第一作者：常海庆
通讯作者：刘百仓
通讯单位：四川大学建筑与环境学院、新能源与低碳技术研究院
论文DOI：https://dx.doi.org/10.1021/acs.est.0c03243
图文摘要
成果简介
最近，四川大学建筑与环境学院刘百仓教授课题组在环境领域知名期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“On-Site Treatment of Shale Gas Flowback and Produced Water in Sichuan Basin by Fertilizer Drawn Forward Osmosis for Irrigation”的研究论文，研究了肥料作为汲取液的正渗透系统对页岩气开采废水的净化特性，首次探讨了处理后的废水用于农田灌溉的可行性，该成果对于页岩气开采废水的资源化具有参考意义。
研究背景
页岩气是一种清洁、非常规的天然气资源，具有开发寿命长、产量高等优点。我国技术可采的页岩气储量位列世界第一，而四川盆地拥有我国储量最丰富的页岩气资源。伴随着页岩气工业的快速发展，开采过程中产生了大量水质成分复杂的返排液和采出水，由此造成的环境污染及其有效的管理和处理问题已经引起广泛关注。正渗透是有效应对该废水的一项处理技术，然而经常采用的氯化钠和碳酸氢铵等汲取液需要进一步回收。相比之下，肥料驱动正渗透由于无需对稀释后的汲取液进行分离而受到关注。
页岩气工业是用水密集型工业，同时页岩气开采区距离农田较近，废水的农田回用可能是一种潜在的废水资源化策略，稀释及脱盐为油气田开采废水农田回用的两种主要方法。已有研究表明页岩气开采废水及常规油气田采出水与淡水混合稀释后对植物生长特性及产量等可能产生不利影响。因而本研究着重考察在页岩气开采现场利用肥料驱动正渗透处理页岩气开采废水并用于灌溉的可行性，以期实现水资源的可持续利用。
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页岩气开采废水取自四川盆地，水样经过超滤膜过滤后作为正渗透的原料液；实验中选用了五种肥料作为汲取液，即氯化钾、硫酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵和硝酸钾。首先评价了汲取液类型和运行模式（AL-DS和AL-FS）对正渗透膜污染、渗透反冲洗效率（图1）以及营养元素损失的影响（图2）。可以看出，AL-FS运行模式优于AL-DS运行模式，同时磷酸二氢铵作为汲取液时膜污染最轻、清洗效率高、营养元素损失少。为了保持营养元素的平衡，进而采用了磷酸二氢铵和硝酸钾的混合肥料作为汲取液，将获得的产水连同未经处理的页岩气原水稀释至一定浓度（TDS = 350，700，1000，5000 mg/L），以去离子水作为控制组；这些不同类型的水进行灌溉实验，未经过处理的高盐度废水不利于植物生长，而稀释的汲取液则促进植物生长（图3和图4）。然后，不同类型水用于灌溉时植物的表达基因不同（图5），差异表达基因导致了不同的生长情况（图6和7）。
图文导读
图1不同肥料作为汲取液时（A）（B）膜污染、（C）（D）渗透反冲洗效率和（E-H）SEM图像对比：AL-DS运行模式（左侧：A、C、E和F）和AL-FS运行模式（右侧：B、D、G和H）。图C和D中百分比表示渗透反冲洗的通量恢复率。
图2不同肥料作为汲取液时（A）（B）溶质返混通量（RSF）、特定溶质返混通量（SRSF）和（C）（D）营养元素N、P、K的返混通量：AL-DS运行模式（左侧：A和C）和AL-FS运行模式（右侧：B和D）
图3采用不同灌溉用水培养一周后樱桃萝卜和快菜的（A）平均增长重量和（B）长度（地上部分及根长）。DI，去离子水；FPW5000、FPW1000、FPW700和FPW350分别表示将页岩气废水稀释至TDS为5000、1000、700 and 350 mg·L-1；DS1000、DS700和DS350分别表示将汲取液稀释至TDS为1000、700和350 mg·L-1。p值为在α=0.05下进行单因素方差分析获得，桔色星号表示该组与控制组（DI水）有显著差异(p< 0.05)。
图4采用不同灌溉用水培养的快菜的平均增长重量随时间变化。
图5采用不同灌溉用水时植物基因表达的维恩图：（A）樱桃萝卜和（B）快菜。
图6（A）（C）樱桃萝卜和（B）（D）快菜的差异表达基因分析。（A）（B）上调和下调的差异表达基因数目，（C）（D）差异表达基因的维恩图。
图7 差异表达基因的功能分析：（A）（B）GO功能注释和（C）（D）KEGG功能注释。以灌溉用水为DI水和DS350时（A）（C）樱桃萝卜和（B）（D）快菜为例。
小结
本研究阐明了肥料驱动正渗透技术在页岩气开采废水的资源化方面的可行性。从膜污染、渗透反冲洗效率和营养元素损失等方面评价几种常用肥料用作汲取液的性能，并通过植物基因分析探讨植物生长特性的差异。相比常规正渗透技术，肥料汲取正渗透具有无需回收汲取液的优势，可直接用于附近农田灌溉，稀释后的汲取液由于含有一定量的营养元素而能够促进植物生长。本研究结论可以为页岩气开采区水资源的可持续利用提供技术支撑。
通讯作者：刘百仓
通讯邮箱：bcliu@scu.edu.cn
课题组网站：www.baicangliu.org
