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計有限公司）

煤層氣采出水產生于煤層氣勘探開發過程中，由于各氣田所處的氣藏地質、開采工藝和開采年限等不同，導致了煤層氣污水的水質水量各不相同[1]。煤層氣采出水主要是指通過排采設備排出的地下水，煤層氣采出水水量水質復雜，若采出水處理不當外排，將對環境產生不利的影響[2]。目前煤層氣開采所產出的污水經簡單沉淀后外排。而隨著煤層氣開采產生的水量逐漸增大，排水水質標準越來越嚴格，煤層氣采出水經過簡單處理后已無法滿足污水外排的水質指標；因此，有必要開發一種煤層氣采出水處理裝置，使得污水處理后可以達到污水外排的水質指標，達到國家和當地政府的環保標準，滿足污染物減量化的要求，改善環境，從而實現煤層氣產業高速、有序、和諧可持續發展[3]。

1 工藝選擇及流程

根據陜西省韓城某區塊煤層氣采出水水質特征，通過一系列的技術研究，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煤層氣采出水達標外排[4]。混凝沉降工藝可高效固液分離，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生部分氧化，改變水質的可生化性、溶解性和混凝性能，利于后續處理。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，可達到去除水中鐵、錳、砷等有害物質的目的[6]。

煤層氣采出水處理裝置（圖1），包括污水預處理單元、污水氧化反應單元、污水過濾單元。污水預處理單元包括調節池、絮凝沉降池，污水氧化反應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過濾裝置。

煤層氣采出水處理裝置中，污水預處理單元利用絮凝沉降的處理工藝實現對水中有機、無機污染物的去除。站外來水首先進入調節池進行水質、水量調節，調節池出水經提升泵提升進入管道混合器反應，在混合器進水管上投加混凝劑和絮凝劑[7]，經絮凝后進入沉淀池，去除懸浮物，沉淀池出水進入污水氧化反應單元。污水氧化反應單元中，臭氧氧化反應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的污染物進行吸附降解，從而保證出水水質達標。污水過濾單元中，利用多介質過濾對懸浮物進行處理，保證出水懸浮物水質達標。當處理后水質磷酸鹽超標時投加磷酸鹽去除劑，確保污水達標外排。由于來水水質不穩定，考慮當進水水質較好、污染物含量較低時，可超越污水氧化反應單元、污水過濾單元直接外排。實際運行時煤層氣采出水水質水量發生變化時，可根據運行過程中水質的變化對不同處理單元進行優化配置，從而達到相應的處理要求。

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：形成不同單元技術融合和一體化組合的模塊化污水處理系統，具有“短流程、高效、低耗”特點的水處理技術，避免相類似單元多次重復處理。裝置針對煤層氣采出水水質的多變性，實時檢測各個節點出水水質等參數，實現啟動、緊急切斷等功能，對水質波動的適應性強，裝置運行穩定。裝置采用撬裝式處理模式，設計不同水量配置的處理設備，并可移動于不同水量的井場，從而快速便捷地運輸達現場進行相關處理，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筑物建設，集成了多種污水處理技術于一體，可節省基建投資。運行管理簡單，自動控制，無需專職的運行維護人員；傳統模式中現場安裝的固定設備往往來自于不同的供貨廠家，因此一旦出現設備的質量問題，就會加大設備的管理和維護難度；但撬裝化設備的出現則完全避免了這個問題，一體化的設計提高了裝置運行的穩定性和可靠性，同時降低了設備維護的難度[8]。

3 節能措施

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，發掘煤層氣采出水處理過程中的節能潛力對整個煤層氣采出水處理具有重要意義。工程的節能從兩方面考慮：

1）工藝節能。優化工藝流程，優化工藝的各項參數，選用先進的煤層氣采出水處理工藝技術，選用高效生產運行設備。根據以上原則：合理布置各個處理單元的位置，優化工藝管線走向，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）電氣節能。選擇低損耗的節能型變壓器，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濟電流密度校驗其纜芯截面。選用節能型照明光源及高效照明燈具，如選用緊湊型節能熒光燈、細管節能熒光燈、金鹵燈、高頻感應燈。 在電氣元器件的選型上采用節能新產品，如選用低損耗元件，提高電壓質量等措施，對大功率的電氣設備配制變頻控制系統[10]。

4 應用效果

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運行，污水處理量為400 m3/d。對采樣的標本進行監測，水質數據結果表明（表1）：裝置處理后出水平均COD（化學需氧量）可降至31.2 mg/L，綜合去除率達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79%。在實際運行的半年期間，該裝置處理后的水質滿足陜西省質量技術監督局發布的DB 61/224—2011《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標準》規定的排水水質要求[11]。

表1 水質數據

通過對煤層氣采出水處理裝置的優化和控制，污水污染物總量明顯減少，取得了巨大的經濟效益和環保效益。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拉運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 結論

鑒于煤層氣采出水簡單處理直接外排的現狀，研制了一套切實可行的處理技術和煤層氣采出水處理裝置，具有非常現實的應用價值和社會效益。該裝置在陜西韓城煤層氣井場應用后，COD、懸浮物、磷酸鹽等污染物指標均符合陜西省質量技術監督局發布的DB 61/224—2011《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標準》規定的排水水質要求。煤層氣采出水處理技術的不斷探索，優化工藝流程，控制污水污染物的含量，取得了巨大的經濟效益和環保效益，為煤層氣采出水的處理提供了寶貴的實踐經驗。