電解法生活污水處理裝置在海上平臺的應用

郭奕杉，馮文東，朱夢影，張耘赫，孔令雷

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電解法生活污水處理裝置在海上平臺的應用

郭奕杉1，馮文東1，朱夢影2，張耘赫1，孔令雷1

（1. 中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459； 2. 中海石油（中國）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，對蓬萊19-9油田J平臺生活污水處理裝置的工藝流程進行了詳細介紹。數(shù)據(jù)表明經(jīng)裝置處理后的COD排放值可以滿足GB4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》排海標準。為了使污水處理裝置更加高效地被利用，對J平臺使用的電解法處理生活污水裝置進行了設備改進，在提高了處理效果的同時降低了維護成本，相關經(jīng)驗可推廣應用于新平臺的建設及舊平臺的改造。

海上平臺；電解法；生活污水處理；COD4；蓬萊19-9油田

海上平臺是長期矗立在海洋中的油氣開采設施，人員日常生活產(chǎn)生的污水直接排海會導致污染。生活污水處理裝置是海上生活設施所必需的基本設備[1,2]。蓬萊19-9油田采用電解法處理生活污水，使其COD等指標滿足法規(guī)排放標準要求。作為新投產(chǎn)的海上平臺，蓬萊19-9油田J平臺對傳統(tǒng)電解法處理生活污水設備進行了改進，在提高處理效果和降低成本方面取得較好成效，可在今后的設計和應用中予以借鑒。

1 生活污水水質(zhì)

根據(jù)來源不同，可將平臺生活污水分為灰水和黑水?；宜侵赶词殖?、洗衣間、廚房及醫(yī)務室排出的含有洗滌劑或醫(yī)療化學物質(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菌和油污，若直接排放，污水中過量的氨氮和磷酸鹽會導致水體富營養(yǎng)化加劇，嚴重污染水體[3]。

表1 為平臺生活污水主要指標物質(zhì)含量。

表1 蓬萊19-9油田J平臺生活污水主要指標

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

電絮凝設備以鋁、鐵金屬作陽極，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。在這一過程中，具有鏈式結(jié)構(gòu)的配位化合物與氫氧化物對污水中懸浮顆粒、油脂進行高效吸附，其吸附能力要大于通過藥劑水解方式得到的液態(tài)吸附劑[4-7]。

以金屬鐵做陽極為例，主要電極反應為：

陽極 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極生成具有強還原性的金屬離子，對廢水中難以降解的物質(zhì)進行還原反應。同時，陰極發(fā)生電化學氧化反應，廢水中有機物被直接氧化為H2O、CO2或分解成低分子有機物。

實際運用中，將生活污水與海水混合，然后流入由多組陰、陽極構(gòu)成的電解槽設備。含有大量NaCl的海水在電解槽中發(fā)生反應：

NaCl+H2O=NaClO+H2↑

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

2.1.3 電氣浮作用

電解過程中，物質(zhì)被電解氧化而產(chǎn)生的O2、H2及少量Cl2對廢水中懸浮物有很強的捕獲能力。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。

整個電解法處理污水過程中，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)存在的廢物進行氧化及消毒[4-7]。

2.2 電解法處理平臺生活污水

蓬萊19-9油田J平臺使用青島雙瑞公司生產(chǎn)的ET800生活污水處理撬塊。撬塊設計液力負荷（黑水+灰水）為56 m3/d，設計總處理水量為76 m3/d，以保證每日最多可混入20 m3海水進流程。海上油氣生產(chǎn)設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)。撬塊主要設備為電絮凝單元、電解槽、收集罐以及各設備間的抽水泵等。

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

圖1 電絮凝設備反應機理示意圖

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入收集罐。當收集罐液位升至一定高度后，其出口泵會自動啟動將污水打入書型電解槽，同時與海水以3:1的體積比進行混合，進行第二級電解反應，殺滅細菌、去除有機物。被充分電解后的污水由電解槽上部出口流至停留池進行一段時間的停留，當?shù)竭_一定液位后，停留池出口泵啟動，將處理后污水排海。收集罐和停留池內(nèi)部設計了溢流擋板，延長污水停留時間，從而保證了剩余的細菌被殺滅，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

設備運行初期，收集罐出口泵時常被毛發(fā)等物質(zhì)堵塞導致排放受阻，平臺生產(chǎn)人員需時常進行拆泵清理和維修。針對該情況，對設備進行了改進，在收集罐出口處加裝了Y型過濾器，減少了下游泵的故障率，降低了維修成本。

對經(jīng)處理的生活污水進行連續(xù)4次采樣，每次采樣時間間隔大于24 h。水樣檢測結(jié)果見表2。

表2 電解法處理后生活污水檢測結(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，在隨機的采樣時間里，COD值符合GB4914-2008海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值標準。

3 設備改進與常見問題

與生化法、膜過濾法等污水處理方式相比，電解法的優(yōu)勢在于：①設備占地面積小，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)壓實干化后存入廢渣收集罐，直接運回陸地，最大限度降低對海洋污染；③無需添加化學藥劑，節(jié)約資源且避免污染；④適用的pH范圍寬[10,11]。

根據(jù)海上平臺實際應用情況，對設備進行了一系列的調(diào)整與改進：

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行的關鍵。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低廉的價格最經(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，多采用鐵作陽極，而對于污染相對較輕的生活污水，則多采用金屬鋁作陽極。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)過多次試驗和效果分析，J平臺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

電絮凝設備是整個污水處理系統(tǒng)的核心之一，它的溶解性陽極消耗較大，需定時更換，且運行成本相對較高，為避免電絮凝裝置故障或維護導致整體設備停用，現(xiàn)場進行了相關改造。將一個大的電絮凝設備拆解成兩個小電絮凝體，在裝置結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)并聯(lián)，進出水口可以分別控制（圖2）。兩臺小電絮凝體同時運行的處理能力高于同體積的單體電絮凝裝置。當其中一臺需進行極板更換或短時間拆卸維修時，可僅運行另一臺電絮凝裝置，從而保證了整體設備不停機。

3.3 停留時間不足

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

3.4 來液量過大造成流程不穩(wěn)

生活污水排放量隨平臺人員的工作、休息時間呈規(guī)律性變化。對J平臺在一周內(nèi)淡水罐用水量進行了統(tǒng)計分析，得出每日用水量曲線圖（圖3）。通過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平臺每日生活用水量曲線變化圖

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

4 結(jié)論

海上平臺采用電解法處理生活污水能滿足渤海海域排放指標要求，同時電解法還是一種綠色清潔工藝：（1）設備占地空間?。唬?）設備操作簡易，有助于實現(xiàn)自動化管理；（3）無需添加其他化學藥劑，處理污水pH范圍寬。根據(jù)海上平臺的實際應用情況，進行針對性的設計和改造，有利于更進一步提高處理效果和降低成本。

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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)于中國地質(zhì)大學（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。