煤层气采出水处理装置的研制

张杨（中国石化中原石油工程设计有限公司）

煤层气采出水产生于煤层气勘探开发过程中，由于各气田所处的气藏地质、开采工艺和开采年限等不同，导致了煤层气污水的水质水量各不相同[1]。煤层气采出水主要是指通过排采设备排出的地下水，煤层气采出水水量水质复杂，若采出水处理不当外排，将对环境产生不利的影响[2]。目前煤层气开采所产出的污水经简单沉淀后外排。而随着煤层气开采产生的水量逐渐增大，排水水质标准越来越严格，煤层气采出水经过简单处理后已无法满足污水外排的水质指标；因此，有必要开发一种煤层气采出水处理装置，使得污水处理后可以达到污水外排的水质指标，达到国家和当地政府的环保标准，满足污染物减量化的要求，改善环境，从而实现煤层气产业高速、有序、和谐可持续发展[3]。

1 工艺选择及流程

根据陕西省韩城某区块煤层气采出水水质特征，通过一系列的技术研究，筛选出煤层气采出水污染物去除工艺。

煤层气采出水处理装置需采用混凝沉降工艺、高级氧化工艺以及过滤工艺实现煤层气采出水达标外排[4]。混凝沉降工艺可高效固液分离，对石油类污染物、可凝聚有机物、重金属进行处理，可作为污水处理的预处理工艺[5]。高级氧化工艺中臭氧法利用臭氧使废水中的难降解有机物发生部分氧化，改变水质的可生化性、溶解性和混凝性能，利于后续处理。过滤工艺选择活性炭滤料、石英砂和无烟煤滤料，能有效地去除色度、臭味，可达到去除水中铁、锰、砷等有害物质的目的[6]。

煤层气采出水处理装置（图1），包括污水预处理单元、污水氧化反应单元、污水过滤单元。污水预处理单元包括调节池、絮凝沉降池，污水氧化反应单元由臭氧氧化装置组成，污水过滤单元包括按照过滤顺序连接的活性炭过滤装置和多介质过滤装置。

煤层气采出水处理装置中，污水预处理单元利用絮凝沉降的处理工艺实现对水中有机、无机污染物的去除。站外来水首先进入调节池进行水质、水量调节，调节池出水经提升泵提升进入管道混合器反应，在混合器进水管上投加混凝剂和絮凝剂[7]，经絮凝后进入沉淀池，去除悬浮物，沉淀池出水进入污水氧化反应单元。污水氧化反应单元中，臭氧氧化反应装置对采出水中难降解的有机污染物进行分解。污水过滤单元中，利用生物活性炭对处理后水质的污染物进行吸附降解，从而保证出水水质达标。污水过滤单元中，利用多介质过滤对悬浮物进行处理，保证出水悬浮物水质达标。当处理后水质磷酸盐超标时投加磷酸盐去除剂，确保污水达标外排。由于来水水质不稳定，考虑当进水水质较好、污染物含量较低时，可超越污水氧化反应单元、污水过滤单元直接外排。实际运行时煤层气采出水水质水量发生变化时，可根据运行过程中水质的变化对不同处理单元进行优化配置，从而达到相应的处理要求。

图1 煤层气采出水处理装置

2 装置的特点

煤层气采出水处理装置为撬装式处理装置，其特点如下：形成不同单元技术融合和一体化组合的模块化污水处理系统，具有“短流程、高效、低耗”特点的水处理技术，避免相类似单元多次重复处理。装置针对煤层气采出水水质的多变性，实时检测各个节点出水水质等参数，实现启动、紧急切断等功能，对水质波动的适应性强，装置运行稳定。装置采用撬装式处理模式，设计不同水量配置的处理设备，并可移动于不同水量的井场，从而快速便捷地运输达现场进行相关处理，满足不同需求，具有极高的灵活性。装置省去了污水处理各个阶段的构筑物建设，集成了多种污水处理技术于一体，可节省基建投资。运行管理简单，自动控制，无需专职的运行维护人员；传统模式中现场安装的固定设备往往来自于不同的供货厂家，因此一旦出现设备的质量问题，就会加大设备的管理和维护难度；但撬装化设备的出现则完全避免了这个问题，一体化的设计提高了装置运行的稳定性和可靠性，同时降低了设备维护的难度[8]。

3 节能措施

煤层气采出水处理装置的能耗影响煤层气采出水处理效果，因此，发掘煤层气采出水处理过程中的节能潜力对整个煤层气采出水处理具有重要意义。工程的节能从两方面考虑：

1）工艺节能。优化工艺流程，优化工艺的各项参数，选用先进的煤层气采出水处理工艺技术，选用高效生产运行设备。根据以上原则：合理布置各个处理单元的位置，优化工艺管线走向，减少不必要的弯头、阀门，以降低水流的沿程及局部阻力损失[9]；选择操作灵活、密封性能好的阀门产品，减少煤层气采出水的泄漏；选择高效率、低能耗的处理工艺，从源头减少能量消耗。

2）电气节能。选择低损耗的节能型变压器，提高变压器的运行效率。合理选择配电电缆，以减少电缆中的阻抗损耗，大电流的高压电缆按经济电流密度校验其缆芯截面。选用节能型照明光源及高效照明灯具，如选用紧凑型节能荧光灯、细管节能荧光灯、金卤灯、高频感应灯。 在电气元器件的选型上采用节能新产品，如选用低损耗元件，提高电压质量等措施，对大功率的电气设备配制变频控制系统[10]。

4 应用效果

煤层气采出水处理装置已在中石油煤层气公司某分公司正式投产运行，污水处理量为400 m3/d。对采样的标本进行监测，水质数据结果表明（表1）：装置处理后出水平均COD（化学需氧量）可降至31.2 mg/L，综合去除率达75%；出水平均悬浮物可降至7.6 mg/L，综合去除率为88%；出水平均磷酸盐降至0.35 mg/L，综合去除率达79%。在实际运行的半年期间，该装置处理后的水质满足陕西省质量技术监督局发布的DB 61/224—2011《黄河流域（陕西段）污水综合排放标准》规定的排水水质要求[11]。

表1 水质数据

通过对煤层气采出水处理装置的优化和控制，污水污染物总量明显减少，取得了巨大的经济效益和环保效益。煤层气采出水处理装置运行成本为3.09 元/m3，运行费用为45.11 万元/a。按照煤层气采出水汽车拉运交由地方污水处理厂处理的费用为26.5 元/m3计算，年处理费用为386.9 万元，煤层气采出水处理装置1年节约的水处理费用为341.79万元。随着排采水量的增加，将污水集中起来进行处理，可进一步降低污水处理成本。

5 结论

鉴于煤层气采出水简单处理直接外排的现状，研制了一套切实可行的处理技术和煤层气采出水处理装置，具有非常现实的应用价值和社会效益。该装置在陕西韩城煤层气井场应用后，COD、悬浮物、磷酸盐等污染物指标均符合陕西省质量技术监督局发布的DB 61/224—2011《黄河流域（陕西段）污水综合排放标准》规定的排水水质要求。煤层气采出水处理技术的不断探索，优化工艺流程，控制污水污染物的含量，取得了巨大的经济效益和环保效益，为煤层气采出水的处理提供了宝贵的实践经验。