基于LCA的压裂返排液膜集成工艺碳足迹分析和环境影响评价

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-2123

化工进展 ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (12): 7105-7114.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2023-2123

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基于LCA的压裂返排液膜集成工艺碳足迹分析和环境影响评价

徐冰¹(), 张倩¹, 吴欢欢¹(), 邵光艺¹, 田淑雯¹, 柴文明², 张鸣², 姚宏¹()

^1.北京交通大学环境学院，智慧环境联合研究中心，水中典型污染物控制与水质保障北京市重点实验室，智能交通绿色低碳技术教育部工程研究中心，北京 100044
^2.内蒙古理隆水务有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000

收稿日期:2023-12-01 修回日期:2024-01-28 出版日期:2024-12-15 发布日期:2025-01-11
通讯作者: 吴欢欢,姚宏
作者简介:徐冰（2000—），男，硕士研究生，研究方向为环境工程。E-mail：490013696@qq.com。
基金资助:
中央高校基本科研业务费(2023JBMC025);国家自然科学基金(22008005)

Carbon footprint analysis and environmental impact assessment of integrated membrane process for fracturing flowback fluid based on LCA

XU Bing¹(), ZHANG Qian¹, WU Huanhuan¹(), SHAO Guangyi¹, TIAN Shuwen¹, CHAI Wenming², ZHANG Ming², YAO Hong¹()

^1.School of Environment, Beijing Jiaotong University, Research Center of Smart Environment Joint, Beijing Key Laboratory of Aqueous Typical Pollutants Control and Water Quality Safeguard, Engineering Research Center of Clean and Low-carbon Technology for Intelligent Transportation, Ministry of Education, Beijing 100044, China
^2.Inner Mongolia Lilong Water Co. , Ltd. , Ordos 017000, Inner Mongolia, China

Received:2023-12-01 Revised:2024-01-28 Online:2024-12-15 Published:2025-01-11
Contact: WU Huanhuan, YAO Hong

摘要/Abstract

摘要：

页岩气从水力压裂开采过程中产生的压裂返排液具有污染物种类复杂、总溶解性固体和重金属浓度高等特点。我国“双碳”目标的提出促使压裂返排液处理技术亟需低碳减排转型。膜分离技术作为一种节能减排关键低碳技术之一，可减少工业领域90%的能耗。本研究基于“预处理-管式超滤-纳滤-电渗析-反渗透-机械蒸汽再压缩”膜集成工艺处理压裂返排液，采用全生命周期评价对其物耗、能耗、碳足迹及环境影响评价进行分析，结果表明：该集成处理工艺的碳足迹为86.7kg CO₂ eq；对于温室效应影响类别，预处理、管式超滤膜、机械蒸汽再压缩的碳足迹贡献为90.7%，其原因是预处理阶段所投加的大量药剂以及管式超滤膜和机械蒸汽再压缩系统高频率运行所消耗的大量电能。针对温室效应指标及其他典型指标，其影响因素敏感性大小为：电力>碳酸钠药剂>氢氧化钠药剂，因此管式超滤膜和机械蒸汽再压缩系统的合理高效运行可节约电力损耗，保证该系统的低碳高效运行。本研究明确了预处理、管式超滤、机械蒸汽再压缩单元是压裂返排液处理工艺应重点关注的减污降碳环节。

关键词: 压裂返排液, 膜, 废水, 环境, 生命周期评价, 碳足迹

Abstract:

The fracturing flowback fluid produced during the hydraulic fracturing process of shale gas has the characteristics of complex composition of pollutants, high concentration of total dissolved solids and heavy metals. The "dual carbon" target has prompted the fracturing flowback fluid treatment industry to urgently transform its carbon emission reduction. Membrane technology, as one of the key low-carbon technologies for energy conservation and emission reduction, has the potential to reduce industrial energy consumption by up to 90%. This study focused on the integrated membrane process of "pretreatment-tubular ultrafiltration-nanofiltration-electrodialysis-reverse osmosis-mechanical vapor recompression" for treating the fracturing flowback fluid, and conducted a comprehensive life cycle assessment (LCA) and analysis of each treatment process from the perspectives of pollution reduction and carbon reduction. The results revealed that the carbon footprint of the integrated membrane treatment process amounted to 86.7kgCO₂eq. In terms of the global warming impact category, the carbon footprint contribution of pretreatment, tubular ultrafiltration membrane and mechanical vapor recompression was 90.7%, which was primarily attributed to reagents utilized in the pretreatment process while substantial electricity consumption was resuled from high-frequency operation of the processes. For the greenhouse effect and other typical indicators, the sensitivity of influencing factors was as follows: electricity > sodium carbonate > sodium hydroxide. Therefore, reasonable and efficient operation of the equipment could save energy loss and ensure low-carbon operation. This study clarified that pretreatment, tubular ultrafiltration and mechanical vapor recompression process were the keys of pollution and carbon reduction that should be focused on for the treatment of fracturing flowback fluid.

Key words: fracturing flowback fluid, membranes, waste water, environment, life cycle assessment (LCA), carbon footprint

中图分类号:

X741

徐冰, 张倩, 吴欢欢, 邵光艺, 田淑雯, 柴文明, 张鸣, 姚宏. 基于LCA的压裂返排液膜集成工艺碳足迹分析和环境影响评价[J]. 化工进展, 2024, 43(12): 7105-7114.

XU Bing, ZHANG Qian, WU Huanhuan, SHAO Guangyi, TIAN Shuwen, CHAI Wenming, ZHANG Ming, YAO Hong. Carbon footprint analysis and environmental impact assessment of integrated membrane process for fracturing flowback fluid based on LCA[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(12): 7105-7114.

图/表 12

图1 工艺碳排放强度

图2 传统与现代工艺去除单位COD碳排放量

图3 压裂返排液处理工艺系统边界

表1 1000kg压裂返排液处理工艺流程的生命周期清单

处理环节	参数	单位	数值
预处理	氢氧化钠	kg	1.05
	碳酸钠	kg	10
	次氯酸钠	kg	0.33
管式超滤	原水	kg	1000
管式超滤	电能	kW·h	30
纳滤	管式超滤膜产水	kg	1000
纳滤	电能	kW·h	5.13
电渗析	纳滤膜产水	kg	940
电渗析	电能	kW·h	2.2
反渗透	电渗析膜产水	kg	688.33
	冷凝水	kg	275
	电能	kW·h	1.25
机械蒸汽再压缩	纳滤膜浓水	kg	60
	电渗析膜浓水	kg	251.67
	电能	kW·h	34.9

图4 各个处理技术的碳足迹占比

表2 LCA环境影响特征化分析结果

影响类别	预处理	管式超滤	纳滤	电渗析	反渗透	机械蒸汽再压缩
温室效应（CO₂ eq）/kg	35.60000	31.30000	5.37000	2.30000	1.31000	53.40000
平流层臭氧消耗（CFC₁₁ eq）/kg	0	0	0	0	0	0.00001
电离辐射（Co-60 eq）/kBq	0.90000	0.47800	0.08190	0.03510	0.01990	0.58300
臭氧人体损害（NO _x eq）/kg	0.03940	0.08690	0.01490	0.00640	0.00360	0.10400
细颗粒物生成（PM_2.5 eq）/kg	0.02990	0.04770	0.00820	0.00350	0.00200	0.05670
臭氧陆地生态毒性（NO _x eq）/kg	0.04050	0.08710	0.01490	0.00640	0.00360	0.10400
陆地酸化（SO₂ eq）/kg	0.07370	0.10700	0.01820	0.00780	0.00440	0.12600
淡水富营养化（P eq）/kg	0.00920	0.00580	0.00100	0.00040	0.00020	0.05640
海洋富营养化（N eq）/kg	0.00900	0.00040	0.00010	0	0	0.01930
陆地生态毒性（1,4-DCB）/kg	59.20000	17.10000	2.94000	1.26000	0.71700	21.10000
淡水生态毒性（1,4-DCB）/kg	0.72400	0.30500	0.05300	0.02260	0.01320	10.30000
海洋生态毒性（1,4-DCB）/kg	0.96500	0.42300	0.07340	0.03130	0.01820	13.50000
人体致癌毒性（1,4-DCB）/kg	0.87400	0.95300	0.16300	0.07000	0.03980	1.48000
人体非致癌毒性（1,4-DCB）/kg	15.50000	13.90000	2.39000	1.02000	0.58500	229.00000
土地占用（crop eq）/m²·a	0.52400	0.36500	0.06250	0.02680	0.01520	0.45500
矿产资源消耗（Cu eq）/kg	0.02340	0.00940	0.00160	0.00070	0.00040	0.01190
化石资源消耗（oil eq）/kg	9.19000	6.09000	1.04000	0.44700	0.25300	7.25000
水稀缺/m³	0.26000	0.07750	0.01330	0.00570	0.00320	0.09740

图5 中间点特征化结果

表3 LCA环境影响标准化结果

影响类别	预处理	管式超滤	纳滤	电渗析	反渗透	机械蒸汽再压缩	总值
温室效应	0.00445	0.00391	0.00067	0.00029	0.00016	0.00455	0.01403
平流层臭氧消耗	0.00020	0.00011	0.00002	0.00001	0	0.00013	0.00047
电离辐射	0.00187	0.00100	0.00017	0.00007	0.00004	0.00116	0.00431
臭氧人体损害	0.00192	0.00422	0.00072	0.00031	0.00018	0.00491	0.01226
细颗粒物生成	0.00117	0.00187	0.00032	0.00014	0.00008	0.00217	0.00575
臭氧陆地生态毒性	0.00228	0.00490	0.00084	0.00036	0.00020	0.00570	0.01428
陆地酸化	0.00180	0.00260	0.00045	0.00019	0.00011	0.00302	0.00817
淡水富营养化	0.01420	0.00888	0.00152	0.00065	0.00037	0.01030	0.03592
海洋富营养化	0.00196	0.00008	0.00001	0.00001	0	0.00009	0.00215
陆地生态毒性	0.00389	0.00113	0.00019	0.00008	0.00005	0.00131	0.00665
淡水生态毒性	0.02870	0.01210	0.00211	0.00090	0.00052	0.01400	0.05833
海洋生态毒性	0.02220	0.00972	0.00169	0.00072	0.00042	0.01130	0.04605
人体致癌毒性	0.08490	0.09260	0.01590	0.00680	0.00386	0.10800	0.31206
人体非致癌毒性	0.00050	0.00044	0.00008	0.00003	0.00002	0.00052	0.00159
土地占用	0.00008	0.00006	0.00001	0	0	0.00007	0.00022
矿产资源消耗	0	0	0	0	0	0	0
化石资源消耗	0.00937	0.00621	0.00106	0.00046	0.00026	0.00723	0.02459
水稀缺	0.00098	0.00029	0.00005	0.00002	0.00001	0.00034	0.00169

图6 处理各阶段标准化结果

图7 各处理环节对总体环境影响的贡献

表4 不同因子变动±10%下的敏感性系数

指标因子	敏感性系数\| $E i j$ \|
指标因子	人体致癌毒性	温室效应	化石资源消耗	淡水富营养化	海洋生态毒性	淡水生态毒性
电力	0.652	0.592	0.615	0.193	0.069	0.065
碳酸钠	0.215	0.099	0.132	0.060	0.062	0.062
氢氧化钠	0.026	0.011	0.014	0.010	0.006	0.065

表4 不同因子变动±10%下的敏感性系数

指标因子	敏感性系数\| $E i j$ \|
指标因子	人体致癌毒性	温室效应	化石资源消耗	淡水富营养化	海洋生态毒性	淡水生态毒性
电力	0.652	0.592	0.615	0.193	0.069	0.065
碳酸钠	0.215	0.099	0.132	0.060	0.062	0.062
氢氧化钠	0.026	0.011	0.014	0.010	0.006	0.065

图8 压裂返排液处理过程关键因素敏感性分析结果

参考文献 21

1	董沅武, 荣家洛, 李晓煜, 等. 碳中和愿景下页岩气压裂返排液处理技术思考[J]. 油田化学, 2023, 40(3): 534-542.
	DONG Yuanwu, RONG Jialuo, LI Xiaoyu, et al. Thinking on shale gas fracturing flowback fluid treatment technology under carbon neutral vision[J]. Oilfield Chemistry, 2023, 40(3): 534-542, 570.
2	于志龙, 陈滢, 刘敏. 页岩气废水处理技术研究进展[J]. 化工进展, 2020, 39(11): 4589-4599.
	YU Zhilong, CHEN Ying, LIU Min. Research progress in treatment technology for shale gas wastewater[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2020, 39(11): 4589-4599.
3	成浩. 油田压裂返排液处理工艺的有关探讨[J]. 清洗世界, 2023, 39(6): 72-74.
	CHENG Hao. Discussion on treatment technology of fracturing flowback fluid in oilfield[J]. Cleaning World, 2023, 39(6): 72-74.
4	何伟. 复合法在处理压裂返排液时的最佳工艺流程[J]. 内蒙古石油化工, 2008, 34(1): 80-81.
	HE Wei. Optimum technological process of compound method in treating fracturing flowback fluid[J]. Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2008, 34(1): 80-81.
5	何红梅. 生物法处理压裂返排液的实验研究[D]. 成都: 西南石油学院, 2004.
	HE Hongmei. Experimental study on biological treatment of fracturing flowback fluid[D]. Chengdu: Southwest Petroleum Institute, 2004.
6	张赫, 李小可, 熊颖, 等. 基于水凝胶界面光蒸发的压裂返排液脱盐降污处理[J]. 化工进展, 2023, 42(2): 1073-1079.
	ZHANG He, LI Xiaoke, XIONG Ying, et al. Desalination and pollution treatment of fracturing flow-back fluid based on interfacial solar evaporation of hydrogel[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(2): 1073-1079.
7	彭良梅, 罗成. 全膜法在页岩气压裂返排液处理中的应用[J]. 四川化工, 2022, 25(4): 24-27.
	PENG Liangmei, LUO Cheng. Application of total membrane method in shale gas fracturing flowback water treatment[J]. Sichuan Chemical Industry, 2022, 25(4): 24-27.
8	林超. 电渗析在压裂返排液废水处理中的应用研究[J]. 环境科学导刊, 2023, 42(5): 53-57.
	LIN Chao. Research on the application of electrodialysis in the treatment of fracturing backflow fluid wastewater[J]. Environmental Science Survey, 2023, 42(5): 53-57.
9	万里平. 探井残余压裂液无害化处理实验研究[D]. 成都: 西南石油学院, 2002.
	WAN Liping. Experimental study on harmless treatment of residual fracturing fluid in exploration wells[D]. Chengdu: Southwest Petroleum Institute, 2002.
10	史元腾, 王小强, 寇光辉, 等. 反渗透浓盐水双碱法除硬与除硅工艺研究[J]. 水处理技术, 2019, 45(12): 110-112.
	SHI Yuanteng, WANG Xiaoqiang, KOU Guanghui, et al. The treatment of silica and hardness by double-alkali method for reverse osmosis high-salinity water[J]. Technology of Water Treatment, 2019, 45(12): 110-112.
11	王强. 管式超滤膜处理油田污水试验[J]. 石油石化节能, 2014, 4(6): 5-7.
	WANG Qiang. Experimental study on treatment of oilfield wastewater by tubular ultrafiltration membrane[J]. Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry, 2014, 4(6): 5-7.
12	邹元新, 邓强, 项拓, 等. 反渗透-纳滤组合与MVR技术结合提纯工业盐工艺研究[J]. 盐科学与化工, 2023, 52(9): 1-3.
	ZOU Yuanxin, DENG Qiang, XIANG Tuo, et al. Research on industrial salt purification process combined with reverse osmosis, nanofiltration device and MVR technology[J]. Journal of Salt Science and Chemical Industry, 2023, 52(9): 1-3.
13	杨瑞锦. 基于SimaPro的水泥产品生命周期评价及“减碳”建议[J]. 四川水泥, 2023(9): 4-7.
	YANG Ruijin. Life cycle assessment of cement products based on SimaPro and suggestions on "carbon reduction"[J]. Sichuan Cement, 2023(9): 4-7.
14	孙杰, 董强, 张笛, 等. 基于LCA的废锂电池典型回收再生工艺碳足迹分析和环境影响评价[J]. 环境工程, 2023, 41(S2): 1254-1259.
	SUN Jie, DONG Qiang, ZHANG Di, et al. Carbon footprint analysis and environmental impact assessment of typical recycling process of waste lithium batteries based on LCA[J]. Environmental Engineering, 2023, 41(S2): 1254-1259.
15	赵兵, 景杰. “碳达峰、碳中和”目标下火力发电行业的转型与发展[J]. 节能与环保, 2021(5): 32-33.
	ZHAO Bing, JING Jie. Transformation and development of thermal power industry under the goal of "carbon peaking and carbon neutralization"[J]. Energy Conservation & Environmental Protection, 2021(5): 32-33.
16	贺美, 陈文杰, 田磊, 等. 页岩气压裂返排液的水生生态毒性效应研究[J]. 生态毒理学报, 2017, 12(2): 108-119.
	HE Mei, CHEN Wenjie, TIAN Lei, et al. Study on the aquatic ecological toxicity of shale gas fracturing fluids[J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 108-119.
17	李玉红, 廖学品, 王安, 等. 基于LCA方法对毛皮加工过程的环境影响评价[J]. 皮革科学与工程, 2020, 30(2): 6-11.
	LI Yuhong, LIAO Xuepin, WANG An, et al. The environmental impact assessment of fur making process using LCA methodology[J]. Leather Science and Engineering, 2020, 30(2): 6-11.
18	陶源, 刘伟军. 大型公共建筑工程LCA模型下的碳排放敏感性分析[J]. 中国建筑金属结构, 2022(9): 12-14.
	TAO Yuan, LIU Weijun. Sensitivity analysis of carbon emission under LCA model of large public building projects[J]. China Construction Metal Structure, 2022(9): 12-14.
19	丁宁. 煤炭中造成大气污染有害元素的分析[J]. 中国标准化, 2018(18): 163-164.
	DING Ning. Analysis of harmful elements causing air pollution in coal[J]. China Standardization, 2018(18): 163-164.
20	王玮, 程虎, 张放, 等. 某纯碱生产企业职业病危害因素现状调查与评价[J]. 中国辐射卫生, 2014, 23(3): 258-261.
	WANG Wei, CHENG Hu, ZHANG Fang, et al. Investigation on present status of occupational hazard factors in a soda ash plant[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2014, 23(3): 258-261.
21	张亚峰, 安路阳, 王宇楠, 等. 水中硬度去除方法研究进展[J]. 煤炭加工与综合利用, 2017(12): 54-63.
	ZHANG Yafeng, AN Luyang, WANG Yunan, et al. Research progress of hardness removal methods in water[J]. Coal Processing & Comprehensive Utilization, 2017(12): 54-63.

[1]	谢钰麟, 饶瑞晔, 黄建, 蒿佳怡, 王友益, 黄琦. 连续ZIF-8膜制备及在氢气分离中的研究进展[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 403-418.
[2]	周渝, 夏太阳, 韦奇, 唐甜, 田磊. 微通道耦合反渗透膜串联处理甲醇制烯烃废水工艺优化[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 43-51.
[3]	薛立新, 涂龙斗, 李士洋, 郑晨晨, 蔡达健, 高从堦. 包含原位生长ZIF-L粒子的PEI基高效染料脱盐混合基质纳滤膜[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 431-442.
[4]	高觊兴, 丁玉梅, 张超, 谭晶, 丁熙, 李好义, 杨卫民. 熔体微分电纺PLA/PCL微纳米纤维膜的制备及其性能[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 457-468.
[5]	何子晗, 李文譞, 李彦宇, 王雪超, 杨始蓉, 谢慧娜, 李杰. 水环境中抗生素抗性基因研究进展[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 533-544.
[6]	朱昊, 刘汉飞, 高源, 黄益平, 费孝诚, 韩卫清. 盐分对电催化降解性能与机理的影响[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 571-580.
[7]	张巍, 宋权斌, 周运河, 董梦瑶, 李婕, 伍乔, 付业昊, 梁垚城, 尹艳山, 成珊, 宋健. 全钒液流电池离子导电膜的选择性[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 4859-4870.
[8]	耿秀梅, 张逢, 张翔, 单美霞, 张亚涛. 用于CO₂分离的Pebax基混合基质膜稳定性研究进展[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 4996-5012.
[9]	梁宏成, 赵冬妮, 权银, 李敬妮, 胡欣怡. SEI膜形貌与结构对锂离子电池性能的影响[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5049-5062.
[10]	阳梦萍, 孙军军, 张晨曦, 薛昊龙, 肖长发. 聚丙烯/聚硅氧烷-二氧化硅中空纤维膜的制备与性能分析[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5106-5112.
[11]	王文刚, 钱裕洁, 皮秋月, 王艳红, 侯秀良, 徐荷澜. 聚合松香辅助制备聚丙烯熔喷纤维膜及耐久超疏水改性[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5123-5132.
[12]	赵星程, 贾方旭, 刘晨雨, 韩宝红, 梅宁, 姚宏. 实际规模PN/A工艺载体挂膜性能与微生物群落[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5242-5249.
[13]	孙燕, 谢晓阳, 冯倩颖, 郑璐, 何皎洁, 杨利伟, 白波. 基于单宁酸-铁(Ⅲ)改性正渗透膜制备及抗污染性能[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5309-5319.
[14]	安芳芳, 曹少磊, 连增帅, 舒大武, 张岩, 李万新, 韩博. 十二烷基甜菜碱对热活化过硫酸钠降解C.I.活性黑5的影响[J]. 化工进展, 2024, 43(9): 5302-5308.
[15]	宋家恺, 孔令真, 陈家庆, 孙欢, 李奇, 李长河, 王思诚, 孔标. 脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动和分离特性[J]. 化工进展, 2024, 43(8): 4297-4306.

基于LCA的压裂返排液膜集成工艺碳足迹分析和环境影响评价

Carbon footprint analysis and environmental impact assessment of integrated membrane process for fracturing flowback fluid based on LCA

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