页岩气是一种重要的非常规能源，典型的页岩气开发作业由3个阶段组成：钻探、水力压裂和返排。页岩气钻井废水主要产生于水基钻井过程，伴随有地层产出水、钻井平台冲洗废水等，废弃物组分复杂，COD高、含盐量高、可生化性较差难处理。页岩气井压裂后的返排液约占注入压裂液量的60%～80%。压裂返排液的组分取决于以下因素：压裂液配液水质、压裂液化学组成、储层地质化学组成、地层水水质以及返排液在地下和返排至地面的放置时间等。压裂返排液中众多添加剂的使用使其具有较高的COD、TDS、TSS，若直接外排，易对周围环境造成严重污染。
由于水力压裂过程耗水量大，势必会给页岩气田周边或区域带来严峻水资源挑战，需要提高压裂返排液回用效率并降低处理成本。页岩气开发废水中含有的化学添加剂、石油类、高价金属离子等会影响回用，所以需进行破胶脱稳对悬浮物和高价离子进行选择性去除。
本研究采用稳定性分析仪对化学絮凝、电絮凝等方法处理后的页岩气开发废水进行脱稳分析，通过不稳定指数、分离速度等指标进行表征，直观定量地说明不同方法对絮体形成状态的影响及分离过程。
1、页岩气开发废水脱稳实验
1.1 废水>
水样为西南地区不同页岩气开采现场的2种压裂返排液及1种钻井废水。压裂返排液样品A来自C区块，为初期返排压裂液呈微黄的微浊态;压裂返排液样品B来自W区块，部分压裂液为返排液经简单沉降后回用配置而成，样品B为经过反复压裂返排后的废水，呈灰黑色并有明显的悬浮物;钻井废水C来自N区块，为三开阶段产生的废水，水样为含油的悬浊液。
1.2 实验方法
实验采用的化学药剂有盐酸、氢氧化钠、聚合氯化铝(PAC，含量26%)，电絮凝实验装置为自制小试装置，能够自动曝气，可调节电流电压。预处理方法采用调酸曝气;脱稳方法采用化学絮凝和电絮凝，参数控制为投加不同浓度的聚合氯化铝，控制电絮凝反应时间和反应后的pH值。
分析设备为LUMiSizer611全功能稳定性分析仪，WGZ-1B便携式浊度仪。其中，全功能稳定性分析仪参数设置为：SOP(谱线数)=200条，采样间隔=5s，转速=500转/min，样品池为LUM-10mmPA管，形状近似为长方体。
2、页岩气开发废水脱稳结果分析
2.1 原水的稳定性
3种样品原水水质稳定特性如表1所示，稳定性图谱如图1所示。图谱中红线为检测前期采集的谱线，绿线为检测后期采集的谱线;纵坐标为透光率，横坐标为样品池内位置，左为样品池口，右为样品池底。谱线间隔越大说明透光率变化越大，透光率越高说明越清澈。综合图1和表1可知，脱稳难度由低到高顺序为：压裂返排液B(0.363)、钻井废水C(0.173)、压裂返排液A(0.061)。压裂返排液B和钻井废水C图谱均呈现出较明显的分离状态，前者为上层悬浮物下沉，后者的分离方式为上浮。
2.2 化学脱稳效果
3种水样中压裂返排液A在只投加絮凝剂PAC时，即产生了明显的絮凝效果，处理前后稳定特性如表2所示，稳定性图谱如图2所示。
由图2可知，加入PAC后发生分离水样达到了脱稳效果。2号和3号水样透光率在样品池底部呈现上升，说明有絮体上浮。随着PAC加药量增加，沉降速度变慢;2号和3号水样后期检测的谱线均越来越密，也说明分离速度变慢。由此可见，加入PAC后能实现脱稳，絮体呈部分上浮，增大加药量后能提高脱稳效果，但分离速度变慢。
针对压裂返排液A，3号处理方式即加入PAC1000mg/L能够达到较好的脱稳效果，不稳定性指数从0.061上升到0.649，但絮体较为松散且上浮，浊度达到0.7NTU。
2.3联合化学絮凝效果
对只投加化学絮凝剂絮凝效果不好的钻井废水C水样进行了调酸曝气预处理，之后进一步投加絮凝剂，产生了明显的絮凝脱稳效果，其处理前后的稳定特性如表3所示。
由表3可见，经过预处理联合化学絮凝处理后，钻井废水C的不稳定性指数明显上升，且会随PAC加量增加升高，由原水的0.173上升到0.917;当PAC加量为2000mg/L后再增加剂量，其不稳定性指数变化不大。钻井废水C预处理前后稳定性图谱如图3所示。可以看出，5号与4号相比，样品池底部峰减少且透光率上升，说明酸化能够使一些物质凝聚并上浮，且絮体主要为比水轻的油类物质;6号与5号相比，样品池底部峰变平滑，说明曝气促进了这种凝聚。
钻井废水C预处理后投加不同剂量絮凝剂，稳定性图谱如图4所示。由图4可知，随着PAC的增加，分离效果提高;第一条谱线前移，说明絮体增多;7～9号样品检测后期谱线均越来越密，说明分离速度变慢，絮体不均匀;随着加药量的增大，沉降速度下降。7号透光率在样品池底部呈现上升，说明仍有上浮，8号和9号透光率基本持平，均能保证絮体下沉。
综上所述，针对钻井废水C使用8号处理方式即酸化pH=3.5，再曝气1h，加入PAC2000mg/L，能够达到较好的脱稳效果，并使絮体沉降，不稳定性指数从原水的0.173上升到0.911，出水浊度降至8NTU。
2.4 联合电絮凝脱稳效果
压裂返排液B的pH值为6.5，不利于化学絮凝反应，所以在絮凝前将其pH值调节为8，其预处理前后稳定特性如表4所示。可以看出，压裂返排液B通过预处理联合电絮凝较直接化学絮凝产生了更明显的絮凝脱稳效果。
(1)不同预处理方式效果
将原水调节不同的pH值进行预处理，处理前后稳定性图谱如图5所示。由图5可知，11号和14号图谱左段波谷均消失，整体变平，说明pH值调为酸性和碱性均能使水质均质化;但调整原水pH=8后不稳定性由0.363降低至0.291，调至酸性并曝气后不稳定性指数上升到0.41，可见酸化曝气在均质的同时还提高了分离度。
(2)不同絮凝方式效果
稳定性图谱的波形越不平滑说明絮体结构越不均匀。压裂返排液C不同絮凝处理稳定性图谱如图6所示。由图6可知，直接化学絮凝(12号)和直接电絮凝(13号)比较，后者波形呈更为明显的齿状，说明直接电絮凝不能将水样均质。但电絮凝法通过加酸化曝气后(15号)实现了絮体的稳定分离和沉降，但沉降速度也有所降低。可见电絮凝对非均质的水样分离效果不佳，但通过酸化曝气将水样均质后再进行电絮凝，即可实现更为有效的脱稳效果。化学絮凝(12号)和酸化曝气电絮凝(15号)比较，后者谱图更规律，说明絮体大小均匀密实，沉降平均速度也更快。
3、结论
由稳定性图谱波形从多峰变为平滑的现象可知，调节pH值至酸性或碱性均可实现页岩气开发废水的均质，曝气能进一步促进凝聚，通过酸化曝气后的水样进一步絮凝时，稳定性图谱均呈现了更为规律的分离趋势。
化学絮凝可提高不稳定性指数，使浊度降低，并促进絮体下沉而不再上浮，但随着投加量的增加沉降速度也有所下降。此外，化学絮凝脱稳的适应性更好，对于均质和非均质废水均能实现有效的脱稳。电絮凝对非均质的水样分离效果不佳，但通过预处理将水样均质后再电絮凝，即可实现较化学絮凝更为快速的脱稳效果，不稳定性指数明显上升，絮体密实分离均匀，浊度也更低。(>
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