环境管理_美国页岩气开发对水资源的挑战

美国页岩气开发对水资源的挑战 李琪琳莱斯大学土木与环境工程系July22 2013 页岩气将成为美国天然气主要来源 页岩气 致密气 美国干气开发万亿立方英尺 非伴生海上天然气 非伴生陆上天然气 石油伴生气 煤层气 水力压裂过程中水的生命周期 对水资源的影响 水量问题 水力压裂的耗水量 Bakken1 15000m3 fracture Haynesville2 22000m3 fracture Marcellus2 22000m3 fracture Niobrara2 12500m3 fracture Barnett2 18500m3 fracture EagleFord2 22000m3 fracture 1 NationalEnergyTechnologyLaboratoryWinter2011Newsletter2 EPAHydraulicFracturingStudyTechnicalWorkshop 4 WaterResourceManagement March2011 All 水资源总需求 美国 中国 EstimatedbasedondataintheInternationalGasUnionfactsheet Estimatedbasedon2011frackingactivitiesinU S recordedbyfracfocusandEIA 665万亿ft3 世界 0 005升a或0 0189升b水 立方英尺页岩气 水资源是地区性问题 DatafromNicot J P andB R Scanlon ES T 2012 USGS Ceresreprot SmallerScale 回收 消耗 水资源的流失 美国 中国 12 6亿立方米 世界 15 30 回收率 太湖44亿立方米水资源2000万人口 页岩气开采区的水资源问题 页岩气开采加剧水资源短缺 德州水资源冲突 与其它用水大户之间的竞争关系农业市政威胁生态用水 Carrizo WilcoxAquifer WSJ NYT crwr utexas edu 页岩气开采对水量影响 总结 大量水资源的永久性损失地区性的水资源短缺短期内大量人口流入造成对水资源的额外需求 对水资源的影响 水质问题 返排液与产出水 2013SouthwestFloridaWaterResourceConferenceProceedingsTheInstituteforEnergyandEnvironmentalResearchforNorthernPennsylvania 裂解液体系 裂解液中水占85 以上的质量使用的水资源 地表水 地下水 淡水和苦咸水 和回用的产出水 一种典型的裂解液体系 Fracfocus 返排液和产出水 关注的组分 页岩气生产中的水资源管理 法律法规 美国环保局法规 禁止油气行业直接排放污水40CFRPart435大规模水力压裂生产出现时间较短 因此未被包含在上述法规当中NPDES许可证制度仍然有效计划在2014年推出新的法规州政府是额外地方性法规制定的主体 water epa gov 地方性法规 宾西法尼亚 无效回灌没有额外的地方性法规全州只有3口II级回灌井可供商业使用排放由于缺乏处置场所 公司必须采取减源战略 最大化回用比例只有在以下情况下可以进行排放持有NPDES许可证污水经过集中式污水处理厂处理污水月平均指标小于以下标准500mg L总盐度250mg L总氯10mg L钡10mg L锶符合规定 NewSourcePerformanceStandards PennsylvaniaCODE 95 10 地方性法规 德克萨斯 德克萨斯的地方法规一贯对油气行业比较友好 然而由于近期干旱引起的水资源短缺 其态度可能发生转变 droughtmonitor unl edu Rahmetal 2011 地方性法规 纽约 nyagainstfracking org 页岩气开采中的水资源管理 处置 处理和回用 处置 处理 回用 处置仅需要很少处理 需要大量的运输成本和承担一定的责任风险 需要相应的处置场所区域性集中式处理减少淡水需求 需要前期规划 资金投入和运输成本原位处理和回用减少淡水需求 不需要运输 处理技术必须小型化 模块化 并适用于各种流量 处理需求 基本分离油水分离和颗粒物去除脱盐淡化去除结垢离子和总盐度微生物防治防止大量生物膜形成和酸化放射性物质去除去除放射性物质 返排液表征 epa gov 单位均为mg L 各页岩气产区产出水总盐度 50 000 140 000 10 000 20 000 40 000 280 000 110 000 10 000 35 000 单位均为mg L 压裂返排液水量水质趋势 epa gov 返排回收率 0306090120 100 75 50 25 0 PercentRecovered 返排时间 天 总盐度mg L 总盐度mg L 水力压裂后的天数 水力压裂后的天数 基本分离技术 ModifiedfromSPEwhitepaper ChallengesinReusingProducedWater 基本分离技术 分离原油及悬浮颗粒 可作为后续处理的前处理步骤技术成熟 介质过滤 气浮 水力涡旋 aqwatec mines edu 脱盐技术 水资源回收率 0 20 000 60 000 40 000 100 000 80 000 120 000 Solubility IX 98 NF 75 90 MSF 10 20 MED 20 35 RO 30 60 MVC 98 toZLD aqwatec mines edu 总盐度 mg L CDI 80 脱盐技术 能耗比较 aqwatec mines edu 机械蒸汽压缩技术 机械蒸汽压缩技术 优势 经过中试 发展中的技术可处理高盐度废水 80 000mg L能源需求在可控范围内 1 3KWh bbl水资源回收率在60 90 取决于水质 不足 对操作人员要求较高更适用于大容量集中式处理场所需要前处理和后处理包括去除悬浮颗粒和有机物 及矿物质添加 aqwatec mines edu 膜蒸馏技术 K 水蒸气 真空 回收的纯净水 浓盐水 有机化学物质的混合物 防水膜 膜蒸馏技术 优势 无需加压技术所需温差适度 并且部分可从高温返排液获得可利用低质热能总盐度上限可达70 000mg L水资源回收率在60 到95 之间 不足 表面活性剂必须在预处理中去除以防止污染所用憎水性膜不能去除比水更易挥发的物质 i e BTEX 该技术的小型化仍在发展当中 其更适用于集中式水处理场所 aqwatec mines edu 电渗析技术 电渗析 原料液 淡水 浓盐水 阴极 阳极 电渗析技术 优势 成熟技术 并正在改良以适应页岩气生产污水处理前处理只需杀菌水资源回收率在80 90 不足 不能去除不带电物质出水需要添加矿物质操作复杂 更适用于集中式水处理场所进水总盐度不能超过8 000mg l aqwatec mines edu 电容式脱盐技术 CDI netl doe gov 处理过的水 阴极 阳极 污水 盐 硝酸盐 氨 砷 金属 电容式脱盐技术 优势 小型化 便于运输 适用于分散型原位处理热力学极限小于反渗透技术有选择性去除结垢离子的潜力水资源回收率可达80 不足 现有设备的经济性脱盐上限仅有3 000mg L不能去除电中性物质 aqwatec mines edu 电容式脱盐技术 CDI 能耗 苦咸水RO 海水RO 热力学 微生物燃料电池 电容式脱盐联用技MFC CDI 莱斯大学研究成果 污水综合处理脱盐系统 污水 干净的脱盐水 电容去离子 微生物防治技术 物理过程 紫外灭菌技术成熟技术没有总盐度限制需要前处理去除浊度水力涡凹技术膜处理技术 化学过程 二氧化氯和臭氧可以用空气和亚氯酸钠就地生成减少化学品运输和储存次氯酸盐杀菌剂 噬菌体微生物防治技术 莱斯大学研究成果 防止H2S引起的酸化 腐蚀 以及FeS2引起的阻塞优势可自我复制 低成本 持续时间长可穿透 降解生物膜 增强传输 包裹 通过特定指标 比如MOI局部浓度增加 控制释放 并能锁定目标绿色技术 技术路线 分离富集polyvalent broad host range 广谱噬菌体用于预防和治理油气田 CourtesyofDr PedroAlvarez RiceUniversity 有 左 没有 右 噬菌体 有 左 没有 右 噬菌体 FeS CourtesyofDr PedroAlvarez RiceUniversity 噬菌体微生物防治技术 莱斯大学研究成果 放射性物质去除 主要是镭 226和228 也包括铀 钍和铅 210 存在于管道矿物质水垢 污泥 被污染的器械 返排液和产出水中 潜在的工作场所危害 许多脱盐技术都可以同时去除放射性物质反渗透和纳滤膜技术热处理技术膜蒸馏技术 aqwatec mines edu Touretal 2013 利用氧化石墨烯去除天然放射性物质 莱斯大学研究成果 成本比较 反渗透技