電解法生活污水處理裝置在海上平臺(tái)的應(yīng)用

郭奕杉，馮文東，朱夢(mèng)影，張?jiān)藕?，孔令?/p>

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電解法生活污水處理裝置在海上平臺(tái)的應(yīng)用

郭奕杉1，馮文東1，朱夢(mèng)影2，張?jiān)藕?，孔令雷1

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459； 2. 中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院， 天津 300459）

電解法可以有效處理和凈化生活污水。闡述了電解法處理生活污水的原理及特點(diǎn)，對(duì)蓬萊19-9油田J平臺(tái)生活污水處理裝置的工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。數(shù)據(jù)表明經(jīng)裝置處理后的COD排放值可以滿足GB4914-2008《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》排海標(biāo)準(zhǔn)。為了使污水處理裝置更加高效地被利用，對(duì)J平臺(tái)使用的電解法處理生活污水裝置進(jìn)行了設(shè)備改進(jìn)，在提高了處理效果的同時(shí)降低了維護(hù)成本，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可推廣應(yīng)用于新平臺(tái)的建設(shè)及舊平臺(tái)的改造。

海上平臺(tái)；電解法；生活污水處理；COD4；蓬萊19-9油田

海上平臺(tái)是長(zhǎng)期矗立在海洋中的油氣開(kāi)采設(shè)施，人員日常生活產(chǎn)生的污水直接排海會(huì)導(dǎo)致污染。生活污水處理裝置是海上生活設(shè)施所必需的基本設(shè)備[1,2]。蓬萊19-9油田采用電解法處理生活污水，使其COD等指標(biāo)滿足法規(guī)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。作為新投產(chǎn)的海上平臺(tái)，蓬萊19-9油田J平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)電解法處理生活污水設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在提高處理效果和降低成本方面取得較好成效，可在今后的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中予以借鑒。

1 生活污水水質(zhì)

根據(jù)來(lái)源不同，可將平臺(tái)生活污水分為灰水和黑水?；宜侵赶词殖?、洗衣間、廚房及醫(yī)務(wù)室排出的含有洗滌劑或醫(yī)療化學(xué)物質(zhì)的水。黑水是指廁所下水管排放的含有糞、尿等排泄物的水。生活污水含有大量的細(xì)菌和油污，若直接排放，污水中過(guò)量的氨氮和磷酸鹽會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇，嚴(yán)重污染水體[3]。

表1 為平臺(tái)生活污水主要指標(biāo)物質(zhì)含量。

表1 蓬萊19-9油田J平臺(tái)生活污水主要指標(biāo)

2 電解法處理生活污水

2.1 電解法原理

2.1.1 電絮凝技術(shù)

電絮凝設(shè)備以鋁、鐵金屬作陽(yáng)極，在直流電作用下產(chǎn)生金屬離子。這些金屬離子在以廢水為電解質(zhì)的溶液中進(jìn)行水解、聚合，生成了氫氧化物及多羥基高分子線型物。繼而通過(guò)壓縮雙電層作用和吸附架橋作用使污水中懸浮物和乳化物失穩(wěn)，最終形成絮狀物質(zhì)凝聚沉淀。在這一過(guò)程中，具有鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的配位化合物與氫氧化物對(duì)污水中懸浮顆粒、油脂進(jìn)行高效吸附，其吸附能力要大于通過(guò)藥劑水解方式得到的液態(tài)吸附劑[4-7]。

以金屬鐵做陽(yáng)極為例，主要電極反應(yīng)為：

陽(yáng)極 Fe→Fe2++2e-

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH-

陰極 2H2O+2e-→2OH-+H2

2.1.2 電解槽處理

與電絮凝原理類似，通電后電解槽裝置的陽(yáng)極生成具有強(qiáng)還原性的金屬離子，對(duì)廢水中難以降解的物質(zhì)進(jìn)行還原反應(yīng)。同時(shí)，陰極發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，廢水中有機(jī)物被直接氧化為H2O、CO2或分解成低分子有機(jī)物。

實(shí)際運(yùn)用中，將生活污水與海水混合，然后流入由多組陰、陽(yáng)極構(gòu)成的電解槽設(shè)備。含有大量NaCl的海水在電解槽中發(fā)生反應(yīng)：

NaCl+H2O=NaClO+H2↑

反應(yīng)產(chǎn)物NaClO作為強(qiáng)氧化消毒劑，在氣體攪拌作用下與廢水中細(xì)菌充分接觸，可以大量、近乎完全地將細(xì)菌殺滅[4-9]。

2.1.3 電氣浮作用

電解過(guò)程中，物質(zhì)被電解氧化而產(chǎn)生的O2、H2及少量Cl2對(duì)廢水中懸浮物有很強(qiáng)的捕獲能力。這些在水中以極小氣泡形式存在的氣體與絮狀顆粒接觸后，使其上浮至液面形成浮渣而得以去除。

整個(gè)電解法處理污水過(guò)程中，最重要的一步是高活性金屬配位化合物與氫氧化物吸附、凝聚污水中的懸浮污染顆粒，促進(jìn)沉降分離。隨后的電解流程是將以絮狀物態(tài)存在的廢物進(jìn)行氧化及消毒[4-7]。

2.2 電解法處理平臺(tái)生活污水

蓬萊19-9油田J平臺(tái)使用青島雙瑞公司生產(chǎn)的ET800生活污水處理撬塊。撬塊設(shè)計(jì)液力負(fù)荷（黑水+灰水）為56 m3/d，設(shè)計(jì)總處理水量為76 m3/d，以保證每日最多可混入20 m3海水進(jìn)流程。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施人員生活污水排放定額按每人每天350 L考慮，在乘以J平臺(tái)額定POB 120人和安全系數(shù)1.2后，每天污水排放量為50.4 m3，在撬塊的處理能力范圍以內(nèi)。撬塊主要設(shè)備為電絮凝單元、電解槽、收集罐以及各設(shè)備間的抽水泵等。

黑水和灰水首先進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)緩沖罐出口粉碎泵攪拌、打碎后流入電絮凝裝置進(jìn)行第一級(jí)電解反應(yīng)（圖1）。

圖1 電絮凝設(shè)備反應(yīng)機(jī)理示意圖

在凝聚和電氣浮作用下懸浮顆粒沉降或形成浮渣，隨后從電絮凝裝置頂部出口進(jìn)入收集罐。當(dāng)收集罐液位升至一定高度后，其出口泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)將污水打入書型電解槽，同時(shí)與海水以3:1的體積比進(jìn)行混合，進(jìn)行第二級(jí)電解反應(yīng)，殺滅細(xì)菌、去除有機(jī)物。被充分電解后的污水由電解槽上部出口流至停留池進(jìn)行一段時(shí)間的停留，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定液位后，停留池出口泵啟動(dòng)，將處理后污水排海。收集罐和停留池內(nèi)部設(shè)計(jì)了溢流擋板，延長(zhǎng)污水停留時(shí)間，從而保證了剩余的細(xì)菌被殺滅，并使部分氧化物質(zhì)在罐內(nèi)沉淀。工藝流程如圖2所示。

圖2 ET800型生活污水處理裝置工藝流程圖

設(shè)備運(yùn)行初期，收集罐出口泵時(shí)常被毛發(fā)等物質(zhì)堵塞導(dǎo)致排放受阻，平臺(tái)生產(chǎn)人員需時(shí)常進(jìn)行拆泵清理和維修。針對(duì)該情況，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在收集罐出口處加裝了Y型過(guò)濾器，減少了下游泵的故障率，降低了維修成本。

對(duì)經(jīng)處理的生活污水進(jìn)行連續(xù)4次采樣，每次采樣時(shí)間間隔大于24 h。水樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 電解法處理后生活污水檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)鋁離子絮凝沉淀和電解殺菌后，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，在隨機(jī)的采樣時(shí)間里，COD值符合GB4914-2008海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值標(biāo)準(zhǔn)。

3 設(shè)備改進(jìn)與常見(jiàn)問(wèn)題

與生化法、膜過(guò)濾法等污水處理方式相比，電解法的優(yōu)勢(shì)在于：①設(shè)備占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間；②不將罐體底部廢渣反沖洗排海，而是經(jīng)壓實(shí)干化后存入廢渣收集罐，直接運(yùn)回陸地，最大限度降低對(duì)海洋污染；③無(wú)需添加化學(xué)藥劑，節(jié)約資源且避免污染；④適用的pH范圍寬[10,11]。

根據(jù)海上平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了一系列的調(diào)整與改進(jìn)：

3.1 電極材料的選擇

根據(jù)使用環(huán)境不同選擇適宜的電極材料是電絮凝裝置高效運(yùn)行的關(guān)鍵。在多種可用作電極的金屬材料中，鋁和鐵由于其良好的溶解性和相對(duì)低廉的價(jià)格最經(jīng)常被使用。工業(yè)廢水含有大量重金屬污染物、酸堿污染物等，多采用鐵作陽(yáng)極，而對(duì)于污染相對(duì)較輕的生活污水，則多采用金屬鋁作陽(yáng)極。這是由于鋁電極出水穩(wěn)定、清潔，能滿足較高的處理需求。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和效果分析，J平臺(tái)生活污水處理裝置采用金屬鋁作為電極。

3.2 電絮凝并聯(lián)改造

電絮凝設(shè)備是整個(gè)污水處理系統(tǒng)的核心之一，它的溶解性陽(yáng)極消耗較大，需定時(shí)更換，且運(yùn)行成本相對(duì)較高，為避免電絮凝裝置故障或維護(hù)導(dǎo)致整體設(shè)備停用，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)改造。將一個(gè)大的電絮凝設(shè)備拆解成兩個(gè)小電絮凝體，在裝置結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，進(jìn)出水口可以分別控制（圖2）。兩臺(tái)小電絮凝體同時(shí)運(yùn)行的處理能力高于同體積的單體電絮凝裝置。當(dāng)其中一臺(tái)需進(jìn)行極板更換或短時(shí)間拆卸維修時(shí)，可僅運(yùn)行另一臺(tái)電絮凝裝置，從而保證了整體設(shè)備不停機(jī)。

3.3 停留時(shí)間不足

殺菌效果與污水經(jīng)電解后在罐內(nèi)停留的時(shí)間密切相關(guān)。初始設(shè)定的停留池液位排放高度難以滿足停留時(shí)間要求，處理后的污水水質(zhì)經(jīng)常不達(dá)標(biāo)。為改善處理效果，延長(zhǎng)停留時(shí)間，提高了停留池內(nèi)部浮球液位計(jì)的低、中液位設(shè)定高度。該設(shè)定雖然保證了出水水質(zhì)，但在用水高峰時(shí)罐體可能發(fā)生液位過(guò)高無(wú)法及時(shí)排出而導(dǎo)致溢流的情況。在保證處理效果的前提下，設(shè)定合理的起泵液位是今后需要觀察、改進(jìn)的工作之一。

3.4 來(lái)液量過(guò)大造成流程不穩(wěn)

生活污水排放量隨平臺(tái)人員的工作、休息時(shí)間呈規(guī)律性變化。對(duì)J平臺(tái)在一周內(nèi)淡水罐用水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出每日用水量曲線圖（圖3）。通過(guò)圖示曲線可以看出每日6:00至7:00、18:30至22:00是用水高峰期。此外，夜間洗滌工服衣物和12:00部分人員倒班，也是生活污水排放量小高峰。

圖3 J平臺(tái)每日生活用水量曲線變化圖

在下一步改造中，計(jì)劃在生活污水處理設(shè)備入口增加緩沖裝置。緩沖裝置包括了進(jìn)入緩沖罐前的緩沖罐以及緩沖罐出口循環(huán)泵。其目的：①有足夠大的空間儲(chǔ)存來(lái)液，在用水高峰期、來(lái)液較大時(shí)有效防止冒罐和來(lái)液沖擊；②在緩沖裝置內(nèi)部循環(huán)的過(guò)程中進(jìn)行了初步處理和沉降；③通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)量，使污水以適當(dāng)?shù)牧髁窟M(jìn)入緩沖罐，保證處理裝置平穩(wěn)、高效運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少維修次數(shù)，降低維修成本。

4 結(jié)論

海上平臺(tái)采用電解法處理生活污水能滿足渤海海域排放指標(biāo)要求，同時(shí)電解法還是一種綠色清潔工藝：（1）設(shè)備占地空間小；（2）設(shè)備操作簡(jiǎn)易，有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理；（3）無(wú)需添加其他化學(xué)藥劑，處理污水pH范圍寬。根據(jù)海上平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和改造，有利于更進(jìn)一步提高處理效果和降低成本。

［1］張保學(xué)，張保華，孔祥軍，等.海上平臺(tái)生活污水處理設(shè)施處理效果比較[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2015，25(6)：33-36.

［2］嚴(yán)良.破乳-絮凝法處理含油污水的研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2016：8-11．

［3］李艷麗，張光玉，曹宏梅.城市污水處理現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展[J].天津科技，2011（4），26-27

［4］胡延成，馬貴陽(yáng)，楊濤.埋地管道相應(yīng)啟動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（6）：26-29.

［5］林輝.脈沖電絮凝處理餐飲廢水的研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004：8-10.

［6］尚淑麗.屋面雨水雨能聯(lián)合利用及電絮凝實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2015：54-56.

［7］趙玲玲，蔡照勝.過(guò)氧化氫強(qiáng)化微電解法處理城市生活污水[J].當(dāng)代化工，2010（4）：180-182.

［8］喻敏霞，王美蘭，劉玉玲.電絮凝法處理垃圾滲濾液的試驗(yàn)研究[J].污染防治技術(shù)，2013,26(5)：7-9.

［9］王蓉沙，鄧皓，肖遙，等.電絮凝法處理油田污水[J].環(huán)境科學(xué)研究,1999,12(4)：30-32.

［10］封明，雷小利.電解法在廢水處理中的應(yīng)用[J].電鍍與精飾，2013,35(1):43-46.

［11］李偉濤，孫占新，楊成鵬，等.海洋平臺(tái)生活污水處理工藝及發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)工程與裝備，2011(4)：172-174.

Application of Electrolytic Domestic Sewage Treatment Device in Offshore Platforms

1，1，2，1，1

（1. CNOOC Pengbo Operation Company , Tianjin 300459，China；2. China Natural Offshore Oilfield Corporation Limited Bohai Oilfield Research Institute, Tianjin 300459，China）

Elecrtolysis is a kind of effective method for treating and purifying domestic sewage. In this paper, the principle and characteristics of sewage electrolytic treatment process were described, and the process flow of sewage treatment unit on wellhead platform J in Penglai 19-9 oilfield was introduced. The running data indicates that the COD value of treated sewage can meet the standard of "GB4914-2008 offshore oil exploration and development pollutant emission concentration limits". In order to increase the efficiency of the electrolytic sewage treatment device, the equipment improvement has been carried out to reduce the maintenance cost. The relevant experience can be applied to the construction of new platform and transformation of old platform.

Offshore platform; Electrolytic process;Sewage treatment; COD; Penglai 19-9 oilfield

X 703

A

1671-0460（2017）12-2508-03

2017-04-26

郭奕杉（1990-），男，天津市人，助理工程師，碩士研究生，2015年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）石油與天然氣工程專業(yè)，主要從事海洋石油油氣生產(chǎn)工作。E-mail：guoysh5@cnooc.com.cn。

朱夢(mèng)影（1990-），女，助理工程師，碩士研究生，研究方向：海洋石油工程工藝方向。E-mail：zhumy6@cnooc.com.cn。