壓裂返排液處理規(guī)模效應(yīng)經(jīng)濟(jì)分析*

陳天欣 趙 靚 王紅娟 周 微 劉 源

(中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院)

0 引 言

在頁巖氣開采中的壓裂過程，需要消耗大量水用于配制壓裂液，其中含有酸、緩蝕劑、殺菌劑等添加劑用于強(qiáng)化壓裂過程，這些化合物含量僅占壓裂液的0.5%[1]。在最初一個月內(nèi)10%～70%的壓裂液會返回地面，被稱為壓裂返排液[2]，壓裂過程會將地下的礦物鹽溶解，隨著壓裂返排液達(dá)到地面。由于其中含有化學(xué)物質(zhì)，并且水量很大，壓裂返排液的處置費用很高，同時也存在較大環(huán)境風(fēng)險。

壓裂返排液的處置方式主要有3種：包括深井回注、處理回用和處理排放。目前，在國內(nèi)川渝地區(qū)，主要以處理回用和深井為主，但由于回注井距離較遠(yuǎn)，同時回用需求飽和，處理后排放會逐步形成趨勢。在美國頁巖氣開發(fā)區(qū)，每年共有(20.4～27.2)億t壓裂返排液，相當(dāng)于(64～87)億L壓裂返排液[3]。在美國，壓裂返排液通過脫鹽后進(jìn)行排放的費用約為$(0.013～0.13)/L，而回注處理成本在$(0.015～0.147)/kg[4]。雖然壓裂返排液處理上投入巨大，但在美國較為干旱區(qū)域，仍然導(dǎo)致了水安全問題[5]。國內(nèi)目前仍未形成壓裂返排液達(dá)標(biāo)排放的集中處理站，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已在討論制定中，為降低返排液投資和運行成本，應(yīng)在降低環(huán)境風(fēng)險的條件下，通過返排液總量估算和各水處理單元特點，對達(dá)標(biāo)排放集中處理站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

壓裂返排液處理外排的技術(shù)關(guān)鍵在于多種水處理單元的流程化設(shè)計和運行，包括軟化除硬、沉降過濾、納濾、離子交換、反滲透、機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)等多種工藝。不同于工業(yè)園區(qū)內(nèi)的廢水處理工程，頁巖氣壓裂返排液產(chǎn)生的分散性、水質(zhì)和水量的波動性給水處理設(shè)備的運行增加了成本。本文通過相似廢水處理工程的運行數(shù)據(jù)收集、模擬，初步探討了返排液達(dá)標(biāo)處理裝置適宜的設(shè)計規(guī)模和優(yōu)化運行。

1 主要工藝流程

壓裂返排液的回用處理工藝主要是通過沉降過濾等技術(shù)單元，去除返排液中懸浮顆粒、膠體、細(xì)菌等雜質(zhì)，以滿足回用于配制壓裂液。壓裂返排液的處理工藝流程一般是在回用處理流程的基礎(chǔ)上，以脫鹽單元為核心，配合使脫鹽單元穩(wěn)定運行的預(yù)處理工藝和保證最終出水的后處理工藝而形成的。整體工藝從順序上來說分為預(yù)處理、脫鹽處理、出水深度處理3個部分。預(yù)處理主要根據(jù)返排液水質(zhì)和脫鹽單元進(jìn)水水質(zhì)要求，一般通過預(yù)氧化、軟化、混凝/絮凝、固液分離、多介質(zhì)過濾、活性炭過濾、超濾等部分或全部單元，降低返排液中的懸浮物含量、膠體含量、溶解態(tài)成垢組分含量、石油類含量、有機(jī)質(zhì)含量等，使返排液經(jīng)處理后達(dá)到脫鹽單元進(jìn)水要求。脫鹽處理作為核心單元降低返排液中礦化度。而后處理的深度處理單元一般會添加除硼的離子樹脂，或去除氨氮的生化單元。處理工藝流程見圖1。

圖1 處理工藝流程分階段

2 成本模型及研究方法

壓裂返排液處理后的水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)目前并未統(tǒng)一，用于回用的壓裂返排液往往在回用處理后水質(zhì)要求由各壓裂液配液公司根據(jù)自身壓裂液特點自行把控，在實際操作中，如出現(xiàn)水質(zhì)不合格的情況，還會通過清水稀釋降低污染物濃度。而返排液處理后的排放標(biāo)準(zhǔn)，目前相關(guān)部門并未正式頒布，也還未形成相關(guān)工程。一般來說，處理單元的運行成本取決于污染物的去除量，其相關(guān)性往往是非線性的。在實際處理工藝方案中，根據(jù)處理技術(shù)、去除的污染物數(shù)量和種類、處理后水質(zhì)指標(biāo)將處理要求初步分為以下5個等級[6]。水處理等級見表1。

表1 水處理等級

對于每一個處理等級，可以通過模型大致確定其對應(yīng)的處理成本變化規(guī)律。單位處理量的設(shè)備運行和維護(hù)成本主要受原水水質(zhì)、設(shè)備規(guī)模和處理等級的影響。在假定返排液原水水質(zhì)不變，同時確定最終處理標(biāo)準(zhǔn)的情況下，則單位平均運行成本主要又受設(shè)備設(shè)計的處理規(guī)模影響。處理成本及處理規(guī)模關(guān)系，見圖2。

圖2 處理成本及處理規(guī)模關(guān)系

對于不同等級中，通過大量廢水處理廠區(qū)的數(shù)據(jù)收集，水處理設(shè)備的處理規(guī)模對平均成本的影響趨勢呈現(xiàn)圖2中的非線性趨勢。

圖2為處理規(guī)模和經(jīng)濟(jì)成本關(guān)系，處理成本均會隨著處理規(guī)模的增大而不斷降低，但減小的趨勢卻不斷縮小，而處理等級的提高會大幅度增加成本。

返排液處理設(shè)備運行成本主要包括折舊費、人力成本、動力費、藥劑費、設(shè)備維修及其他費用?？捎霉紺=N+W+P+S+M+R+Q表示，式中C為設(shè)施運行成本，N為管網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)成本；W為人員費用；P為動力費；M為維修費；R為藥劑費用；Q為其他費用[9]。但對于小型處理系統(tǒng)，本文所考慮的運行成本主要包含是包含能耗，藥劑、人員費用等，該類運行成本與處理規(guī)模呈現(xiàn)非線性關(guān)系，在實際廢水處理單元中運行與維護(hù)成本和單位處理量的關(guān)系簡化由方程yi=β1xiβ2+εi表示，其中yi為單位處理量的設(shè)備運行與維護(hù)成本，xi為裝置運行的設(shè)計處理規(guī)模，εi為誤差系數(shù)[6]。

壓裂返排液的處理成本主要包含外購原材、人工費用、能耗費用、設(shè)備維護(hù)和污泥處置等一系列費用，由于頁巖氣開采地域偏遠(yuǎn)，水質(zhì)特殊，且所需采用的處理工藝也更加完整，最終的處理成本相比于其他廢水處理可能更高。同時，由于缺乏壓裂返排液處理的工程數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確估算實際運行中的單位處理成本。所使用的多為相似處理工藝在成熟運行后的成本數(shù)據(jù)，或通過不同工藝段成本的組合所得。從圖2中可看出，雖然y軸的絕對成本無法準(zhǔn)確估算，但通過文獻(xiàn)及實際調(diào)研所獲得數(shù)據(jù)的模擬，所形成方程能夠推算出返排液處理成本較低的適宜處理規(guī)模，即曲線中變化平緩的處理規(guī)模范圍。

3 運行數(shù)據(jù)成本模擬

由于無法獲得返排液處理的實際成本數(shù)據(jù)，將返排液處理所涉及的主要技術(shù)單元單獨分析，壓裂返排液處理單元主要包括石灰蘇打軟化、混凝沉降、過濾及超濾、納濾和反滲透4個部分。通過實際數(shù)據(jù)調(diào)研或文獻(xiàn)分別計算4個部分的單位處理成本和處理規(guī)模的模擬公式。

返排液中成垢離子含量較高，需采用有效的除垢工藝，目前較為普遍的是應(yīng)用石灰蘇打法進(jìn)行軟化，其中運行與維護(hù)成本的模型參考Mc Givney & Kawamura對美國各污水處理廠相同工藝的統(tǒng)計研究[7]。而混凝沉降單元利用城市小型污水處理廠數(shù)據(jù)進(jìn)行類比，在城市污水處理工藝中混凝沉降所占比重比較大，來源于文獻(xiàn)中對西部山地中的污水處理廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計，與返排液處理環(huán)境相類似[8]。各處理單元運行評價成本數(shù)學(xué)模型見表2。

表2 各處理單元運行評價成本數(shù)學(xué)模型

根據(jù)工藝技術(shù)公式作圖完成單位處理成本和處理規(guī)模關(guān)系對比圖，雖然處理主體技術(shù)相同，但所引用的處理模型以國外數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，所計算的絕對成本以美元為基礎(chǔ)，由于具體環(huán)境、人力成本等差異，處理成本的絕對值對其參考價值并不大，但可從曲線了解成本隨處理規(guī)模的變化趨勢，所以y軸進(jìn)行了無刻度處理。其中石灰軟化和混凝沉降兩個需要大量加藥的單元在處理規(guī)模增大后，成本降低明顯，相較而言微濾、超濾、納濾、反滲透對于規(guī)模效應(yīng)并不敏感，規(guī)模的增大無法明顯提高經(jīng)濟(jì)效率。其主要原因在于石灰蘇打軟化和混凝沉降單元均為加藥過程，返排液處理量的增加直接導(dǎo)致所需藥劑用量增大，同時所產(chǎn)生污泥量也上升，成本對處理量更為敏感。而膜過濾系統(tǒng)主要推動進(jìn)行膜分離過程，其成本主要在于電能的消耗，能耗基本與處理量成正比，單位處理成本下降空間有限。在實際運行中，膜過濾所占成本比重遠(yuǎn)大于前段預(yù)處理，這也導(dǎo)致當(dāng)水處理廠在達(dá)到一定處理規(guī)模后，再繼續(xù)增大處理量，其規(guī)模效益不大[9-11]。

對各工藝單元成本模型中處理規(guī)模進(jìn)行求導(dǎo)，確定在相應(yīng)處理規(guī)模對單位處理成本的敏感性，結(jié)合返排液處理實際運行需求情況，設(shè)計處理規(guī)模達(dá)到400 m3/d以上。返排液膜過濾成本已經(jīng)基本保持不變，已經(jīng)到達(dá)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效果。對于完整處理流程中，反滲透及納濾在能耗上所占成本比重往往遠(yuǎn)高于前段預(yù)處理，所以在常規(guī)水處理工藝流程中，400 m3/d的處理規(guī)模能夠到達(dá)高經(jīng)濟(jì)效率的運行。

4 結(jié) 論

通過壓裂返排液處理各單元的規(guī)模經(jīng)濟(jì)曲線的分析，確定出了返排液處理系統(tǒng)較低低成本運行的最小規(guī)模，在實際運行中會結(jié)合頁巖氣開采區(qū)域地形環(huán)境，返排液產(chǎn)生總量等綜合因素考慮頁巖氣返排液處理系統(tǒng)的建設(shè)。由于返排液產(chǎn)生點較分散，可選擇通過管路輸送或罐車?yán)\后進(jìn)行集中處理，也可分散設(shè)立返排液處理裝置，但根據(jù)分析結(jié)果，處理裝置的最小規(guī)模應(yīng)不小于400 m3/d。

目前返排液處理仍然未形成成熟的運行工程，由于其前段預(yù)處理成本受實際運行環(huán)境的影響更大，頁巖氣開采區(qū)域的復(fù)雜性和水質(zhì)的多變形對軟化和混凝沉降單元成本沖擊更大，應(yīng)在現(xiàn)場試驗中進(jìn)一步驗證返排液處理裝置的經(jīng)濟(jì)效率。