压裂工艺可以有效改善油气层导流能力,是低渗透、特低渗透油气井增产的主要措施。压裂液通常由水(98-99.2%)、多种化学添加剂(0.5-2%)和支撑剂组成,压裂作业完成后返排至地表即为压裂返排液。压裂返排液成分复杂,含有大量的杂质,对环境污染严重。随着水资源的日益紧张和国家环境保护力度的加强,压裂反排液的污水处理技术得到了快速发展,新的处理技术和处理工艺不断涌现。本文采用小球藻对压裂返排液进行生物处理,利用响应面法结合Box-Behnken design优化固定化小球藻及小球藻半固化混养处理压裂返排液的条件,深入分析处理过程中压裂返排液对小球藻生长的影响、自身污染物去除效果以及压裂反排液污染物去除效果与小球藻生物产能之间的耦合机制。采用海藻酸钠包埋小球藻,提高藻培养密度及压裂反排液的污染物去除率,利用响应面法结合Box-Behnken模型考察海藻酸钠浓度、氯化钙浓度和交联时间三种因素对小球藻生长的影响。实验结果表明,三因素对小球藻生长的影响大小为海藻酸钠浓度>氯化钙浓度>交联时间;拟合三种因素与藻密度之间的二次多项回归模型方程,通过回归分析,证明模型拟合性良好。通过三维立体图像揭示三种因素交互作用规律,结果表明海藻酸钠浓度和交联时间交互作用不显著,氯化钙浓度和交联时间之间存在交互作用,海藻酸钠浓度和氯化钙浓度的交互作用较显著。通过方程求解得到小球藻半固化的最优条件为:海藻酸钠浓度为2.15%、氯化钙浓度为2.56%、交联时间为17.29h;在最优条件下半固化小球藻处理压裂返排液,COD可达34.70%;浊度去除率可达80.62%;小球藻密度可达1.96g/L。利用Box-Behnken design建立连续变量曲面模型进行返排液稀释倍数、β-甘露聚糖酶、活性炭粉投加量三因素三水平实验设计,考察三种因素对处理效果的影响。实验结果表明,压裂返排液的稀释倍数对处理效果影响较大,这是因为压裂返排液稀释后可以降低其生物毒性,促进藻生长增殖及污染物降解,当稀释倍数增大到一定值,有机物含量过低,碳源不足,小球藻增殖受到限制;活性炭粉的添加有助于加固藻球,减少藻泄露;β-甘露聚糖酶降解压裂反排液里的胍胶多糖为单糖,为小球藻提供碳源,提高微藻产能及污染物去除率,并且实验发现,β-甘露聚糖酶对悬浮藻生长增殖影响较大。综合考虑压裂反排液污染物去除效果、微藻产能确定最优处理条件为:返排液稀释倍数、β-甘露聚糖酶添加量、活性炭投加量分别取5、135mg/L、50mg/L,在最优处理条件下,藻密度可达2.09g/L,COD去除率可达45.27%,高于同等条件下悬浮藻的COD去除率9.08%。利用统计软件Design Expert对实验数据进行了多元回归拟合,得到压裂返排液稀释倍数、β-甘露聚糖酶添加量、活性炭投加量与COD去除率和藻密度之间的二次多项回归模型方程,通过回归分析,证明模型拟合性良好。通过三维立体图像揭示三种因素交互作用规律,结果表明压裂返排液稀释倍数和β-甘露聚糖酶投加量有一定的交互作用,压裂返排液稀释倍数和活性炭投加量交互作用较显著,β-甘露聚糖酶添加量和活性炭粉投加量的交互作用显著。