题目：A novel strategy for simultaneous removal of hardness, suspended solids and organics from fracturing wastewater: Efficiency, mechanism and application

发表时间：2025年4月

第一作者：商亚博 博士研究生

通讯作者：金鹏康 教授

创新点：

●  开发了用于同时高效去除油气田压裂返排液中硬度、有机物和悬浮固体核晶造粒工艺，使得总硬、悬浮物和有机物的去除率分别达到了95.6%、90.1%和31.1%。

●  优化了核晶造粒的工艺条件，通过DFT计算及多尺度表征（XPS、SEM等）阐明了在高pH值条件下，钙、镁离子的共沉淀是去除有机物的主要机制。

●  专用晶种的存在提供了钙、镁离子核晶造粒的活性位点，经过酸洗烘干后可重复利用，并保持了高效的污染物去除率。

●  通过调整水力条件可促进核晶造粒体的密实化，并实现了悬浮物的同步包裹去除，较传统双碱法污泥量减少95%以上。

●  建立了三级串联的50 m³/h工程项目，长期运行验证了核晶造粒工艺系统的稳定性，为油气田压裂返排液的预处理提供了创新性方案。

图文摘要：

近年来，随着油气田开采深度的增加、地质的复杂性使得水力压裂技术被广泛应用。据统计，每次作业需要消耗约700-20000 m³的水，导致了大量压裂废水的产生，其中含有大量的有机物、总溶解性固体和悬浮物。除此之外，在一些压裂废水中可能会存在不同浓度的重金属离子和天然放射性物质。因此，压裂废水必须经过严格处理后才能排入地表水中，否则会对人体健康及自然环境造成危害。就地处理后再利用是一种常用且比较经济可行的方法，不仅能解决作业用水量大的问题，同时避免了水的远距离运输问题，尤其在沟壑丛生的西北偏远地区。然而，压裂废水中的硬度（主要是钙、镁离子）、SS和有机物会影响压裂液的配置，不利于压裂过程。而传统的化学沉淀法会产生大量的含水污泥，需要结合污泥浓缩、脱水和调节等后续处置系统，工艺冗长且占地面积大，不利于压裂废水的就地处理与回用。

针对压裂废水中硬度、有机物和SS的同步去除。本研究引入了一种创新的核晶造粒（NCP）工艺，用于高效处理压裂废水。通过在设备中预先引入具有活性位点的专用晶种，投加Na₂CO₃和NaOH，使得三级串联的NCP系统对总硬度的去除率达到95.6%，对TSS的去除率达到90.1%，对COD的去除率达到31.1%，并使得出水硬度由8000 mg/L左右降至300 mg/L以下。通过表征分析，最终Ca²⁺和Mg²⁺以CaCO₃、Mg(OH)₂和Mg_0.03Ca_0.97CO₃附着于专用晶种上（图1）。蛋白质类化合物、芳香族蛋白质类化合物和腐殖酸类物质等有机物通过共沉淀和表面络合作用去除（图2），而SS则由于体积作用力附着在颗粒表面。专用晶种在三个重复使用周期内表现稳定，证实了种子的稳定性、效率和可重复性（图3）。与此同时，开发了一体化设备，并建立了50 m³/h的三级串联示范工程，连续运行120 h后证明出水水质稳定，处理过程中形成的致密颗粒（约1.2毫米）无需额外处理（图4）。DFT计算表明，废水中的有机物可通过H键和π-π堆积等相互作用与Ca/Mg离子形成稳定的“Ca/Mg-有机物”（ΔG < 0），加入Na₂CO₃/NaOH后，Ca/Mg离子在晶种表面沉淀为CaCO₃、Mg(OH)₂和Mg_0.03Ca_0.97CO₃。同时有机物被共沉淀去除，SS被包裹去除（图5）。这项研究为解决压裂废水就地处理提供了一种创新、持续的解决方案，并为NCP技术的工业化应用提供了参考范例。

图1 三级串联的核晶造粒系统对污染物的去除效率

图2 NCP系统对有机物的去除

图3 专用晶种的稳定性

图4 三级串联的50 m³/hNCP处理系统

图5 NCP系统同步去除污染物的机理

原文信息：