高環(huán)烷酸原油污水處理升級(jí)改造

楊雄強(qiáng)

北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100025

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高環(huán)烷酸原油污水處理升級(jí)改造

楊雄強(qiáng)

北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100025

某煉油廠煉制高環(huán)烷酸原油，其排放污水的COD(3 000～5 500 mgL)遠(yuǎn)大于污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2 400 mgL)，導(dǎo)致污水處理廠不能達(dá)標(biāo)排放。采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)各處理單元出水分析發(fā)現(xiàn)，污水中環(huán)烷酸、茚酮類、環(huán)烯(烷)烴、含氮雜環(huán)化合物等有機(jī)物難以有效去除導(dǎo)致出水COD超標(biāo)。通過參考大量文獻(xiàn)，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)確定采用曝氣生物濾池(BAF)、水解酸化、臭氧催化氧化工藝對(duì)污水處理廠實(shí)施升級(jí)改造，改造后工藝流程為隔油+浮選+BAF+水解酸化+A2O生化池+膜生物反應(yīng)器+臭氧催化氧化+生物活性炭。改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：BAF增強(qiáng)污水處理廠抗沖擊負(fù)荷能力，大幅削減污水有機(jī)污染物負(fù)荷，出水COD<2 000 mgL，確保A2O生化池及后續(xù)處理單元在原設(shè)計(jì)工況下平穩(wěn)運(yùn)行；水解酸化能提升BAF廢水可生化性(BC)，并具有“水質(zhì)穩(wěn)定器”作用；裝填催化劑的臭氧氧化塔COD去除率高達(dá)69.4%，污水處理廠出水COD滿足低于60 mgL的排放要求。

高環(huán)烷酸原油污水；曝氣生物濾池(BAF)；水解酸化；臭氧催化氧化

石油化工廢水中主要污染物一般可概括為烴類、烴類化合物及可溶性有機(jī)和無機(jī)組分。其中，可溶性無機(jī)組分主要是硫化氫、氨類化合物及微量重金屬；可溶性有機(jī)組分大多能被生物降解，也有少部分難以被生物降解，或不能被生物降解，如原油、汽油和丙烯等[1]。國內(nèi)大多數(shù)煉油污水處理廠采用“老三套”處理工藝，即隔油—?dú)飧　?，或其改良、改進(jìn)工藝[2]。隨著我國劣質(zhì)高酸原油加工量的逐年增加，常規(guī)“老三套”處理工藝已不能滿足當(dāng)前的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)烷酸是高酸原油加工廢水的特征污染物[3]，主要由環(huán)狀和非環(huán)狀飽和一元酸構(gòu)成的復(fù)雜化合物，其通式為CnH2n+zO2，含有少部分芳香族酸以及N、S等雜原子[4]，相對(duì)分子量在120～700。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)烷酸以環(huán)戊烷和環(huán)己烷為主，非環(huán)狀環(huán)烷酸具有比一般支鏈脂肪酸難降解的烷基側(cè)鏈結(jié)構(gòu)[5-6]。環(huán)烷酸具有難揮發(fā)、難生化降解、有表面活性等特點(diǎn)，是高酸原油廢水處理工藝復(fù)雜、處理難度高的主要原因之一。

圖2 石油類污染物去除效果Fig.2 The removal efficiency of petroleum pollutants

某煉油廠設(shè)計(jì)加工高酸重質(zhì)原油，其配套污水處理廠存在污染物處理效果不穩(wěn)定，出水COD難以持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放等問題。對(duì)原有工藝流程升級(jí)改造，確保污水處理廠出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，以期為同類項(xiàng)目提供借鑒。

1 污水處理廠概況

1.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)及流程

1.1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

煉油廠各生產(chǎn)裝置排放的含油、含鹽污水經(jīng)收集排放至污水處理廠混合后集中處理，污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.1.2 設(shè)計(jì)流程

污水處理廠工藝流程如圖1所示。

表1 污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sewage treatment plant design in and out of the water quality indicators

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow diagram of sewage treatment plant

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀

1.2.1 石油類污染物的去除效果

污水處理廠界區(qū)入口處石油類污染物的平均濃度為53.74 mgL，最大值為155.00 mgL；經(jīng)調(diào)節(jié)罐隔油處理后，石油類污染物的平均濃度為63.77 mgL，最大值為114.00 mgL；經(jīng)斜板隔油—兩級(jí)氣浮后，出水石油類污染物的平均濃度為3.57 mgL，最大值為9.36 mgL。各處理單元石油類污染物監(jiān)測(cè)指標(biāo)見圖2。由圖2可知，石油類污染物可達(dá)標(biāo)排放。

1.2.2 COD的去除效果

圖3 COD去除效果Fig.3 The removal efficiency of COD

1.2.3 氨氮去除效果

圖4 氨氮去除效果Fig.4 The removal efficiency of ammonia

1.3 存在問題

該煉油廠生產(chǎn)時(shí)采用高硫重質(zhì)原油，污水處理廠實(shí)際進(jìn)水COD遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致處理后污水COD達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠外排管線設(shè)有同在線監(jiān)測(cè)儀聯(lián)鎖的自動(dòng)切斷閥，當(dāng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)超標(biāo)時(shí)，將自動(dòng)切斷外排管線，導(dǎo)致污水處理廠停產(chǎn)，進(jìn)而影響生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行。因此，必須對(duì)現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行升級(jí)改造。

2 升級(jí)改造工藝

2.1 污水水質(zhì)分析

為了解現(xiàn)有各處理工藝單元出水中污染物組分，對(duì)界區(qū)入口污水、二沉池出水、MBR出水采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GCMS)分析檢測(cè)。

2.1.1 界區(qū)入口污水

圖5 界區(qū)入口污水酸性有機(jī)組分粒子流譜Fig.5 Particles spectra of boundary area sewage acidic organic constituent

圖6 界區(qū)入口污水堿性和中性有機(jī)組分粒子流譜Fig.6 Particles spectra of boundary area sewage alkali neutral organic constituent

2.1.2 二沉池出水

圖7 二沉池出水酸性有機(jī)組分粒子流譜Fig.7 Particles spectra of secondary sedimentation tank effluent acidic organic constituent

圖8 二沉池出水堿性和中性有機(jī)組分粒子流譜Fig.8 Particles spectra of secondary sedimentation tank effluent alkali neutral organic constituent

由圖7和圖8可知，其主要污染物為環(huán)烷酸、硫代酰胺、環(huán)烯(烷)烴、含氮雜環(huán)化合物及鄰苯二甲酸酯類。

2.1.3 MBR出水

圖9 MBR出水酸性有機(jī)組分粒子流譜Fig.9 Particles spectra of the MBR effluent acidic organic constituent

圖10 MBR出水堿性和中性有機(jī)組分粒子流譜Fig.10 Particles spectra of the MBR effluent alkaline organic constituent

2.2 升級(jí)改造的目的

2.2.1 去除難降解有機(jī)物

由2.1.3節(jié)可知，污水處理廠處理后污水中主要污染物為環(huán)烷酸、茚酮類、環(huán)烯(烷)烴、含氮雜環(huán)化合物及鄰苯二甲酸酯類，而環(huán)烷酸對(duì)COD的貢獻(xiàn)占30%以上，其相對(duì)分子質(zhì)量集中在300左右，大多為C18的環(huán)烷酸。因此，本次升級(jí)改造應(yīng)選擇對(duì)環(huán)烷酸、茚酮類、環(huán)烯(烷)烴、含氮雜環(huán)化合物及鄰苯二甲酸酯類有明顯去除效果的工藝。

2.2.2 削減處理負(fù)荷

污水處理廠來水水質(zhì)遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此需新增處理單元，將來水中大幅超標(biāo)污染物去除，以確?，F(xiàn)有污水處理廠生化單元在設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下運(yùn)行。

2.3 工藝的選擇

本次升級(jí)改造重點(diǎn)是加強(qiáng)環(huán)烷酸的去除。根據(jù)肖梓軍等[7]的研究結(jié)果，目前國內(nèi)外降解環(huán)烷酸的方法主要有生物法、Fenton氧化法、臭氧氧化法和超臨界氧化法。

2.3.1 環(huán)烷酸處理概況2.3.1.1 生物法

生物法是利用微生物、植物以及植物-微生物聯(lián)合作用來降解轉(zhuǎn)化污染物，從而使廢水得到凈化。生物法具有處理費(fèi)用低、對(duì)環(huán)境影響小、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

趙劍強(qiáng)等[8]研究表明，環(huán)烷酸濃度小于2 000 mgL可被厭氧微生物降解，但產(chǎn)甲烷菌只能降解具有單環(huán)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)烷酸，當(dāng)環(huán)數(shù)達(dá)到3個(gè)及以上時(shí)無法進(jìn)行無氧呼吸的降解作用[9]。

劉慶龍等[10]的研究表明，能降解環(huán)烷酸的微生物大部分是好氧微生物，其利用環(huán)烷酸作為生長發(fā)育的碳源和能源進(jìn)行呼吸作用，在各種氧化還原酶的作用下將環(huán)烷酸降解成CO2和O2，或是毒性和相對(duì)分子質(zhì)量較小的有機(jī)物，利用產(chǎn)生的中間產(chǎn)物來合成自身組分，釋放能量以維持自身正常的新陳代謝和生長發(fā)育。

2.3.1.2 Fenton氧化法

Fenton氧化的反應(yīng)機(jī)理是H2O2與Fe2+反應(yīng)分解生成羥基自由基(·OH)和氫氧根離子(OH-)，并引發(fā)聯(lián)鎖反應(yīng)從而產(chǎn)生更多的其他自由基，然后利用這些自由基進(jìn)攻有機(jī)質(zhì)分子，從而破壞有機(jī)質(zhì)分子并使其礦化直至轉(zhuǎn)化為CO2、H2O等無機(jī)質(zhì)。

Lu等[11]采用Fenton法降解石油污染土壤中的環(huán)烷酸，研究表明，環(huán)烷酸提取量從14 800 mgkg降至2 300 mgkg，總?cè)コ蔬_(dá)84.5%。Fenton氧化法的處理效果好，但在處理過程中會(huì)引入大量金屬離子、產(chǎn)生大量化學(xué)污泥，不利于后續(xù)處理。

2.3.1.3 臭氧氧化法

高級(jí)氧化主要利用在催化劑作用下氧化劑分解產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性·OH來氧化水中的有機(jī)污染物[12-13]。臭氧氧化法是高效的高級(jí)氧化技術(shù)，具有氧化性強(qiáng)、反應(yīng)速率快、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。臭氧在水中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生HO2·及·OH。臭氧降解環(huán)烷酸類難降解有機(jī)物的最適pH為堿性，通過臭氧氧化作用，將環(huán)烷酸中的多環(huán)結(jié)構(gòu)氧化成少環(huán)、單環(huán)或鏈狀結(jié)構(gòu)[14]。Scott等[15]研究表明，臭氧氧化能有效去除高分子環(huán)烷酸(n≥22)，去除率可達(dá)70%。

臭氧氧化技術(shù)具有處理效果好、易于操作、成本較低等特點(diǎn)。但該技術(shù)同樣存在設(shè)備要求高、需對(duì)剩余臭氧氣體進(jìn)行處理等缺點(diǎn)。

2.3.1.4 超臨界水氧化技術(shù)(SCWO)

超臨界水氧化技術(shù)是能有效處理有毒、有害物質(zhì)的高濃度難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)。水在臨界狀態(tài)(T>374 ℃，P>22.2 MPa)，并有過量氧的參與下會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的HO2·及HO·，會(huì)將環(huán)烷酸等難降解有機(jī)物徹底分解氧化為CO2和H2O等小分子物質(zhì)。Mandial等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在沒有催化劑條件下，超臨界水對(duì)環(huán)烷酸的去除率可達(dá)83%。

超臨界水氧化技術(shù)對(duì)設(shè)備和能源消耗要求較高，其操作運(yùn)行環(huán)境危險(xiǎn)性較大，因此不適合在大型項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

2.3.2 升級(jí)改造工藝

根據(jù)文獻(xiàn)資料并結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場開展的中試試驗(yàn)結(jié)果，確定本次升級(jí)改造工藝：界區(qū)入口污水經(jīng)原有調(diào)節(jié)罐調(diào)節(jié)，而后依次經(jīng)斜板隔油、兩級(jí)氣浮去除石油類；氣浮出水經(jīng)泵提升至新增的BAF，其出水經(jīng)泵提升至升流式水解酸化罐(原均質(zhì)罐改造)；水解酸化出水依次經(jīng)原有A2O生化池、二沉池及MBR；MBR出水經(jīng)泵提升至臭氧催化氧化塔(原臭氧氧化塔改造)，其出水依次經(jīng)生物活性炭、消毒后達(dá)標(biāo)排放。升級(jí)改造后流程見圖11。

圖11 升級(jí)改造后工藝流程Fig.11 Process flow diagram of sewage treatment plant after upgrade project

升級(jí)改造說明：1)新增BAF，以削減界區(qū)入口污水有機(jī)負(fù)荷(COD)為目的，提高系統(tǒng)抗沖擊能力，確保后續(xù)A2O生化池等處理單元在原有設(shè)計(jì)工況下平穩(wěn)運(yùn)行。暢顯濤等[17]研究表明，固定化曝氣生物濾池(G-BAF)可將高濃煉油(COD為11 278 mgL)處理至COD低于100 mgL。2)原有均質(zhì)調(diào)節(jié)罐改為升流式水解酸化罐，目的是將大分子污染物開環(huán)斷鏈為小分子，提升廢水可生化性(BC)并降低對(duì)好氧微生物的毒性，從而確保后續(xù)A2O生化池等處理單元平穩(wěn)運(yùn)行。3)原臭氧氧化塔內(nèi)裝填專用催化劑，以增強(qiáng)臭氧對(duì)污染物的分解去除效果。

3 升級(jí)改造后的運(yùn)行效果

3.1 COD去除效果

曝氣生物濾池和水解酸化以及臭氧催化氧化對(duì)COD去除效果分別見圖12和圖13。

圖12 BAF、水解酸化對(duì)COD去除效果Fig.12 The removal efficiency of COD by BAF, hydrolysis acidification

圖13 臭氧催化氧化對(duì)COD去除效果Fig.13 The removal efficiency of COD by ozone catalytic oxidation

由圖12可知，升級(jí)改造后調(diào)節(jié)罐出水COD平均值為4 073.5 mgL，最大值為5 395.0 mgL；經(jīng)曝氣生物濾池好氧氧化后出水COD平均值為902.5 mgL，最大值為1 790.0 mgL，COD去除率為77.8%；經(jīng)水解酸化后出水COD平均值為598.0 mgL，最大值為765.0 mgL，COD去除率為33.7%。曝氣生物濾池抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，進(jìn)水COD為3 000～5 500 mgL波動(dòng)條件下，出水COD趨于平穩(wěn)；曝氣生物濾池大幅削減廢水有機(jī)污染物，對(duì)COD去除率高達(dá)77.8%；水解酸化雖然對(duì)COD的去除率較低，但其實(shí)現(xiàn)“水質(zhì)穩(wěn)定器”作用，使出水COD平穩(wěn)。

由圖13可知，升級(jí)改造后MBR出水COD平均值為165.6 mgL，最大值為231.0 mgL；經(jīng)臭氧催化氧化后出水COD平均值為50.6 mgL，最大值為64.0 mgL，COD去除效率為69.4%。原設(shè)計(jì)的臭氧氧化塔，裝填催化劑形成臭氧催化氧化后，在相同塔容、水力停留時(shí)間條件下，臭氧對(duì)污水中有機(jī)物的氧化效率更高并能保證出水COD平穩(wěn)。

3.2 水解酸化運(yùn)行效果

BAF和水解酸化出水COD、BOD5檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 BAF、水解酸化出水指標(biāo)Table 2 Index of BAF, hydrolysis acidification tank water detection

4 結(jié)論

(1)通過新增曝氣生物濾池及水解酸化處理單元，并對(duì)臭氧氧化實(shí)施改造后，可確保污水處理廠出水水質(zhì)平穩(wěn)達(dá)標(biāo)排放。

(2)曝氣生物濾池抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，進(jìn)水COD為3 000～5 500 mgL波動(dòng)條件下，出水COD平穩(wěn)(COD<2 000 mgL)，從而確保后續(xù)處理單元在原設(shè)計(jì)工況下平穩(wěn)運(yùn)行。

(3)曝氣生物濾池大幅削減廢水有機(jī)污染物，對(duì)COD去除率可達(dá)77.8%。

(4)水解酸化提升曝氣生物濾池出水可生化性，同時(shí)具有“水質(zhì)穩(wěn)定器”作用。

(5)裝填催化劑的臭氧氧化塔，COD去除率可達(dá)69.4%，污水處理廠出水COD基本實(shí)現(xiàn)小于60 mgL，平穩(wěn)達(dá)標(biāo)。

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Upgrading of high naphthenic acid crude oil wastewater treatment

YANG Xiongqiang

Beijing BHZQ Environmental Engineering Technology Co., Ltd., Beijing 100025, China

The wastewater COD concentration (3 000-5 500 mgL) from a refinery refining high naphthenic crude oil is far greater than the design index (2 400 mgL) of the wastewater treatment plant (WWTP), resulting in incompliance of the discharge standard. By using gas chromatographymass spectrometry (GCMS), the effluents of each process unit were analyzed, showing that organic matters in wastewater, such as naphthenic acid, indene ketone, cycloalkene (cycloalkanes) and nitrogen heterocyclic compounds, were difficult to be effectively removed, leading to exceeding of COD discharge standard. Referring to large number of literatures and combining the field pilot test, the processes of biological aerated filter (BAF), hydrolysis acidification and ozone catalytic oxidation were adopted for upgrading of the WWTP. The upgraded processes include oil separation + two-stage flotation + BAF + hydrolytic acidification + A2O biochemical treatment + membrane bioreactor (MBR) + ozone catalytic oxidation + activated carbon. After upgrading, the operational data showed that the BAF could enhance the anti-shock loading performance of the WWTP, greatly decrease the organic pollutant load, with effluent COD<2 000 mgL, and make A2O biochemical treatment and subsequent processing units run stably under the original design conditions. The hydrolytic acidification could enhance biochemical BC ratio of BAF wastewater, and serve as "water quality stabilizer". The COD removal rate of ozone oxidation tower loading with catalyst was as high as 69.4%, and the effluent COD met the requirements of discharge standards (<60 mgL).

high naphthenic acid crude oil wastewater; biological aerated filter (BAF); hydrolytic acidification; catalytic oxidation of ozone

2016-06-01

楊雄強(qiáng)(1982—)，男，工程師，主要從事工業(yè)、市政廢水處理研究，clareyoung@163.com

X703.1

1674-991X(2017)01-0024-08

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