強(qiáng)電解式生活污水處理裝置應(yīng)用研究

孫立剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司）

海洋污染一直是海洋生態(tài)環(huán)境面臨的重大問題， 隨著GB 4914—2008 和IMO MEPC.159（55）污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，海上船舶和海洋平臺生活污水裝置對生活污水處理后的出水排放指標(biāo)進(jìn)一步提高。

目前，海上設(shè)施常見的生活污水處理工藝有生化法加膜、生化加電絮凝和普通電解法［1］。其中生化法加膜工藝和生化加電絮凝工藝是基于生化法實(shí)現(xiàn)污水處理的方法，生化法［2］處理污水目前工藝技術(shù)相對成熟，但是由于海上設(shè)施為節(jié)省淡水消耗，沖廁水為海水，鹽度相對較高，生活污水裝置來水負(fù)荷不穩(wěn)定等特殊性，細(xì)菌的培養(yǎng)受到嚴(yán)重影響， 生活污水裝置容易處于癱瘓狀態(tài)，重新進(jìn)行細(xì)菌的培養(yǎng)還需要一定的時間，這樣會一定程度上造成海洋污染。 此外，生化法處理工藝占用面積大，無論是海上平臺還是船舶設(shè)施空間有限，合理利用海上空間是海上生活污水裝置可行性的關(guān)鍵因素之一。 膜工藝需要定期進(jìn)行膜的清洗，清洗劑一般為危化品，如氫氧化鈉。 膜的清洗人員不專業(yè)、清洗不及時，會造成設(shè)備的損壞和人員的傷害，因此不適合海上平臺和船舶使用。 經(jīng)調(diào)研，渤海灣附近的海上設(shè)施采用普通電解法，普通電解法處理生活污水均采用弱電解方式［3］，電極為普通管式石墨電極，電解過程中電極棒的工作電壓、電流和電極棒功率隨著污水處理量多少稍有差異。 電解過程產(chǎn)生的羥基自由基、有效氯等強(qiáng)氧化劑的濃度較低， 降解COD 的能力有限。 另外一個弊端，采取普通電解法的裝置工藝不涉及保安濾器等過濾裝置，出水懸浮物較高，嚴(yán)重影響出水指標(biāo)。

基于以上海洋平臺污水處理工藝，筆者研究設(shè)計了一種強(qiáng)電解生活污水處理工藝，以期實(shí)現(xiàn)綠色高效降解污水COD 的方法， 實(shí)現(xiàn)污水的零排放。

1 系統(tǒng)工藝設(shè)計

如圖1 所示，強(qiáng)電解生活污水處理裝置是利用電解產(chǎn)生的羥基自由基和有效氯處理生活污水的新型生活污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個電解處理主撬單元、一個調(diào)節(jié)過濾單元、電解后的分解過濾單元及其他附屬設(shè)備組成。 處理裝置采用獨(dú)立的就地控制盤，自動化控制，可連續(xù)地處理生活用污水。

首先來自海上設(shè)施生活區(qū)的黑水以及經(jīng)撇油處理的灰水進(jìn)入調(diào)節(jié)處理單元的緩沖罐中，緩沖罐與主撬的工藝調(diào)節(jié)罐由管道聯(lián)通；調(diào)節(jié)罐配裝有液位控制系統(tǒng)，污水液位達(dá)到啟動液位高度時，啟動風(fēng)機(jī)和粉碎泵，將來自水中的雜質(zhì)污物粉碎后送往系統(tǒng)的過濾裝置，濾掉大于1mm 的污物雜質(zhì)。

圖1 強(qiáng)電解生活污水工藝流程簡圖

經(jīng)過濾后的污水按比例摻加一定量的海水，在多功能處理罐預(yù)處理艙室內(nèi)混合，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)曝氣。 混合后的污水由電極提升泵提升至強(qiáng)電解槽，在電解槽內(nèi)水和氧氣在強(qiáng)電場作用下將大部分氧氣、水等電離，產(chǎn)生的羥基自由基以及氧正基（O2+）等活性粒子溶解在海水中形成羥基溶液，此外電解海水中的氯化鈉等鹽類物質(zhì)生成有效氯（包括HClO、ClO-、Cl2）強(qiáng)氧化物質(zhì)。 對污水降解處理后，先流入多功能罐清水罐艙室中脫氣處理， 防止電解產(chǎn)生的氫氣濃度過高發(fā)生爆炸危險。 羥基自由基產(chǎn)生過程如圖2 所示。

圖2 羥基自由基等活性粒子產(chǎn)生過程

在電解槽內(nèi)電解生成有效氯涉及的離子反應(yīng)有：

經(jīng)脫氣后的污水含有羥基自由基和有效氯氧化型消毒劑，通過外排泵輸送到分解沉降罐滯留一段時間進(jìn)行充分反應(yīng)， 在此進(jìn)一步殺菌消毒、均質(zhì)化，最后達(dá)標(biāo)排放。 分解沉降罐內(nèi)置過濾器，電極排出的垢類雜質(zhì)經(jīng)過濾，會沉降到罐的底部緩慢溶解，少量殘?jiān)枰ㄆ谂懦觥?系統(tǒng)工藝設(shè)計回流管線，對前端工藝提前預(yù)處理，將部分達(dá)標(biāo)排放的污水回流至緩沖罐、調(diào)節(jié)罐和多功能處理罐，提前對污水預(yù)處理氧化除臭。

2 系統(tǒng)控制

整個污水裝置選用西門子200SmartPLC 作為控制器，系統(tǒng)具有就地和遠(yuǎn)程控制功能，采用Smart1000IE 觸摸屏和現(xiàn)場操作按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備就地控制，同時利用上位機(jī)WinCC 組態(tài)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［4］。 整個系統(tǒng)運(yùn)行正常處于全自動工作狀態(tài)，無需人員手動操作，大幅減少設(shè)備巡檢人員的工作量。 系統(tǒng)主要控制的設(shè)備有粉碎泵、電解提升泵、外排泵、風(fēng)機(jī)和電解電極。當(dāng)PLC 檢測到高液位啟動信號時，系統(tǒng)按風(fēng)機(jī)、粉碎泵、供液泵、電解、出液泵的順序啟動各設(shè)備進(jìn)行污水的電解處理。 當(dāng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，污水處理罐中污水液位不斷降低至低液位信號，系統(tǒng)進(jìn)入自動停止電解程序，首先關(guān)閉電解輸出、出液泵和粉碎泵，之后停止風(fēng)機(jī)和供液泵， 系統(tǒng)進(jìn)入自動待機(jī)狀態(tài)。

系統(tǒng)配置有稀釋風(fēng)機(jī)，用于稀釋電解產(chǎn)生的氫氣，稀釋符合標(biāo)準(zhǔn)后排出舷外。 在自動運(yùn)行狀態(tài)下， 啟動后風(fēng)機(jī)永遠(yuǎn)先于其他設(shè)備先啟動運(yùn)行，關(guān)閉時遲后于其他設(shè)備停止運(yùn)行，以把脫氣室內(nèi)的殘余氫氣排出。 系統(tǒng)設(shè)計有風(fēng)道水封機(jī)構(gòu)置于多功能罐脫氫室上部，由自動補(bǔ)水器為水封器供水，用以風(fēng)機(jī)與脫氣室的密閉隔離。

整個污水處理系統(tǒng)的核心為電極，電極鍍鉑鈦電極［5］，鈦電極電流效率高，節(jié)能效果好，具有抗腐蝕性能，活性層失活后可以重涂，基體可重復(fù)使用。 通過整流電源輸入380V 50Hz-3P 供電，輸出功率可根據(jù)污水處理量和污水外排標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流可調(diào)(最大可至100A)，電壓可調(diào)(最大可至50V)。 自動運(yùn)行模式中，電解輸出時啟動序列里最后一個執(zhí)行動作的設(shè)備，也是自動停止電解程序里最先退出運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備。

系統(tǒng)具有異常報警功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測到氫氣濃度過高、液位過高、泵或風(fēng)機(jī)過載、電極過載及低液位等情況時系統(tǒng)發(fā)出報警，裝置退出自動運(yùn)行狀態(tài)， 等待設(shè)備巡檢人員檢查故障并進(jìn)行復(fù)位，報警去除后，方可恢復(fù)正常使用。

3 測試

3.1 羥基自由基和有效氯降解COD 的試驗(yàn)

強(qiáng)電解法處理污水工藝?yán)煤Ｋ娊夥椒óa(chǎn)生強(qiáng)氧化劑對污水進(jìn)行處理，但由于海水中含有大量氯離子， 氯離子會使污水COD 測量結(jié)果偏高。 本項(xiàng)目采用國標(biāo)GB 11914—1989 重鉻酸鉀測定法進(jìn)行COD 測試， 根據(jù)氯離子濃度加入適量硫酸汞屏蔽氯離子干擾。 試驗(yàn)選取未經(jīng)處理的早高峰期生活污水作為水樣， 測得COD 值為650mg/L，通過配比一定量海水，電解電極工作電壓設(shè)置為45V、電流70A，經(jīng)筆者設(shè)計裝置進(jìn)行處理，處理后污水每隔15min 采樣一次，進(jìn)行COD化驗(yàn)。 多次試驗(yàn)測得COD 值與消解沉降時間關(guān)系如圖3 所示，可以看出，增加污水與氧化劑消解反應(yīng)時間可以提高COD 的去除率， 反應(yīng)超過3h，COD 去除率可達(dá)96%， 消解時間20min 左右COD 值就達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。

圖3 COD 值與電解后產(chǎn)生氧化劑作用時間關(guān)系

3.2 羥基自由基和有效氯殺滅污水微生物的試驗(yàn)

羥基自由基和有效氯等氧化劑致死水中細(xì)菌和單細(xì)胞藻類試驗(yàn)如圖4 所示， 試驗(yàn)結(jié)果表明，在強(qiáng)電解產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑的作用下，電解產(chǎn)生氧化劑濃度大于0.22mg/L，溶液就可以致死污水中細(xì)菌，致死率可達(dá)100%。 電解產(chǎn)生的氧化劑濃度大于0.7mg/L 溶液對單細(xì)胞藻類的致死率達(dá)100%。

圖4 羥基自由基和有效氯濃度殺滅污水微生物關(guān)系

4 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)有海上平臺和船用設(shè)備生活污水裝置存在的問題，筆者通過工藝設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、試驗(yàn)分析，提出一種基于強(qiáng)電解方法的生活污水處理裝置。 整個系統(tǒng)通過設(shè)定適當(dāng)?shù)呐浔群Ｋ脱b置的運(yùn)行電流、電壓，利用強(qiáng)電解產(chǎn)生的羥基自由基、有效氯等強(qiáng)氧化物質(zhì)降解污水中的COD，不到20minCOD 值已小于300mg/L，適當(dāng)增加消解反應(yīng)時間COD 去除效果可達(dá)90%以上。同時能夠致死污水中的細(xì)菌、大腸桿菌及孢子等微生物（致死率100%）。 排放的污水經(jīng)濾器過濾后，懸浮物有效去除，濁度下降90%以上。 因此，該電解式生活污水處理裝置適用于海上設(shè)施，能夠有效處理生活污水。 整個工藝綠色環(huán)保，無有害物質(zhì)產(chǎn)生，且系統(tǒng)裝置自動化程度高，占地面積小， 處理后的污水符合國標(biāo)，COD 值遠(yuǎn)小于300mg/L，有廣闊的應(yīng)用前景。