生態(tài)塘深度處理石化廢水尾水的效果及影響因素

蔣 彬，王新剛，張 超，楊 威

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2.江蘇科技大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院；3.中國石化石油化工科學(xué)研究院)

生態(tài)塘深度處理石化廢水尾水的效果及影響因素

蔣 彬1，王新剛2，張 超3，楊 威1

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2.江蘇科技大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院；3.中國石化石油化工科學(xué)研究院)

采用由兼氧塘、好氧塘和水生植物塘串聯(lián)而成的生態(tài)塘系統(tǒng)處理石化廢水尾水，在中型試驗(yàn)裝置上考察其處理效果及影響因素。結(jié)果表明：經(jīng)處理后，污水的COD降低率為25%～50%，系統(tǒng)出水的COD穩(wěn)定在40～50 mgL范圍內(nèi)，達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)中對COD的要求，但石油類物質(zhì)濃度指標(biāo)略微超標(biāo)；溫度是影響生態(tài)塘系統(tǒng)處理效果的主要因素，凈水效果呈季節(jié)性變化，溫度較高時處理效果較好，其對總氮(TN)去除的影響大于COD和總磷(TP)；光照對COD降低率、TP和TN去除率的影響較為相似，最高去除率均出現(xiàn)在16：00左右，夜間三者均出現(xiàn)一定程度的下降。

生態(tài)塘 兼氧塘 好氧塘 石化廢水 尾水

水資源的短缺使工業(yè)廢水深度處理及回用日益受到重視。作為用水大戶的石化企業(yè)，廢水產(chǎn)生量大，水質(zhì)成分復(fù)雜，即使在經(jīng)過生化二級處理后，廢水尾水仍可能會造成污染[1]。為有效節(jié)約水資源，減少石化企業(yè)廢水排放量，有必要對石化廢水尾水進(jìn)行深度處理。尾水處理技術(shù)可采用臭氧-曝氣生物濾池、微波-顆?；钚蕴康冉M合工藝[2-3]，但這些工藝能耗相對較高。而采用生態(tài)塘系統(tǒng)對石化廢水尾水進(jìn)行深度處理，是一種低運(yùn)行成本技術(shù)，符合節(jié)能減排的要求。因此，本課題采用生態(tài)塘系統(tǒng)深度處理石化廢水尾水，在中型試驗(yàn)裝置上考察其處理效果及影響因素。

1 實(shí) 驗(yàn)

生態(tài)塘中型試驗(yàn)采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘3級串聯(lián)處理工藝，裝置設(shè)置于南京某大型石化企業(yè)內(nèi)，處理能力為150 m3d。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均溫度15.4 ℃。兼氧塘、好氧塘、水生植物塘池容分別為160，60，80 m3，總池容為300 m3；水深分別為1.6，1.2，0.8 m。兼氧塘設(shè)置水流推流器和人工介質(zhì)；好氧塘中設(shè)置水流推流器和潛水曝氣機(jī)，其開啟視好氧塘內(nèi)溶解氧(DO)濃度變化而定；水生植物塘分為浮床區(qū)、蘆葦區(qū)、沉水區(qū)。好氧塘和水生植物塘均采用生態(tài)混凝土護(hù)坡，孔隙率約為47%，護(hù)坡孔隙中種植美人蕉和菖蒲；水生植物塘底種植蘆葦?shù)人参铩?/p>

試驗(yàn)用水為該石化企業(yè)二級生化處理后的尾水，污水在系統(tǒng)內(nèi)的平均水力停留時間(HRT)為2 d，進(jìn)水水質(zhì)為：COD 56～90 mgL，石油類物質(zhì)濃度1.3～1.9 mgL，總氮(TN)濃度9～16 mgL，氨氮濃度1.7～3.5 mgL，總磷(TP)濃度0.6～1.3 mgL。兼氧塘和好氧塘中的水流推流器間歇開啟；好氧塘中的曝氣機(jī)在DO濃度低于2 mgL時開啟。

COD、石油類物質(zhì)濃度、TN濃度、TP濃度等水質(zhì)指標(biāo)的分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)凈化效果

2.1.1 COD降低效果 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三級串聯(lián)系統(tǒng)深度處理石化廢水尾水時，系統(tǒng)出水的COD穩(wěn)定在40～50 mg/L范圍內(nèi)，達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)中對COD的要求，生態(tài)塘系統(tǒng)的COD月平均降低率如圖1所示。由圖1可知：從總的趨勢來看，污水經(jīng)生態(tài)塘系統(tǒng)處理后COD降低率隨季節(jié)變化比較明顯，高溫季節(jié)的COD降低率較高，而低溫季節(jié)則較低，其變化范圍為25%～50%；1月的氣溫最低，植物生長受到較大影響，污水的COD降低率最低，為25%；7月至10月溫度較高，進(jìn)水的COD波動較小，生態(tài)塘保持較高的COD降低率，均在40%以上，這與Ghrabi 和Mandi等取得的生態(tài)塘45%～58%的COD降低率結(jié)果相近[5-6]；6月的平均氣溫高于2月至5月，但COD降低率只有29%，低于2月至5月的平均COD降低率，這是由于6月進(jìn)水的COD較低(平均為67 mg/L)，雖然出水的COD低于50 mg/L，但根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)，由于生態(tài)塘系統(tǒng)的處理能力所限，不能進(jìn)一步降低COD，故在進(jìn)水COD較低時COD降低率處于低值；而11月雖然氣溫有所下降，但由于進(jìn)水的COD最高(平均值約為90 mg/L)，生態(tài)塘的平均COD降低率最高，為50%，這從另一方面佐證了前述分析結(jié)果。

生態(tài)塘不同處理單元的全年平均COD降低情況如圖2所示。由圖2可知：各處理單元對COD降低的效果不同，在進(jìn)水COD平均值為71.2 mg/L情況下，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的出水COD平均值分別為59.6，50.5，45.3 mg/L，其COD降低貢獻(xiàn)率(以進(jìn)水的COD平均值為基準(zhǔn))分別為16.3%，12.8%，7.3%，兼氧塘對COD的降低貢獻(xiàn)率最高，其次是好氧塘；而單就某一處理單元來說，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的COD降低率(以前一單元出水的COD平均值為基準(zhǔn))分別為16.3%，15.3%，10.3%，仍然是兼氧塘最高。

圖2 生態(tài)塘不同單元的全年平均COD降低效果◆—COD； ■—COD降低貢獻(xiàn)率

兼氧塘降COD的作用主要依靠微生物降解和懸浮有機(jī)物的沉降來實(shí)現(xiàn)。由于生態(tài)塘進(jìn)水為石化企業(yè)二級生化出水，其中仍含有部分在好氧處理過程中難以被降解的有機(jī)物，在兼氧塘內(nèi)COD濃度存在梯度變化，在較長水力停留時間下有利于兼氧菌對其進(jìn)行水解酸化等降解過程。好氧塘進(jìn)水的COD較低，水力停留時間較短，其COD降低率低于兼氧塘。水生植物塘對COD降低的效果較差，水生植物的代謝產(chǎn)物會影響COD的降低效率。水生植物塘中浮床區(qū)和蘆葦區(qū)的COD降低貢獻(xiàn)率分別為3.1%和2.9%，略高于沉水區(qū)的COD降低貢獻(xiàn)率(1.3%)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水COD濃度低于60 mg/L時，系統(tǒng)出水COD濃度始終在40 mg/L以上，且保持相對穩(wěn)定，說明采用此工藝對石化廢水尾水進(jìn)行深度處理時，其能力存在某個限值。基于以上分析，在實(shí)際工程中，可以通過強(qiáng)化兼氧塘處理等措施來提高生態(tài)塘的處理效果。

圖3 生態(tài)塘不同單元的石油類物質(zhì)全年平均去除效果■—石油類物質(zhì)濃度； ■—石油類物質(zhì)去除貢獻(xiàn)率

2.1.2 石油類物質(zhì)去除效果 生態(tài)塘系統(tǒng)對石油類物質(zhì)的去除效果如圖3所示。由圖3可知：生態(tài)塘進(jìn)水的石油類物質(zhì)濃度為1.3～1.9 mg/L，全年平均濃度為1.62 mg/L，出水平均濃度為1.1 mg/L，略高于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的一級A標(biāo)準(zhǔn)值(1 mg/L)，全年平均去除率為32.1%；兼氧塘、好氧塘、水生植物塘出水中石油類物質(zhì)年平均濃度分別為1.4，1.24，1.1 mg/L，其去除貢獻(xiàn)率分別為13.6%，9.9%，8.6%，其中兼氧塘對石油類物質(zhì)的去除效果略好，后兩者對石油類去除效果的差異不顯著，其原因可能是石油類在兼氧塘內(nèi)被人工介質(zhì)吸附，在附著的兼氧微生物作用下緩慢降解。

2.2 影響因素分析

2.2.1 溫 度 試驗(yàn)期間生態(tài)塘系統(tǒng)進(jìn)出水的溫度與平均氣溫的變化如圖4所示。由圖4可知：全年氣溫變化范圍為0～32 ℃，其中12月、1月及2月氣溫較低，最低接近0 ℃，而6月至9月氣溫較高；系統(tǒng)進(jìn)出水溫度明顯高于氣溫，即使在冬季最冷月份其溫度仍然接近20 ℃，為保證生態(tài)塘處理效果提供了條件。由于進(jìn)水溫度較高，塘內(nèi)水溫隨季節(jié)變化趨勢較氣溫變化平緩，延長了塘內(nèi)水生植物的生長時段，使得生態(tài)塘在低溫時仍能保持一定的處理效果。

圖4 試驗(yàn)期間的氣溫與水溫變化▲—?dú)鉁兀?■—進(jìn)水溫度； ◆—兼氧塘出水溫度； —好氧塘出水溫度； ●—出水溫度

高溫季節(jié)(6月至9月)和低溫寒冷季節(jié)(12月至次年2月)生態(tài)塘不同單元的處理效果對比如圖5～圖7所示。

圖5 高、低溫季節(jié)生態(tài)塘不同單元的COD降低效果■—低溫時COD； ■—高溫時COD； ■—高溫時COD降低貢獻(xiàn)率； —低溫時COD降低貢獻(xiàn)率

圖6 高、低溫季節(jié)生態(tài)塘不同單元的TP去除效果■—低溫時TP濃度； ■—高溫時TP濃度； ■—高溫時TP去除貢獻(xiàn)率； —低溫時TP去除貢獻(xiàn)率

圖7 高、低溫季節(jié)生態(tài)塘不同單元的TN去除效果■—低溫時TN濃度； ■—高溫時TN濃度； ■—高溫時TN去除貢獻(xiàn)率； —低溫時TN去除貢獻(xiàn)率

由圖5可知：高溫季節(jié)進(jìn)水的COD與低溫季節(jié)相差不大，但各單元出水的COD低于低溫季節(jié)，高溫季節(jié)COD平均降低率為41%，而低溫季節(jié)下降為29%；溫度對兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的COD降低效果均有影響，尤其是水生植物塘，其COD降低貢獻(xiàn)率由高溫季節(jié)的11%下降至低溫季節(jié)的5%左右。

該企業(yè)在11月后調(diào)整了運(yùn)行情況，使生態(tài)塘系統(tǒng)進(jìn)水的TP濃度較高溫季節(jié)明顯下降，而由于進(jìn)水TP中顆粒磷所占的比例有所升高，在兼氧塘內(nèi)通過沉降方式去除，使兼氧塘中TP的去除率變化較小。由圖6可知：TP的去除大部分是在兼氧塘中完成，好氧塘和水生植物塘的TP去除貢獻(xiàn)率下降較為明顯；低溫對微生物活性及植物生長產(chǎn)生了明顯影響，高、低溫季節(jié)生態(tài)塘系統(tǒng)出水的TP去除率分別為39%和29%。

由圖7可知：溫度對TN的去除影響明顯，在高溫季節(jié)，兼氧塘和水生植物塘是TN去除的主要單元，兼氧塘通過反硝化作用和塘內(nèi)植物吸收作用進(jìn)行脫氮，水生植物塘則主要依靠水生植物的吸收作用進(jìn)行脫氮；在低溫季節(jié)，生態(tài)塘系統(tǒng)的TN去除率明顯下降，僅為22%，約為高溫季節(jié)TN去除率的一半，兼氧塘內(nèi)溫度稍高，依然保持一定的反硝化作用，TN去除率下降幅度較小，而好氧塘和水生植物塘內(nèi)溫度較低，水生植物收割后，TN去除率下降明顯，水生植物塘高、低溫季節(jié)的TN去除貢獻(xiàn)率分別為13%和6%左右。

溫度對石油類物質(zhì)的去除效果也有影響，氣溫越高，微生物活性強(qiáng)，水生植物生長旺盛，其去除效果越好，出水中石油類物質(zhì)濃度最低值可達(dá)0.7 mg/L；而低溫時對石油類物質(zhì)的去除率下降明顯，約為夏季高溫時的50%。

通過對污染物質(zhì)去除率與溫度進(jìn)行線性回歸分析可知，溫度對COD 降低和TP去除效果的影響相對較小，而對TN去除效果的影響顯著。冬季進(jìn)水TP中顆粒磷所占的比例較高溫季節(jié)有所升高，使其可以通過沉降方式去除，而顆粒磷的沉降去除削弱了溫度對TP去除效果的影響。TN主要通過塘內(nèi)微生物的反硝化過程和植物的吸收作用去除，在高溫季節(jié)，兼氧塘、水生植物塘對TN的去除貢獻(xiàn)率相近，好氧塘略低；但在冬季低溫季節(jié)，兼氧塘TN去除率的降低幅度較小，而水生植物塘內(nèi)由于植物枯萎休眠，再加上一些植物殘渣腐爛，使得其對TN的去除率明顯下降，導(dǎo)致整個系統(tǒng)TN受低溫的影響較為明顯。溫度通過影響傳質(zhì)、營養(yǎng)物溶解度、反應(yīng)速率、生物量合成、微生物選擇、植物生長等途徑，最終影響生態(tài)塘系統(tǒng)的處理效率，故生態(tài)塘系統(tǒng)的凈水效果呈季節(jié)性變化。

2.2.2 光 照 生態(tài)塘的熱源之一是太陽輻射，在塘內(nèi)形成溫度分層現(xiàn)象，表面溫度較高，并隨季節(jié)、陽光的強(qiáng)弱而有較大的變化。光照對生態(tài)塘系統(tǒng)中植物和藻類的光合作用有直接影響，關(guān)系到生態(tài)塘最終對營養(yǎng)物質(zhì)的處理效果。表1為不同光照條件下的污水處理效果。由表1可知，光照對COD降低率、TP去除率和TN去除率的影響較為相似，最高值均出現(xiàn)在16：00左右，夜間三者均出現(xiàn)一定程度的下降，但下降幅度較小。生態(tài)塘出水COD、TP濃度和TN濃度的晝夜變化幅度較小，說明該系統(tǒng)有較好的緩沖能力。

雒維國[7]對植物的凈光合速率進(jìn)行測定的結(jié)果表明，植物凈光合速率的峰值出現(xiàn)在12：00到14：00之間，光合作用的增強(qiáng)促使植物根部泌氧效率增加，對應(yīng)的COD降低率及TP、TN去除率也隨著植物光合速率的變化而出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。本試驗(yàn)過程中生態(tài)塘中水溫的晝夜變化幅度小于2 ℃，光照輻射產(chǎn)生的水溫變化影響在試驗(yàn)系統(tǒng)中不占優(yōu)勢。光照對系統(tǒng)的影響主要是通過影響水生植物和藻類的光合作用而進(jìn)行，白天陽光充足，隨著光照的增強(qiáng)，植物光合作用明顯，體內(nèi)代謝作用加快，根系泌氧顯著，水中溶解氧濃度增高，好氧微生物新陳代謝也加快，加速利用污水中的有機(jī)物和營養(yǎng)元素等合成自身的物質(zhì)，污染物去除率較高；在夜間，植物的光合作用減弱，好氧微生物新陳代謝作用降低，使得污染物去除率有所降低。

表1 不同光照條件下的污水處理效果

3 結(jié) 論

(1) 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三級串聯(lián)系統(tǒng)深度處理石化廢水尾水時，COD降低率為25%～50%，系統(tǒng)出水的COD穩(wěn)定在40～50 mg/L范圍內(nèi)，達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)中對COD的要求，但石油類物質(zhì)濃度指標(biāo)略微超標(biāo)，可采用強(qiáng)化兼氧塘處理等措施使出水水質(zhì)進(jìn)一步提高。

(2) 溫度是影響生態(tài)塘系統(tǒng)處理效果的主要因素，凈水效果呈季節(jié)性變化，溫度較高時處理效果較好，其對TN去除效果的影響大于COD和TP。光照對COD降低率、TP和TN去除率的影響較為相似，最高值均出現(xiàn)在16：00左右，夜間三者均出現(xiàn)一定程度的下降，但下降幅度較小。

[1] 劉苗茹，席宏波，周岳溪，等.水解酸化+AO工藝對石化廢水不同分子量有機(jī)物去除效果評價[J].環(huán)境工程學(xué)報，2014，8(7)：2665-2671

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[7] 雒維國.潛流型人工濕地對氮污染物的去除效果研究[D].南京：東南大學(xué)，2005

TRERTING EFFICIENCY OF TAIL WATER OF PETROCHEMICAL WASTEWATER BY ECO-PONDS AND INFLUENCE FACTORS

Jiang Bin1， Wang Xingang2， Zhang Chao3， Yang Wei1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforHydraulicandWaterTransportEngineering，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074； 2.SchoolofBiology&EnvironmentalEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology； 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing)

A pilot scale eco-pond system， consisting of facultative pond， aerobic pond and hydrophyte pond， was used to test the efficiency and influence factors of tail water deep treatment of petrochemical wastewater. The results indicate that COD concentration in effluent ranges from 40 mgL to 50 mgL， equivalent to COD reduction rate of 25%—50%， and reaches the A level of class 1 standard for COD in “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant”(GB 18918—2002)， except the concentration index of petroleum substances， which is slightly overweight. Among influence factors， the temperature is the main one. The treatment efficiency changes with seasons. The influence of higher temperature on TN removal is higher than that on COD and TP， while the effect of illumination on COD， TP and TN removal is relatively similar. The highest removal rates for three pollutants occur at about 16：00 pm， and the removal rates decline in a certain degree at night.

eco-pond； facultative pond; aerobic pond； petrochemical wastewater； tail water

2016-04-20； 修改稿收到日期： 2016-06-21。

蔣彬，博士，講師，從事環(huán)境污染治理工程設(shè)計及相關(guān)教學(xué)工作。

蔣彬，E-mail：jb340@163.com。

重慶交通大學(xué)省部共建水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項目(SLK2011B03)、重慶市教委資助項目(KJ1400323)。