電解法生活污水處理裝置的優(yōu)化改造與MBR 工藝

趙效賠，張武超，帥劍鋒，朱小津

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 電解法生活污水處理裝置改造背景

1.1 某平臺(tái)電解法生活污水處理裝置現(xiàn)狀

某海上平臺(tái)所使用的電解法生活污水處理裝置現(xiàn)存在調(diào)節(jié)柜液位高、膜化學(xué)需氧量(COD)值不理想、每日排放量大等一系列問題。該平臺(tái)的電解法生活污水裝置投用于2016 年，設(shè)備投運(yùn)初期，化驗(yàn)的COD 數(shù)據(jù)穩(wěn)定在240～290 mg/L，數(shù)據(jù)較高，效果不佳。隨著時(shí)間的推移，電解法生活污水處理裝置問題盡出。同時(shí)應(yīng)用生物膜技術(shù)的生活污水裝置投用時(shí)間相比電解法生活污水裝置投用時(shí)間晚，生物膜技術(shù)處理工藝更符合時(shí)代發(fā)展、技術(shù)革新趨勢(shì)，因此電解法生活污水裝置有著迫切的升級(jí)改造需要。

1.2 電解法生活污水處理裝置優(yōu)化改造方向

現(xiàn)如今生活污水處理的主要工藝有：生化處理工藝、A/O 工藝(厭氧，好氧工藝)、SBR 工藝(序批式活性污泥法)、曝氣生物濾池工藝、MBR 工藝(膜分離技術(shù)與活性污泥法結(jié)合)[1]。其工藝對(duì)比見表1。

雖然MBR 工藝膜造價(jià)較高，但考慮到MBR 工藝對(duì)比其他工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積極小、運(yùn)行成本低、可除去氨氮難降解有機(jī)物、易于改造，故結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議為平臺(tái)現(xiàn)有的生活污水處理裝置加裝MBR 膜組，將電解法處理生活污水裝置優(yōu)化升級(jí)為MBR 工藝與電解工藝相結(jié)合的生活污水處理裝置。

表1 生活污水工藝對(duì)比Tab.1 Comparison of domestic sewage treatment processes

1.3 MBR工藝簡(jiǎn)介

MBR 污水處理、水資源再利用領(lǐng)域又稱膜生物反應(yīng)器，是一種由活性污泥法與膜分離技術(shù)相結(jié)合的新型水處理技術(shù)[2]。該工藝所用膜的種類繁多，按分離機(jī)理有反應(yīng)膜、離子交換膜、滲透膜等；按膜的性質(zhì)有天然膜(生物膜)和合成膜(有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜)；按膜的結(jié)構(gòu)形式有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型[3]。

膜-生物反應(yīng)器主要由膜分離組件及生物反應(yīng)器兩部分組成[3]。通常提到的膜-生物反應(yīng)器實(shí)際上是3 類反應(yīng)器的總稱：

①曝氣膜-生物反應(yīng)器AMBR(Aeration Mem brane Bioreactor)；②萃取膜-生物反應(yīng)器 EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)；③固液分離型膜-生物反應(yīng)器 SLSMBR，簡(jiǎn)稱 MBR (Solid/Liquid Separation Membrane Bioreactor)。

考慮到固液分離型膜-生物反應(yīng)器在生活污水處理系統(tǒng)中的膜-生物反應(yīng)器研究最深入、應(yīng)用最廣泛，平臺(tái)生活污水處理裝置改造優(yōu)化采用此類型膜-生物反應(yīng)器。根據(jù)膜組件和生物反應(yīng)器的組合方式，可將膜-生物反應(yīng)器分為分置式、一體式以及復(fù)合式3 種基本類型[4]。參見表2。結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，宜選擇分置式固液分離膜-生物反應(yīng)器。

表2 膜-生物反應(yīng)器類型對(duì)比Tab.2 Comparison of membrane bioreactor types

1.4 優(yōu)化改造后與此前淘汰的船用膜法生活污水處理裝置區(qū)別

平臺(tái)2016 年所淘汰的某廠生產(chǎn)的(WCMBR)生活污水處理裝置雖然型號(hào)中帶有MBR，且也都是采用生物膜技術(shù)，但實(shí)質(zhì)上與此次優(yōu)化改造的MBR 工藝有所不同。

WCMBR 生活污水處理裝置應(yīng)用生物接觸氧化法和MBR 法，并通過紫外線進(jìn)行消毒處理。其中生物接觸氧化法是以附著在載體(俗稱填料)上的生物膜為主，凈化有機(jī)廢水的一種處理工藝，是從接觸曝氣法改良演化而來的[5]。填料作為微生物的載體，為微生物生長(zhǎng)提供場(chǎng)所，且生物量與生化需氧量(BOD)負(fù)荷成正比變化。當(dāng)BOD 負(fù)荷過高時(shí)，填料容易堵塞。并且平臺(tái)若無(wú)自動(dòng)隔油器，填料易被油污染，同時(shí)生物膜也存在脫落的可能。

鑒于此前投用的WCMBR 裝置在運(yùn)行中存在諸多問題，本次改造方向會(huì)吸取WCMBR 生活污水處理裝置以及電解法生活污水處理裝置運(yùn)行過程中的教訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)，做好新增設(shè)備的預(yù)防性隱患管理。

2 電解法生活污水處理裝置優(yōu)化改造方案

2.1 優(yōu)化改造前后生活污水流程

優(yōu)化改造前，某平臺(tái)現(xiàn)有電解法生活污水處理裝置由調(diào)節(jié)柜、預(yù)處理柜、分離柜、電解柜、電解池、風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵(粉碎泵)、聯(lián)控盤、電源箱等組成。

衛(wèi)生間黑水、洗浴和廚房灰水從調(diào)節(jié)柜進(jìn)入裝置。調(diào)節(jié)柜將污水氣提至預(yù)處理柜，在預(yù)處理柜進(jìn)行初步固液分離。循環(huán)泵定時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，將調(diào)節(jié)柜底部沉渣擊碎，使其在調(diào)節(jié)柜中進(jìn)一步沉淀分離。在分離柜中，通過沉淀進(jìn)行進(jìn)一步固液分離，污水高位溢流至電解柜，隨后在電解柜中與電解的海水進(jìn)行氧化消毒，經(jīng)電解柜處理后的清水排放至舷外。流程示意圖如圖1。

優(yōu)化改造后，生活污水裝置由生物反應(yīng)器(調(diào)節(jié)柜可改造)、預(yù)處理柜、MBR 池(分離柜可改造)、電解柜、電解槽、風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵(粉碎泵)、給水泵、排水泵、聯(lián)控盤、電源箱組成。

衛(wèi)生間黑水直接進(jìn)入生物反應(yīng)器(調(diào)節(jié)柜)，廚房灰水經(jīng)過自動(dòng)隔油器后進(jìn)入生物反應(yīng)器(現(xiàn)假定隔油器已安裝投用、洗浴灰水進(jìn)開排改造已落實(shí)的最理想情況下)，生物反應(yīng)器設(shè)有改造后的氣提管線，生物反應(yīng)器沉渣沉降于池底通過循環(huán)泵定期粉碎、循環(huán)后分解，污水氣提至預(yù)處理柜。預(yù)處理柜保持原結(jié)構(gòu)、流程進(jìn)行固液分離。在預(yù)處理柜與MBR 池之間設(shè)有給水泵(增加流速，同時(shí)與MBR 池底部改造后的曝氣管線配合使用增加膜通量，減輕膜污染)，預(yù)處理柜中的污水進(jìn)入MBR 池，得到凈化的污水從MBR膜組件集水管線經(jīng)由排水泵進(jìn)入電解柜與海水進(jìn)行反應(yīng)，最后電解柜處理的污水排放至舷外。改造優(yōu)化后示意圖見圖2，改造優(yōu)化后流程見圖3。

圖1 現(xiàn)有生活污水裝置流程Fig.1 Flow chart of existing domestic sewage treatment device

圖2 改造優(yōu)化后示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram after transformation and optimization

圖3 優(yōu)化改造后生活污水處理裝置Fig.3 Domestic sewage treatment device after optimization and transformation

2.2 舊設(shè)備改造

由改造優(yōu)化后的設(shè)備流程可知，MBR 工藝在原有的污水處理裝置上改造方便，現(xiàn)結(jié)合平臺(tái)以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)對(duì)舊設(shè)備的改造以及新增設(shè)備的安裝進(jìn)行如下說明。

2.2.1 生物反應(yīng)器

提供生物活性環(huán)境制造的場(chǎng)所，例如化糞池。根據(jù)現(xiàn)有條件可將調(diào)節(jié)柜進(jìn)行改造優(yōu)化，改造示意圖見圖4。

圖4 優(yōu)化改造生物反應(yīng)器Fig.4 Optimization and transformation of bioreactor

將曝氣盤與氣提管線相連，利用氣泡向上帶動(dòng)水流動(dòng)的原理將頂部浮渣與底部固體之間的糞水氣提至預(yù)調(diào)節(jié)柜。現(xiàn)場(chǎng)需要改動(dòng)的地方有：①加粗氣提管線3，同時(shí)加大風(fēng)機(jī)的流量，最大程度保證氣體流量(在以往設(shè)備運(yùn)行中，氣體管線3 總是堵塞，污水從溢流口流入預(yù)處理柜，從而導(dǎo)致糞便浮渣等固體從溢流口流入預(yù)處理柜，進(jìn)而影響生活污水處理能力)；②調(diào)整氣體管線豎管底部位于糞便浮渣層和糞便沉積消解層之間的糞水層。

2.2.2 MBR 池

膜池，放置MBR 膜組件的場(chǎng)所。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以將分離柜改造為MBR 池?，F(xiàn)場(chǎng)需要改動(dòng)的地方有：①根據(jù)所選MBR 膜組件尺寸型號(hào)在分離柜底部加裝地腳螺栓，以固定MBR 膜組件；②根據(jù)所選MBR 膜組件尺寸型號(hào)增加曝氣管線數(shù)量與尺寸。

2.2.3 風(fēng)機(jī)

保證生活污水處理裝置中的氣體流量以及MBR池中的傳氧效率，需使曝氣強(qiáng)度加大[6]。因此更換流量更大的風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)具體型號(hào)由MBR 膜組件以及系統(tǒng)中的氣體流量決定)。

2.3 新增設(shè)備的安裝

2.3.1 給水泵、排水泵

在預(yù)調(diào)節(jié)柜(預(yù)調(diào)節(jié)柜3B)與MBR 池(分離柜)之間新增2 個(gè)給水泵，在MBR 池與電解柜之間加裝2 個(gè)排水泵，保證污水通過膜池的流速。水泵可設(shè)計(jì)成手動(dòng)、由液位傳感器控制的自動(dòng)模式(選用型號(hào)以所選MBR 膜組件生產(chǎn)廠家、型號(hào)類型而定)。

2.3.2 排水真空壓力表

可設(shè)置在MBR 池至電解柜出水管線上，用于判斷MBR 膜是否堵塞。

2.3.3 MBR 膜組件

MBR 工藝中常用的膜組件形式有板框式、圓管式、中空纖維式[7]。對(duì)于MBR 膜組件設(shè)計(jì)的一般要求：為膜組提供有效機(jī)械支撐，流動(dòng)暢通無(wú)死角；能耗低、效率高、污染小；裝填密度高，安裝、清洗、更換方便；機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性可靠[8]。現(xiàn)對(duì)3 種膜組件進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。

考慮平臺(tái)此前選用MBR 膜組件的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)(2016 年平臺(tái)淘汰設(shè)備曾選用圓管式膜組件，見圖5)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，本次改造優(yōu)化擬選定中空纖維MBR 膜組件。

表3 膜組件類型對(duì)比Tab.3 Comparison of membrane module types

由圖6 可知，風(fēng)機(jī)提供大量的空氣，空氣經(jīng)曝氣主管進(jìn)入曝氣支管后排出，由此帶動(dòng)污水向上流動(dòng)，污水與MBR 膜充分接觸，污水由膜孔進(jìn)入MBR 膜內(nèi)部，其中大分子成分則被截留。排水泵啟動(dòng)后，經(jīng)膜過濾的污水在壓力的作用下從MBR 膜內(nèi)部進(jìn)入所連的集水管、集水總管，最后由排水管線進(jìn)入電解柜進(jìn)行下一步處理[7]。

圖5 此前膜組件Fig.5 Previous membrane module

圖6 膜架結(jié)構(gòu)及MBR膜內(nèi)部Fig.6 Membrane frame structure and MBR membrane interior

2.3.4 清洗加藥箱

可設(shè)置在柜體上方，所接管線與MBR 膜組件出口集水管相連，其主要作用是藥洗MBR 膜。MBR 膜清洗用藥一般為次氯酸鈉或者次氯酸鈉與氫氧化鈉的混合液(表4)。此外還有調(diào)試用藥，如石灰粉、濃硫酸、凝聚劑、助凝劑等[8]。

表4 MBR膜清洗常用用藥Tab.4 Commonly used drugs for MBR membrane cleaning

3 生活污水處理裝置優(yōu)化改造后運(yùn)行維保

3.1 MBR膜組件保養(yǎng)注意事項(xiàng)

根據(jù)廠家給的膜清洗參數(shù)——真空壓力表報(bào)警值，進(jìn)行相應(yīng)的MBR 膜組件清洗。并在運(yùn)行一定時(shí)間后(或按平臺(tái)生活污水裝置季度維保時(shí)間)將膜組件中的膜進(jìn)行細(xì)致查看，必要時(shí)進(jìn)行拆卸、清洗甚至更換。

清洗方式為藥洗。膜清洗流程閥門動(dòng)作流程可參考圖3，①關(guān)閉風(fēng)機(jī)、給水泵、排水泵、循環(huán)泵；②關(guān)閉閥1～3、5～7、8、10、12，打開閥4、9、11、13 藥劑通過加藥管線流入MBR 集水管線；③打開風(fēng)機(jī)，讓MBR 膜在曝氣的沖刷下得到有效恢復(fù)；④關(guān)閉加藥閥門13，啟動(dòng)排水泵，將清洗殘液排放至生物反應(yīng)器(調(diào)節(jié)池)中；⑤恢復(fù)正常流程。

3.2 其他問題

①由WCMBR 裝置以及電解生活污水處理裝置的日常運(yùn)行可知，排水泵、給水泵、曝氣風(fēng)機(jī)都應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)，采用“一備一用”制。同時(shí)在泵的入口加裝濾網(wǎng)，以往由于污水內(nèi)的雜質(zhì)顆粒較多，導(dǎo)致粉碎泵的機(jī)械密封面破壞，造成粉碎泵機(jī)封泄漏的情況。

②在以往WCMBR 裝置的運(yùn)行中，存在膜處理裝置不易拆檢更換的問題。本次生活污水處理裝置進(jìn)行的優(yōu)化升級(jí)中，將MBR 膜組件放置于分離柜中，可根據(jù)排水真空壓力表示數(shù)確定是否需要進(jìn)行清洗，一般清洗時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的啟泵、停泵操作即可(操作可參考3.1 項(xiàng))，并且在生活污水處理裝置季度維保時(shí)，可將MBR 膜組件拆卸清洗甚至更換。

4 結(jié) 論

優(yōu)化改造后，首先解決了COD 值高的問題。調(diào)節(jié)柜升級(jí)改造為生物反應(yīng)器、氣提管線以及曝氣壓力進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，保證了生物反應(yīng)器(調(diào)節(jié)柜)至預(yù)處理柜的分離效果，同時(shí)保留原設(shè)備預(yù)處理柜1、預(yù)處理柜2A、預(yù)處理柜2B、預(yù)處理柜2C、預(yù)處理柜3A、預(yù)處理柜3B 的設(shè)計(jì)，使污水進(jìn)一步固液分離，且MBR池(分離柜)底部的沉渣定量氣提至預(yù)處理柜1，在此柜儲(chǔ)存消化。預(yù)處理柜3B 與MBR 池(分離柜)設(shè)有的給水泵保證水流速，確保了MBR 膜的凈化功效，凈化后的污水在排水泵的作用下由MBR 膜組件出口集水管進(jìn)入電解柜與電解的海水進(jìn)行氧化反應(yīng)，隨后被處理過的污水排放，COD 值高的問題得以解決。其次生活污水每日排量大的問題是由于電解的海水量過大，優(yōu)化改造后，污水已經(jīng)過MBR 膜處理，水質(zhì)得到一定保證，因而可以降低參與電解海水的比例，進(jìn)而降低生活污水每日排量。

最終改造優(yōu)化方案應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與廠家實(shí)地考察結(jié)果為準(zhǔn)，上述優(yōu)化改造方案僅提供一種海上平臺(tái)電解法生活污水處理裝置的改造方向。由于改造方案中沒有具體、明確地講述電解法與MBR 工藝相結(jié)合改造優(yōu)化后的設(shè)備圖紙以及PLC 邏輯控制的相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，待改造優(yōu)化方案確定后，可與相關(guān)廠家溝通，進(jìn)行相關(guān)文件的補(bǔ)充完善。