A/O/O工藝處理含油污水的模擬評估

牟桂芹，宋項(xiàng)寧，郭亞逢，曹永友，趙乾斌，姚 猛

（中國石化 青島安全工程研究院，山東 青島 266101）

A/O/O工藝處理含油污水的模擬評估

牟桂芹，宋項(xiàng)寧，郭亞逢，曹永友，趙乾斌，姚 猛

（中國石化 青島安全工程研究院，山東 青島 266101）

利用BioWin 5.0軟件建立了某煉油廠A/O/O工藝處理含油污水的數(shù)學(xué)模型，對其工藝參數(shù)進(jìn)行了評估，并提出了改進(jìn)建議。經(jīng)調(diào)整部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)后，模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合度較好，相關(guān)系數(shù)在0.75～0.81之間，建立的模型可較好反映工藝的運(yùn)行工況。模擬優(yōu)化主要針對一級處理裝置，在僅考慮NH3-N和COD去除的情況下，目前裝置的工藝參數(shù)較合理，若考慮TN，無法實(shí)現(xiàn)TN和NH3-N同時(shí)達(dá)標(biāo)。對一級處理裝置的模型進(jìn)行改進(jìn)后，出水模擬值中COD輕微上升2%，但ρ（NH3-N）和TN分別下降83%和66%，可有效減輕后續(xù)處理裝置負(fù)荷。

BioWin 5.0軟件；含油污水；A/O/O工藝；模擬評估

與市政污水處理有較為成熟的生化處理工藝（如A2/O、倒置的A2/O、氧化溝和SBR等）［1］不同，煉油廠含油污水處理設(shè)計(jì)起步晚，較多借鑒了化工設(shè)計(jì)，通常采用隔油和氣浮作為預(yù)處理工藝［2］，形成了一套獨(dú)特的生化處理工藝，如A/O/A/O、O/O和A/O/O工藝等。由于在設(shè)計(jì)初期并未系統(tǒng)考慮未來的污水增量、TN脫除和節(jié)能降耗需求，以至于這些工藝大都存在著短板，尤其是針對目前日趨嚴(yán)格的TN排放標(biāo)準(zhǔn)而言。從前期調(diào)研情況來看，這些工藝運(yùn)行存在著管理粗放、調(diào)控依靠人工經(jīng)驗(yàn)的弊端。隨著水體污染控制要求的不斷提高，生化段的過程控制顯得尤為重要［3］。用數(shù)學(xué)模型對生化段進(jìn)行評估能夠正確反映其運(yùn)行狀況，節(jié)約人力和資源成本［4-6］。在現(xiàn)有的商業(yè)軟件中，BioWin模擬軟件在北美等地作為污水廠設(shè)計(jì)和管理的工具已得到廣泛應(yīng)用［7］。而在國內(nèi)，對煉油廠含油污水生化段設(shè)計(jì)或運(yùn)行的數(shù)學(xué)模擬鮮有報(bào)道。

本工作利用BioWin 5.0軟件建立了某煉油廠A/O/O工藝處理含油污水的數(shù)學(xué)模型，對其工藝參數(shù)進(jìn)行了評估，并提出了改進(jìn)建議。

1 某煉油廠含油污水處理概況

該煉油廠含油污水的處理流程見圖1。含油污水經(jīng)過格柵去除雜質(zhì)后進(jìn)入除油段（隔油池、調(diào)節(jié)池和兩級浮選）去除石油類，再進(jìn)入生化段（A/O/O和BAF）進(jìn)一步處理，最后經(jīng)活性炭塔過濾進(jìn)入監(jiān)測池，部分回用、部分排放。進(jìn)水溫度常年保持在31～36 ℃，水量變化較小，平均約3 500 m3/d。A池內(nèi)無曝氣，無污泥回流，也無攪拌裝置；一級、二級O池的DO分別控制在0.3，2.0 mg/L。一級沉淀池的污泥分別回流至一級O池的3個(gè)池子中，按3∶1∶1的比例回流，總回流量3 600 m3/d，排泥量48 m3/d，泥齡為29.3 d；二級沉淀池的污泥也分別回流到二級O池的3個(gè)池子中，也按3∶1∶1的比例回流，總回流量3 600 m3/d，排泥量20 m3/d，因池內(nèi)污泥較少，并未計(jì)算污泥齡。于一級和二級回流線路上投加1 m3/d濃度為0.6 mol/L的NaHCO3以維持整個(gè)系統(tǒng)的堿度，促進(jìn)硝化反應(yīng)［8］。

圖1 含油污水的處理流程

現(xiàn)場調(diào)研表明，進(jìn)入BAF的污水COD較低，微生物生長較難維持，故后文的生化段模擬針對A/O/O工藝，其各構(gòu)筑物參數(shù)見表1，可分為一級處理裝置和二級處理裝置。

表1 A/O/O工藝各構(gòu)筑物參數(shù)

2 工藝模型的建立

2.1 污水特征化組分參數(shù)的確定

根據(jù)A/O/O工藝5 d（2016年9月1日至2016年9月5日）的水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)，利用BioWin軟件自帶的進(jìn)水水質(zhì)組分化計(jì)算器程序進(jìn)行計(jì)算［9］，結(jié)果見表2，其余參數(shù)采用默認(rèn)值。由表2可見：快速降解COD和揮發(fā)性脂肪酸較高，這是因?yàn)樵搹S含油污水中小分子酸的占比較高；非降解溶解COD（難降解COD）相較于軟件默認(rèn)值明顯偏高，這主要是含油污水中的惰性有機(jī)物和采油過程中加入的助劑造成的［10］；NH3-N占總凱氏氮（TKN）的比例偏低，這是因?yàn)槲鬯谢烊氲钠醿艋泻幸欢康挠袡C(jī)氮。

表2 A/O/O工藝的污水特征化組分參數(shù)

2.2 進(jìn)水水量水質(zhì)的確定

收集該廠2016年1月19日至9月29日人工監(jiān)測數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，并于2016年9月1日至9月10日對該廠進(jìn)行補(bǔ)充采樣，形成該廠完整的進(jìn)水水量水質(zhì)數(shù)據(jù)。該時(shí)段進(jìn)水水量水質(zhì)的平均值如下：流量3 500 m3/d，COD 530.87 mg/L，TKN 49.06 mg/L，無機(jī)懸浮固體含量15 mg/L，堿度6.40 mmol/L。

2.3 模型的建立及模擬運(yùn)行

根據(jù)A/O/O工藝流程，建立數(shù)值模擬的模型，見圖2。

圖2 A/O/O工藝的模型

將構(gòu)筑物尺寸、工藝參數(shù)、特征化組分參數(shù)和進(jìn)水水量水質(zhì)實(shí)測值輸入模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，比較出水水質(zhì)的模擬值和實(shí)測值。由于該工藝是分段回流，故將一級和二級O池按實(shí)際的回流方式各分成3個(gè)池子；沉淀池采用模型沉淀池，使用修正的Vesilind模型。

2.4 參數(shù)校正及模擬結(jié)果

初步模擬結(jié)果表明一級、二級出水COD的模擬值與實(shí)測值的偏差較小，相關(guān)系數(shù)分別為0.76和0.78，二級出水NH3-N的模擬值與實(shí)測值相差較大，相關(guān)系數(shù)為0.54。對動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析后發(fā)現(xiàn)，普通異養(yǎng)菌最大單位生長速率（μmaxH）對出水COD影響較大；氨氧化菌的最大單位生長速率（μmaxA）、好氧衰減速率（BaeronA）以及NH3-N半飽和常數(shù)（KNH3-N）對出水ρ（NH3-N）影響較大。因此，需對這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體見表3。

表3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的調(diào)整

經(jīng)過參數(shù)校正后，二級出水NH3-N模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.75，一級、二級出水COD模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)分別為0.77和0.81。此外，模擬結(jié)果顯示：一級O池3個(gè)池子MLSS的模擬值維持在3 000，3 500，4 000 mg/L左右；二級O池的3個(gè)池子中幾乎沒有污泥。這與實(shí)測MLSS數(shù)據(jù)基本相符。以上模擬結(jié)果表明，所建立的模型可以反映目前A/O/O工藝的實(shí)際運(yùn)行情況。

目前一級和二級生化處理裝置出水污染物濃度基本相同，僅一級生化處理裝置就可完成絕大部分污染物的去除。二級生化處理裝置中幾乎沒有污泥，可理解為水力通道，因此二級生化處理裝置可作為應(yīng)急裝置，僅在高濃度沖擊下進(jìn)行污泥快速培養(yǎng)。常規(guī)狀況下一級生化處理裝置出水可以直接進(jìn)BAF，故后續(xù)的模擬優(yōu)化主要針對一級生化處理裝置。現(xiàn)有工藝條件下，一級生化處理裝置的出水COD為73.71 mg/L，ρ（NH3-N）為1.90 mg/L，TN為28.9 mg/L。目前石化行業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，2017年開始將對TN的排放加以控制，GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［11］中TN的排放限值為30 mg/L，而一些地方標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。目前大多數(shù)廠的處理工藝流程較長，基本能夠達(dá)到總排口COD低于50 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)，但后續(xù)的處理流程（如砂濾和臭氧催化氧化等）對TN基本沒有去除。

3 工藝參數(shù)的優(yōu)化

工藝優(yōu)化主要針對一級生化處理裝置。以該廠2016年1月19日至9月29日進(jìn)水水質(zhì)水量實(shí)測值的平均值作為入流參數(shù)，進(jìn)行靜態(tài)模擬。該段時(shí)間的工藝參數(shù)如下：污泥回流量3 600 m3/d（污泥回流比約100%），排泥量48 m3/d，一級O池的3個(gè)池子DO均控制在0.3 mg/L。通過調(diào)節(jié)污泥回流比、排泥量和DO等工藝參數(shù)來考察一級生化處理裝置的3個(gè)主要出水指標(biāo)（COD、ρ（NH3-N）和TN）的變化，考察有無提標(biāo)的可能性。

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，調(diào)節(jié)污泥回流比在25%～180%之間變化，模擬出水各指標(biāo)的變化。污泥回流比對出水水質(zhì)的影響見圖3。由圖3可見，隨著污泥回流比的增大：出水COD輕微上升；出水TN幾乎不受影響；出水ρ（NH3-N）呈現(xiàn)先迅速降低而后幾乎不變的走勢，當(dāng)回流比大于等于100%后ρ（NH3-N）幾乎無變化。該廠目前實(shí)際控制的污泥回流比約為100%，依據(jù)以上所述，目前該廠對污泥回流比的控制是比較合理的。

圖3 污泥回流比對出水水質(zhì)的影響

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，調(diào)節(jié)排泥量在24～72 m3/d之間變化，排泥量對出水水質(zhì)的影響見圖4。

圖4 排泥量對出水水質(zhì)的影響

由圖4可見，隨著排泥量的增加：出水COD輕微下降；TN幾乎不受影響；ρ（NH3-N）緩慢上升。這是由于：維持較低的排泥量時(shí)，系統(tǒng)污泥齡長且泥量大，有利于NH3-N的去除；但該工藝沒有缺氧段，故出水TN不受影響；同時(shí)排泥量提高有助于降低沉淀池的出水SS，故出水COD輕微下降。但若一味為了去除NH3-N而維持過高的泥量易造成活性污泥中死泥占比偏高，還會給后續(xù)沉淀池增加處理負(fù)荷。因此，不能僅考慮NH3-N的去除而一直降低排泥量，通常將好氧池MLSS維持在2 000～4 000 mg/L較適宜。該廠的排泥量為48 m3/d，此時(shí)對應(yīng)的一級O池3個(gè)池子的MLSS分別為3 120，3 670，4 088 mg/L，可以認(rèn)為是控制的比較合理。

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，調(diào)節(jié)DO在0.3～4.0 mg/L之間變化，DO對出水水質(zhì)的影響見圖5。由圖5可見，隨著DO的提高：出水COD幾乎沒有變化；ρ（NH3-N）持續(xù)降低；TN持續(xù)增高。DO升高對NH3-N和TN造成的影響是相反的。該廠目前維持DO在0.3 mg/L的原因在于：一是此DO值下曝氣能耗較低；二是此DO值下可能發(fā)生同步硝化反硝化反應(yīng)［12］，有可能去除部分TN。但此種情況下系統(tǒng)抗TN沖擊的能力較差，若進(jìn)水TN稍有提高，則出水TN很容易超標(biāo)。如進(jìn)水TN為60.00 mg/L時(shí)，出水TN模擬值為39.66 mg/L，超過了30 mg/L的排放限值。

圖5 DO對出水水質(zhì)的影響

綜上所述，不論工藝參數(shù)如何調(diào)節(jié)，均無法實(shí)現(xiàn)NH3-N和TN的穩(wěn)定脫除，故需對目前的工藝進(jìn)行改進(jìn)。

4 工藝改進(jìn)

考慮到A/O工藝具有較好的TN脫除功能［13］，且與現(xiàn)有的工藝流程最為相近，故對一級處理裝置的模型進(jìn)行以下改進(jìn)：在A池內(nèi)安裝推進(jìn)器（防止形成死泥），開啟沉淀池至A池的回流管線，并于O池出口處增設(shè)一條回流管線至A池，形成完整的A/O工藝，見圖6。此時(shí)A池為缺氧池，電子受體為硝酸鹽，O池DO控制在2.0 mg/L，排泥量控制在60 m3/d。

按A/O工藝的常規(guī)設(shè)置，污泥回流比控制在50%，硝化液回流比控制在200%，在此狀況下做靜態(tài)模擬。改進(jìn)后的工藝出水模擬值如下：COD 75.47 mg/L，ρ（NH3-N）0.33 mg/L，TN 9.83 mg/L。相較于改進(jìn)前的一級生化處理裝置的模擬結(jié)果，出水COD輕微上升2%，ρ（NH3-N）和TN分別下降83%和66%，可有效減輕后續(xù)裝置的處理壓力。

圖6 改進(jìn)后的一級處理工藝模型

5 結(jié)論

a）經(jīng)調(diào)整部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)后，模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合度較好，相關(guān)系數(shù)在0.75～0.81之間，建立的模型可較好反映工藝的運(yùn)行工況。

b）模擬優(yōu)化主要針對一級生化處理裝置。在僅考慮NH3-N和COD去除的情況下，目前裝置的工藝參數(shù)較合理；若考慮TN，無法實(shí)現(xiàn)TN和NH3-N同時(shí)達(dá)標(biāo)。

c）一級生化處理裝置的改進(jìn)方法如下：在A池內(nèi)安裝推進(jìn)器，開啟沉淀池至A池的回流管線，并于O池出口處增設(shè)硝化液回流管線至A池，形成完整的A/O工藝。相較于改進(jìn)前的模擬結(jié)果，出水COD輕微上升2%，但ρ（NH3-N）和TN分別下降83%和66%，可有效減輕后續(xù)裝置的處理負(fù)荷。

d）利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬評估可有效指導(dǎo)含油污水生化段的運(yùn)行管理和優(yōu)化改造，應(yīng)進(jìn)一步推廣普及。

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Simulation evaluation of oily wastewater treatment by A/O/O process

Mu Guiqin，Song Xiangning，Guo Yafeng，Cao Yongyou，Zhao Qianbin，Yao Meng

（Sinopec Safety Engineering Institute，Qingdao Shandong 266101，China）

A mathematical model for treatment of oily wastewater in a re finery by A/O/O process was established based on BioWin 5.0 software. The operating parameters were evaluated and suggestions for improvement were given. After adjusting part of the kinetic parameters，the simulation results were in good agreement with the measured values，the correlation coefficients were 0.75-0.81，which indicated that the established model could reflect the operation of the process nicely. The simulation optimization mainly focused on the primary treatment unit. When considering NH3-N and COD removal，the current operating parameters were proper. However，if TN removal was needed，this unit could not guarantee TN and NH3-N removal simultaneously. After improving the model of the primary treatment unit，the simulated value of effluent COD increased slightly by 2%，but ρ（NH3-N）and TN decreased by 83% and 66%respectively，which effectively reduced the load of the subsequent treatment unit.

software BioWin 5.0；oily wastewater；A/O/O process；simulation evaluation

X703

A

1006-1878（2017）05-0538-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.05.008

2016 - 12 - 30；

2017 - 05 - 10。

牟桂芹（1969—），女，山東省青島市人，碩士，高級工程師，電話 0532 - 83786658，電郵 mugq.qday@sinopec.com。聯(lián)系人：宋項(xiàng)寧，電話 0532 - 83786983，電郵 songxn.qday@sinopec.com。

（編輯 魏京華）