利用生物预处理方法提高页岩气产出水的海水淡化性能：慢速砂滤与旋转生物接触器的对比研究

《Journal of Membrane Science》：Improving desalination performance for shale gas produced water using biological pretreatments: Comparison of slow sand filtration and rotating biological contactor

　　

李瑞 | 王军 | 朱晨珺瑞 | 阿延中森 | 常海青 | 曲方树

中国四川大学建筑与环境学院，深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室，成都610065

摘要

单一膜单元对页岩气生产水（SGPW）的淡化过程常常受到出水不稳定性和污染的制约。我们比较了慢速砂过滤（SSF）和旋转生物接触器（RBC）两种预处理方法在沉积物接种与活性污泥接种条件下的效果，并量化了它们对膜蒸馏（MD）和纳滤（NF）过程的影响。两种方法均去除率超过95%的NH₄⁺-N，但SSF在24天内即可稳定运行，而RBC则需要40天。SSF的UV₂₅₄值始终低于0.15 cm^-1，且对接种源不敏感；而RBC的UV₂₅₄值较高，同时总溶解固体（TDS）和荧光有机物含量也较高，沉积物接种有助于缓解这些问题。在最终30天内，沉积物接种的电解膜RBC（EMRBC）的中位UV₂₅₄值比传统RBC降低了33%。SSF在75%的回收率下保持了≥0.64的标准化MD通量，渗透液电导率为约2.0 μS/cm；而EMRBC的MD通量最高可达0.85，且其在沉积物接种条件下的通量始终高于活性污泥处理时。宏基因组分析表明，SSF有利于稳定的硝化菌群形成，而RBC则促进了群体感应和腺苷三磷酸结合盒转运蛋白途径的发育。较高的UV₂₅₄值和浊度与较低的MD/NF通量、较高的盐分透过率及较高的抗污染能力相关，这揭示了微生物性质与水质及处理性能之间的配置依赖性。因此，出水的稳定性和淡化效果取决于预处理方式及接种菌种，为SGPW的处理流程提供了理论依据。

引言

非常规页岩气开发的迅速扩展产生了大量页岩气生产水（SGPW），其特征是高盐度、高总溶解固体（TDS）以及复杂的有机污染物混合物[1]。为了缓解淡水短缺问题并减少页岩气开采对环境的影响[2],[3]，对SGPW进行处置和再利用变得越来越重要。基于膜的技术，尤其是膜蒸馏（MD）和纳滤（NF），因其高盐分排斥性和产水质量而备受青睐[4],[5]。然而，使用单一MD或NF装置处理SGPW时，由于芳香族化合物、荧光有机物、表面活性剂、胶体及微生物副产物的存在，会导致膜严重污染（或润湿），从而迅速降低通量并影响运行稳定性[6],[7]。

常用的物理化学预处理方法（如混凝[8]、吸附[9]、氧化[10]和过滤[11]）可用于减轻膜污染[12],[13]。混凝可以破坏胶体结构，但需要化学药剂并产生污泥[8]；吸附能去除芳香族有机物，但受处理容量和再生能力的限制[9]；氧化通过活性物种降解有机物，但通常需要高能耗或化学药剂，且可能产生副产物[10]；过滤虽能有效去除颗粒物质，但在高盐度条件下易发生污染[11]。这些方法对化学药剂依赖性强、会产生二次废物，并对水质变化敏感，从而限制了其在SGPW处理中的经济性和长期稳定性[14]。

相比之下，生物预处理提供了一种经济高效且适应性强 的方法，它通过预先转化有机污染物来减轻膜污染[15]。尽管存在强烈的渗透压应力，基于生物膜的系统仍能适应高盐度的SGPW及相关油气废水[16]。膜生物反应器（MBR）可在高盐度溶液中去除超过90%的挥发性有机化合物和多环芳烃[17]，而膜序批反应器（MSBR）在盐条件下可去除约80%的化学需氧量（COD）[18][19]；工程化微生物毡能够在TDS为90–100 g/L的高盐度溶液中降解有机物[20]。生物活性过滤（BAF）在TDS为10–18 g/L的条件下可实现高达80%的COD去除率和67–87%的溶解有机碳（DOC）去除率[20]；当与超滤（UF）或纳滤（NF）结合使用时，BAF处理SGPW（TDS 12–31 g/L）可实现对COD超过99%的去除率及约94%的TDS去除率，并降低污染[21]。然而，许多已报道的系统依赖于复杂的集成工艺或高强度操作，限制了其应对SGPW复杂水文条件和成分变化的适用性。

在最初几周的高回流率之后，生产水的日排放量降至2–8 m³/d，并持续了5–10年[22],[23]。在低流量和高盐度条件下，预处理系统必须保持稳定的有机物去除效果，同时操作简单且与下游膜淡化工艺兼容。慢速砂过滤（SSF）在低流量下具有较长的停留时间和缓冲能力[24]，而旋转生物接触器（RBC）通过旋转空气-水接触保持生物膜活性，从而提高氧气传递效率[25]。尽管这两种方法都可用于处理高盐度废水[26],[27]，但它们在高盐度和低流量条件下的相对稳定性和膜兼容性仍不明确，这给SGPW预处理方案的选择带来了不确定性。

因此，本研究系统评估了SSF和旋转RBC两种生物预处理方法对高盐度SGPW的处理效果及其对下游膜淡化过程的影响。研究目标包括：（1）比较SSF和RBC衍生系统的出水质量和性能；（2）研究RBC集成微滤膜中的污染行为；（3）评估预处理配置对MD和NF操作性的影响；（4）通过微生物群落结构和生物聚合物生成来解释观察到的性能差异；（5）分析微生物特性、出水质量与高盐度条件下下游膜淡化性能之间的关联。通过综合这些方面，本研究旨在建立生物预处理对膜性能影响的机制理解，为设计更有效的高盐度生产水处理策略提供依据。

节选内容

材料

SGPW采集自中国四川盆地的一个页岩气田（泸州），其盐度（TDS）为20.31 g/L，NH₄⁺-N含量为127.51 mg/L，UV₂₅₄值为0.177 cm^-1（详见支持信息SI）。SSF所使用的介质为颗粒活性炭（Calgon Carbon Corporation，苏州，中国）。活性污泥（混合液悬浮固体MLSS = 6,500 mg/L）来自分布式市政废水工程研究中心

SSF与RBC系统出水质量的比较

出水稳定性是评估高盐度条件下生物预处理效果的关键指标。如图1A所示，SSF出水快速稳定下来：NH₄⁺-N在约24小时内降至1.5 mg/L以下，并在此水平上保持稳定，即使进水浓度在60–120 mg/L之间波动。相比之下，RBC衍生系统则需要约40天才能达到稳定运行状态，期间NH₄⁺-N浓度波动较大

结论

本研究系统评估了SSF–MD/NF和RBC基预处理方法对高盐度SGPW的处理效果，包括出水稳定性、微生物特性及膜淡化性能。主要结论如下：

• (1)
  所有系统在达到稳定运行后，NH₄⁺-N浓度均降至约1–2 mg/L。不过，达到稳定运行和有机污染物控制所需的时间因预处理方式不同而有所差异。SSF迅速稳定（约24天），且UV₂₅₄值持续保持在0.15 cm^-1以下，EEM活性较弱

CRediT作者贡献声明

王军：数据可视化、调查、数据管理。李瑞：撰写——审稿与编辑、原始草案撰写、方法学设计、数据管理。阿延中森：指导、资源协调、概念构思。朱晨珺瑞：数据管理。曲方树：撰写——审稿与编辑、指导、调查。常海青：撰写——审稿与编辑、数据可视化、指导、调查、概念构思

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：52570009、52370082）和开放项目的联合支持。