膜技术应用于页岩油气废水处理领域的研究及现状

科罗拉多州立大学仝铁铮教授团队发表《可用于页岩油气废水的膜处理技术：当今的知识现状》，本文综述了膜技术在页岩油气废水处理领域的研究进展，系统分析了各技术的优点及限制因素，探讨了将膜技术从实验室转化为实际油气田应用的途径。

文章亮点

·页岩油气开采产生大量具有复杂成分的废水；

·膜技术近年来逐步应用于页岩油气废水的处理，成为环境工程的热门领域；

·适用的膜技术需要具有适应高盐度，且低能耗、抗污染等优点；

·预处理技术对于提高膜技术的处理效率至关重要；

·未来页岩油气废水处理的研究应致力于将现有膜技术实现中试以上的应用。

文章简介

非常规油气（或称页岩油气）开采在当前世界能源结构中占有越来越重要的地位。然而，页岩油气的开采需要消耗大量的淡水，同时产生大量高盐度废水。以美国为例，页岩油气开采在2005年至2014年间共消耗9400亿升淡水，并产生8030亿升废水。根据杜克大学的最新研究结果，页岩油气开采的耗水量和废水产量在2011年至2016年间均有大幅度的升高，最高涨幅分别达到770%和1440%。考虑到许多富含页岩油气的地区（包括美国和中国的油气田）位于干旱缺水区，页岩油气产业的发展正带给我们水污染和水资源短缺的双重挑战。

高效处理并回用页岩油气废水是提高页岩油气工业环境可持续性的有效手段。近年来，开发相关膜技术已经成为环境工程的热门领域。各种膜技术，包括微/超滤、纳滤、反渗透、正渗透、以及膜蒸馏，已被应用于页岩油气废水的处理。虽然膜技术在实验室尺度表现出良好的处理效果，其在页岩油气产区的实际应用还未有报道。因此，如何将膜技术实际应用于页岩油气工业成为目前亟需解决的问题之一。

本文综述了膜技术在页岩油气废水处理领域的研究进展，系统分析了各技术的优点及限制因素，探讨了将膜技术从实验室转化为实际油气田应用的途径。文章首先分析了页岩油气废水的水量和化学成分随时间变化的特性。一般来说，页岩油气废水的水量以及油类污染物和裂解液成分随时间逐渐下降，而盐分和地层成分随时间逐渐上升。这些特点对研发水处理技术具有重要的意义。首先，膜技术的模块化特性能够适应页岩油气废水的水量变化，成为膜技术应用于页岩油气废水处理的优势之一。其次，膜技术需要按照回用的水质要求有效去除页岩油气废水中的有害物质，并且能够抵抗废水的复杂成分可能造成的膜污染等问题。

页岩油气废水的高盐度是膜处理技术面临的主要问题。以水力压力作为驱动力的技术，如纳滤和反渗透，具有能耗低的优势。可是，这类技术的盐度限值较低，一般在70000 mg/L左右。而页岩油气废水的盐度可以高达390000 mg/L（美国中位值约90000 mg/L），远超于纳滤和反渗透能够承受的盐度。因此，开发能够适应高盐度，且能耗低的膜处理技术成为页岩油气废水处理目前的发展方向（图1）。文章指出正渗透和膜蒸馏是近年来的研发热点，能够在一定条件下满足以上两个特性，其中正渗透已有中试的示范工程，而膜蒸馏正逐渐被关注。这两项技术都能够耐受高盐度，将废水浓缩到接近结晶浓度。虽然绝对能耗要高于纳滤和反渗透，正渗透和膜蒸馏可以利用废热等低价值能源，从而有效减少水处理系统对电力的依赖，降低能耗费用。然而，这两项技术需要与机械蒸汽压缩（mechanical vapor compression）进行全面的对比，才能够客观评价其应用前景。

文章还强调了预处理对于膜技术处理页岩油气废水的重要性。由于之前的研发工作多基于膜技术本身，对预处理的研究较为缺乏。然而，预处理技术对于降低膜污染和去除特定污染物至关重要。软化、混凝、吸附、过滤等物理化学过程，以及生物活性滤池、微生物燃料电池-电容去离子联用等生物过程可以对页岩油气废水进行预处理。文章总结了近年来将这些预处理技术与膜技术结合并且应用于页岩油气废水处理的研究进展，指出继续开展更深入相关研究的必要性。

此外，文章还指出学术界应该与页岩油气生产企业密切结合，才能够实现将开发的膜技术商业化且解决实际水环境问题。目前的膜技术能够将页岩油气废水处理到较高水平，以满足各类废水回用的要求。可是，研究成果大多仅在实验室尺度实现，缺乏中试规模以上的应用示范。因此，未来页岩油气废水处理的研究不应只关注于开发更为先进的技术与膜材料，而应该致力于将现有的技术实现中试以上的应用，从而向页岩油气生产企业展示技术的效果和应用前景。

作者简介

仝铁铮博士，2008年本科毕业于北京师范大学环境工程专业，2010年硕士毕业于清华大学环境科学与工程专业，2015年博士毕业于美国西北大学（Northwestern University）土木与环境工程专业，于2015-2017年在美国耶鲁大学担任博士后研究员，师从美国工程院院士、中国工程院外籍院士Menachem Elimelech教授，现为美国科罗拉多州立大学土木与环境工程学院助理教授，曾获国家授予的优秀自费留学生奖及美国化学学会授予的环境化学研究生奖等奖项；以第一/通讯或者共同作者身份在Nature Communications., Energy Environ. Sci.,Environ.Sci. Technol., Wat. Res.和Journal of Membrane Science等高水平期刊上发表论文30余篇，现为Environ. Sci. Technol.等约30种国际期刊的独立审稿人。研究重点为提高水-能源-健康系统的可持续性，包括(1)新型膜材料、膜过程的设计和开发以及可持续供水系统; (2)纳米技术在环境领域的应用和影响; (3)废水处理过程的资源回收。