低耗”特點的水處理技術(shù)，避免相類似單元多次重復(fù)處理。裝置針對煤層氣采出水水質(zhì)的多變性，實時檢測各個節(jié)點出水水質(zhì)等參數(shù)，實現(xiàn)啟動、緊急切斷等功能，對水質(zhì)波動的適應(yīng)性強，裝置運行穩(wěn)定。裝置采用撬裝式處理模式，設(shè)計不同水量配置的處理設(shè)備，并可移動于不同水量的井場，從而快速便捷地運輸達(dá)現(xiàn)場進行相關(guān)處理，滿足不同需求，具有極高的靈活性。裝置省去了污水處理各個階段的構(gòu)筑物建設(shè)，集成了多種污水處理技術(shù)于一體，可節(jié)省基建投資。運行管理簡單，自動控制，無需專職的運行維護人員；傳統(tǒng)模式中現(xiàn)場安裝的固定設(shè)備往往來自于不同的供貨廠家，因此一旦出現(xiàn)設(shè)備的質(zhì)量問題，就會加大設(shè)備的管理和維護難度；但撬裝化設(shè)備的出現(xiàn)則完全避免了這個問題，一體化的設(shè)計提高了裝置運行的穩(wěn)定性和可靠性，同時降低了設(shè)備維護的難度[8]。

3 節(jié)能措施

煤層氣采出水處理裝置的能耗影響煤層氣采出水處理效果，因此，發(fā)掘煤層氣采出水處理過程中的節(jié)能潛力對整個煤層氣采出水處理具有重要意義。工程的節(jié)能從兩方面考慮：

1）工藝節(jié)能。優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化工藝的各項參數(shù)，選用先進的煤層氣采出水處理工藝技術(shù)，選用高效生產(chǎn)運行設(shè)備。根據(jù)以上原則：合理布置各個處理單元的位置，優(yōu)化工藝管線走向，減少不必要的彎頭、閥門，以降低水流的沿程及局部阻力損失[9]；選擇操作靈活、密封性能好的閥門產(chǎn)品，減少煤層氣采出水的泄漏；選擇高效率、低能耗的處理工藝，從源頭減少能量消耗。

2）電氣節(jié)能。選擇低損耗的節(jié)能型變壓器，提高變壓器的運行效率。合理選擇配電電纜，以減少電纜中的阻抗損耗，大電流的高壓電纜按經(jīng)濟電流密度校驗其纜芯截面。選用節(jié)能型照明光源及高效照明燈具，如選用緊湊型節(jié)能熒光燈、細(xì)管節(jié)能熒光燈、金鹵燈、高頻感應(yīng)燈。 在電氣元器件的選型上采用節(jié)能新產(chǎn)品，如選用低損耗元件，提高電壓質(zhì)量等措施，對大功率的電氣設(shè)備配制變頻控制系統(tǒng)[10]。

4 應(yīng)用效果

煤層氣采出水處理裝置已在中石油煤層氣公司某分公司正式投產(chǎn)運行，污水處理量為400 m3/d。對采樣的標(biāo)本進行監(jiān)測，水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果表明（表1）：裝置處理后出水平均COD（化學(xué)需氧量）可降至31.2 mg/L，綜合去除率達(dá)75%；出水平均懸浮物可降至7.6 mg/L，綜合去除率為88%；出水平均磷酸鹽降至0.35 mg/L，綜合去除率達(dá)79%。在實際運行的半年期間，該裝置處理后的水質(zhì)滿足陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB 61/224—2011《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的排水水質(zhì)要求[11]。

表1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

通過對煤層氣采出水處理裝置的優(yōu)化和控制，污水污染物總量明顯減少，取得了巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。煤層氣采出水處理裝置運行成本為3.09 元/m3，運行費用為45.11 萬元/a。按照煤層氣采出水汽車?yán)\交由地方污水處理廠處理的費用為26.5 元/m3計算，年處理費用為386.9 萬元，煤層氣采出水處理裝置1年節(jié)約的水處理費用為341.79萬元。隨著排采水量的增加，將污水集中起來進行處理，可進一步降低污水處理成本。

5 結(jié)論

鑒于煤層氣采出水簡單處理直接外排的現(xiàn)狀，研制了一套切實可行的處理技術(shù)和煤層氣采出水處理裝置，具有非?，F(xiàn)實的應(yīng)用價值和社會效益。該裝置在陜西韓城煤層氣井場應(yīng)用后，COD、懸浮物、磷酸鹽等污染物指標(biāo)均符合陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB 61/224—2011《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的排水水質(zhì)要求。煤層氣采出水處理技術(shù)的不斷探索，優(yōu)化工藝流程，控制污水污染物的含量，取得了巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，為煤層氣采出水的處理提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。