MBR耦合ECO處理海上平臺生活污水技術(shù)研究

黃彥鋒，李洪濤，段敬堯，李　勇，滕厚開，秦　微

（1.中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津300461；2.中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津300131）

MBR耦合ECO處理海上平臺生活污水技術(shù)研究

黃彥鋒1，李洪濤1，段敬堯1，李勇1，滕厚開2，秦微2

（1.中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津300461；2.中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津300131）

海上平臺生活污水分為灰水與黑水，利用MBR裝置處理黑水，其最佳條件：MLSS為7 000 mg/L，DO為2～4 mg/L，溫度為20～25℃，HRT為12 h，淡水加入比例為60%，混合液平均電導(dǎo)率為16 000 μS/cm，生物處理出水、系統(tǒng)最終出水COD分別為336、208 mg/L，生物去除率和系統(tǒng)去除率分別為79%、87%；利用ECO裝置處理灰水，其最佳條件：極板間距2 cm，電流為52 A，海水添加比例為50%，電解時間為2 h，噸水電耗為3.6 kW·h。出水混合后添加1.57～15.69 mg/L NaHSO3，COD為110 mg/L，SS為0.5 mg/L，余氯未檢出，大腸桿菌為4個/100 g，pH為7.3，BOD5為6 mg/L，整套工藝運行費用為67.96元/d，出水能夠達(dá)到IMO.MEPC227（64）規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

海上平臺；生活污水；膜生物反應(yīng)器；電催化氧化

渤海油田在役平臺原油開采設(shè)施長期坐落于海域中，平臺上工作人員日常產(chǎn)生的生活污水若處理不佳，可導(dǎo)致周圍海洋環(huán)境富營養(yǎng)化〔1〕。隨著海洋石油的開發(fā)，海上平臺生活污水對海洋環(huán)境的污染越來越受到重視。國際海事組織IMO.MEPC227（64）決議〔2〕要求平臺生活污水排水CODCr≤125 mg/L。

針對海上平臺生活污水處理，目前主流技術(shù)有生化法及電解法〔3〕。平臺生活污水中的食堂廢水、洗澡廢水、洗衣廢水、病房廢水等組成平臺灰水，其含有大量消毒劑、油污以及難以降解的表面活性劑，采用生化技術(shù)處理時，由于不能滿足微生物代謝所需要的基本條件，導(dǎo)致處理效果不佳〔4〕。而以衛(wèi)生間沖廁水為主的黑水組分，又因固含量成分較多，無法滿足電催化氧化系統(tǒng)需求的SS≤35 mg/L的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)〔5〕。

筆者以膜生物反應(yīng)器（MBR）為代表的生化法和電催化氧化（ECO）為代表的電解法的聯(lián)用為處理技術(shù)。采用MBR處理黑水，能避免灰水中含有的表面活性劑造成的微生物死亡問題；采用ECO處理灰水，能避免大顆粒固含物造成的電極板堵塞問題；處理后的2種出水混合，利用ECO處理出水含有的氯化物來殺滅MBR處理出水中的超標(biāo)細(xì)菌〔6〕。MBR耦合ECO技術(shù)能夠互相彌補(bǔ)2種技術(shù)的短板，突出2種技術(shù)的優(yōu)點，能夠長期穩(wěn)定且有效地處理海上平臺生活污水，使之達(dá)到最新的海洋排放標(biāo)準(zhǔn)。

1　材料與方法

1.1試驗藥品及儀器

試驗所用廢水為渤海海域某海上采油平臺生活污水，該平臺生活污水中黑水量和灰水量的比例約為1∶2.5。黑水中COD為2 000～3 000 mg/L，SS為3 000～3 500 mg/L，pH為6～8，由于是海水沖廁，黑水的電導(dǎo)率為35 000～40 000 μS/cm；灰水中COD 為500～600 mg/L，SS為30～35 mg/L，pH為6～8，由于是淡水洗浴，灰水電導(dǎo)率為500～1 000 μS/cm。

試驗所用藥品：清洗劑TS-1，其作用為定期清洗MBR裝置膜組件；清洗劑TS-2，其作用為定期清洗ECO電解槽；除氯劑TS-3，其作用為去除水中過量余氯〔7〕。

試驗所用儀器：HH-6型化學(xué)耗氧量測定儀，南京科環(huán)分析儀器有限公司；PB-10型標(biāo)準(zhǔn)pH計，德國賽多利斯集團(tuán)；DHG-9240A恒溫干燥箱，上海右一儀器有限公司；DR800便攜式分光光度計，美國哈希公司；自制ECO反應(yīng)器、自制MBR反應(yīng)器。ECO反應(yīng)器如圖1所示。

圖1　ECO反應(yīng)器

該反應(yīng)器有效尺寸為100 cm×100 cm×65 cm，有效容積為650 L，陽極板選擇高效DSA陽極板，配套陰極板選擇石墨陰極板，極板尺寸為 100 cm× 65 cm，極板間距2 cm，陽極有效板面積為0.65 m2。

MBR反應(yīng)器如圖2所示。

圖2　MBR反應(yīng)器

該反應(yīng)器有效尺寸為97 cm×150 cm×140 cm，有效容積為1 560 L，反應(yīng)器內(nèi)置8組KMS聚乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0.1 μm，超濾膜中空絲內(nèi)徑為1.0 mm，膜總面積為15.42 m2，最大跨膜壓差為0.3 MPa。在溫度為0～40℃、pH為2～13的條件下運行〔8〕。

1.2MBR處理黑水試驗方法

試驗所用微生物菌劑為中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司自主開發(fā)的液狀菌劑，微生物種類豐富，易于培養(yǎng)。反應(yīng)器底部設(shè)4組微孔曝氣器，在運行期間進(jìn)行連續(xù)曝氣，水氣兩相呈錯流式上升，使活性污泥混合液維持一定的循環(huán)流速，形成對膜表面的沖刷，以減輕活性污泥在膜表面的沉積，延緩膜污染的發(fā)生，混合液在泵的抽吸作用下經(jīng)膜過濾出水，抽吸泵采用開7 min、停3 min的間歇運行方式。馴化期間不加海水，每天分析COD、NH3-N等指標(biāo)，待去除率穩(wěn)定后再分階段進(jìn)行含不同比例海水的處理效果研究，且僅在1個階段的處理效果穩(wěn)定后才開始下一個階段的研究。

由于黑水電導(dǎo)率在35 000～40 000 μS/cm，其鹽度過大，不利于MBR裝置中的活性污泥代謝，因此試驗在水力停留時間（HRT）、溶氧（DO）、溫度、污泥濃度（MLSS）等因素一定的條件下，按照來液的30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%比例添加淡水，將電導(dǎo)率稀釋至28 000、24 000、20 000、16 000、12 000、8 000、4 000 μS/cm，考察各電導(dǎo)率下MBR裝置對COD的去除效率，以確定最佳淡水添加比例。裝置運行條件如下：抽吸泵采用開7 min、停3 min的間歇運行方式；控制MLSS為7 000 mg/L，DO為2～4 mg/L，溫度為20～25℃，HRT為12 h。每個電導(dǎo)率條件必須穩(wěn)定運行1星期，每天定時取上清液和裝置出水分別測量其COD及大腸桿菌值并記錄，取所有測量數(shù)值的平均值作為最終值。

1.3ECO處理灰水試驗方法

ECO處理灰水試驗選取陽極電流密度、海水添加比例、電解時間作為研究指標(biāo)，采用正交試驗確定最佳參數(shù)。按照此條件設(shè)計三因素四水平的正交試驗，電流分別為13、26、39、52A；按照50%、60%、70%、80%的比例添加海水，保持整體灰水中電導(dǎo)率在11 400、13 300、16 400、18 900 μS/cm；電解時間分別為0.5、1、1.5、2 h。取樣測量并記錄廢液COD，且記錄電流為13、26、39、52 A時各海水添加比例條件下對應(yīng)的電壓值。取裝置出水測量其COD及余氯并記錄。

1.4處理后混合水去除大腸桿菌、余氯試驗方法

經(jīng)過MBR處理后的黑水出水與經(jīng)過ECO處理后的灰水出水在反應(yīng)器內(nèi)混合，并停留1 h，取最終出水測量其大腸桿菌、余氯、pH、BOD5、COD和SS，并用除氯劑TS-3對最終出水進(jìn)行余氯消除，記錄TS-3的用量。

2　結(jié)果與分析

2.1MBR處理黑水試驗結(jié)果與分析

MBR對黑水的處理效果如圖3所示。

圖3　MBR對黑水的處理效果

由圖3可以看出，隨著淡水加入比例的增大，生物處理出水、系統(tǒng)最終出水的COD均下降，生物處理效率、系統(tǒng)最終效率均上升，但當(dāng)?shù)尤氡壤秊?0%時，生物處理出水和系統(tǒng)最終出水的處理效果與更高淡水加入比例的處理效果相差不大，此時混合液平均電導(dǎo)率為16 000 μS/cm，生物處理出水、系統(tǒng)最終出水的COD分別為336、208 mg/L，相應(yīng)的COD去除率分別為79%、87%。

分析認(rèn)為，高鹽度會對微生物的生長產(chǎn)生抑制作用，主要原因在于：（1）鹽度過高將導(dǎo)致滲透壓增大，使微生物細(xì)胞脫水進(jìn)而引起原生質(zhì)的流失；（2）鹽析作用使脫氫酶活性降低；（3）高濃度氯離子對細(xì)菌有毒害作用。因此，當(dāng)加入的淡水量＜60%時，微生物的正常代謝活動會受高鹽分的影響，但由于MBR工藝具有較高的污泥濃度、豐富的微生物種類，在受到鹽度沖擊時仍能使系統(tǒng)保持穩(wěn)定和較好的處理效果；且膜孔的截留作用、膜的吸附作用以及膜表面沉積層的篩濾、吸附作用可將難降解有機(jī)物截留于反應(yīng)器中并繼續(xù)降解，從而保證了良好的出水水質(zhì)。因此在淡水加入量≥60%時，鹽分已經(jīng)不是影響MBR處理效率的主要因素〔9〕。

經(jīng)測定，100 g MBR出水中大腸桿菌在 100～150個，未能達(dá)到≤100個/100 g的最低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2ECO處理灰水試驗結(jié)果與分析

由于海水本底COD為200 mg/L，原灰水COD 為650 mg/L，因此按照50%、60%、70%、80%的比例向灰水添加海水后，混合水樣的COD分別為433、419、406、394 mg/L。ECO處理混合水樣的正交試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　ECO對混合水樣的處理試驗數(shù)據(jù)

當(dāng)電流分別為13、26、39、52 A時不同海水添加比例下對應(yīng)的單組電壓數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　不同海水添加比例下的單組電壓數(shù)據(jù)

結(jié)果顯示當(dāng)電流為 52 A、海水添加比例為50%、電解時間為2 h時出水COD最低，為70 mg/L，根據(jù)表2得出此時電壓為2.02 V，折合噸水電耗為3.6 kW·h。

在最佳條件下，ECO處理出水中的余氯約為50～100 mg/L，未能達(dá)到≤0.5 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3去除大腸桿菌及余氯

將ECO出水與MBR出水混合后停留1 h，測定得到每100 g混合后液體的大腸桿菌為0～5個，能夠達(dá)到≤100個的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，原因在于ECO處理出水中含有50～100 mg/L的余氯，可作為消毒劑，殺滅MBR處理出水中的超標(biāo)大腸桿菌，因此使混合后水樣中的大腸桿菌達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求〔10〕。

混合前MBR出水的COD為208 mg/L，與ECO出水混合后一方面能夠稀釋原有余氯，另一方面余氯可繼續(xù)降解MBR出水中的COD，因此混合水樣的余氯降低為1～10 mg/L，但仍未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，此時需添加除氯劑TS-3，添加量為1.57～15.69 mg/L，由在線余氯檢測儀實現(xiàn)自動投加。投加TS-3后混合出水中余氯未檢出，達(dá)到≤0.5mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)〔11〕。

消除余氯后的混合出水COD為110 mg/L，SS為0.5 mg/L，余氯未檢出，每100 g混合出水中大腸桿菌為4個，pH為7.3，BOD5為6 mg/L，達(dá)到了IMO. MEPC227（64）規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)：COD≤125 mg/L，SS≤35 mg/L，余氯≤0.5 mg/L，每100 g水中大腸桿菌≤100個，pH為6～8.5，BOD5≤25 mg/L。

2.4MBR耦合ECO處理生活污水成本分析

MBR耦合ECO工藝處理海上平臺生活污水的成本核算如表3所示。

表3　MBR耦合ECO工藝每日運行成本

成本核算按每天運行24 h進(jìn)行，每天處理海水混合灰水7.8 t，處理淡水混合黑水3.12 t，工業(yè)用電價格為每度電0.71元。試驗中MBR每天共耗電7.9 kW·h，用電成本為5.62元；ECO每天共耗電73.4 kW·h，用電成本為52.14元。膜組件運行100 d后用清洗劑TS-1清洗1次，其用量為0.05 t，折合每天成本3.4元；ECO電解槽運行100 d后用清洗劑TS-2清洗1次，其用量為0.1 t，折合每天成本2.5元；TS-3用量折合每天成本4.3元。綜上，MBR耦合ECO技術(shù)處理海上平臺生活污水每天運行總成本為67.96元，折合噸水成本6.22元。

3　結(jié)論

（1）MBR處理生活污水中黑水的最佳處理條件：MLSS為7 000 mg/L，DO為2～4 mg/L，溫度為20～25℃，HRT為12 h，淡水加入比例為60%，混合液的平均電導(dǎo)率為16 000 μS/cm，生物處理出水、系統(tǒng)最終出水的COD分別為336、208 mg/L，相應(yīng)去除率分別為79%、87%。（2）ECO處理生活污水中灰水的最佳處理條件：極板間距2 cm，電流為52 A，海水添加比例為50%，電解時間為2 h，噸水電耗為3.6 kW·h。（3）MBR處理出水與ECO處理出水混合后停留1 h，向該混合出水加入1.57～15.69 mg/L除氯劑TS-3。消除余氯后混合出水的COD為110 mg/L，SS為0.5 mg/L，余氯未檢出，每100 g混合出水的大腸桿菌為4個，pH為7.3，BOD5為6 mg/L。（4）MBR耦合ECO工藝每天運行24 h，處理污水10.92 t，運行成本為67.96元/d，噸水處理成本6.22元。

［1］劉光成.電催化氧化法處理海上平臺生活污水的現(xiàn)場應(yīng)用［J］.工業(yè)水處理，2014，34（7）：77-78.

［2］張重德，閆肅，滕厚開，等.ECO一體化反應(yīng)器處理海上平臺生活污水試驗研究［J］.工業(yè)水處理，2014，34（5）：73-75.

［3］高光才.海上平臺生活污水處理技術(shù)及處理設(shè)備［J］.中國海上油氣：工程，2002，14（3）：5-8.

［4］孟凡然.海上平臺生活污水一體化裝置的現(xiàn)場應(yīng)用［J］.廣東化工，2015，42（8）：156-157.

［5］伍波，李鵬，張波，等.負(fù)載型粒子電極電催化氧化苯酚的研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2015，35（8）：2426-2432.

［6］Feng Y J，Li X Y.Electro-catalytic oxidation of phenol on several metal-oxideelectrodesinaqueoussolution［J］.WaterResearch，2003，37（10）：2399-2407.

［7］王羅春，蔣愛國，聞人勤.隔膜電解法處理EDTA廢水技術(shù)綜述及其應(yīng)用前景［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2007，23（4）：349-353.

［8］于德爽，李津，陸婕.MBR工藝處理含鹽污水的試驗研究［J］.中國給水排水，2008，24（3）：5-8.

［9］高艷玲，馬達(dá).污水生物處理新技術(shù)［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2006：105-107.

［10］FengJianren，HoukLL，JohnsonDC，etal．Electrocatalysisofanodic oxygen-transfer reactions：the electrochemical incineration of benzoquinone［J］．Electrochemical Society，1991，138（11）：3328-3337.

［11］Comninellis C.Electrocatalysis in the electrochemical conversion/ combustion of organic pollutants for wastewater treatment［J］．Electrochemical Acta，1994，39（11/12）：1857-1862.

——————

Research on the technology of MBR coupled ECO for treating domestic sewage on the offshore oil drilling platform

Huang Yanfeng1，Li Hongtao1，Duan Jingyao1，Li Yong1，Teng Houkai2，Qin Wei2
（1.Caofeidian Operation Co.，CNOOC（China）Ltd.，Tianjin 300461，China；2.CenerTech Tianjin Chemical Research&Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300131，China）

Domestic sewage on offshore platforms can be classified into graywater and blackwater.MBR device has been used for treating the blackwater whose best conditions are as follows：MLSS is 7 000 mg/L，DO 2-4 mg/L，temperature 20-25℃，HRT 12 h，the proportion of fresh water added is 60%，the average electrical conductivity of mixed liquid 16 000 μS/cm.By biological treatment，the system final effluent COD are 336 mg/L and 208 mg/L respectively，the biological removing rate and the system final effluent removing rate are 79%and 87%respectively. ECO device has been used for treating the graywater，whose best conditions are as follows：the plate clearance is 2 cm，electric current 52 A，the proportion of seawater added 50%，electrolysis time 2 h，and power consumption per ton of water 3.6 kW·h.Adding 1.57-15.69 mg/L of NaHSO3to the mixed effluent water，the COD is 110 mg/L，SS 0.5 mg/L，residual chlorine not detected，Escherichia coli value 4/100g，pH 7.3，BOD56 mg/L，and the whole process operation cost CNY67.96 per day.The effluent water can meet the requirements for the discharge standard specified in IMO. MEPC227（64）.

offshore platform；domestic sewage；membrane bioreactor；electro-catalytic oxidation

X703

A

1005-829X（2016）08-0028-04

黃彥鋒（1970―），工程師。E-mail：Huangyanfeng2007@ 163.com。通訊作者：秦微，E-mail：274881782@qq.com。

2016-07-11（修改稿）