基于膜生物反應(yīng)器的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置研究

孫立剛，王蕊，王丹，孫素艷，劉金璐

（1. 中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司，天津 300450；2. 中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300450；3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300450）

海上采油平臺為節(jié)約淡水資源，降低生產(chǎn)成本，大多使用海水進(jìn)行沖廁，本文采用哈希HQ40D及ISECl18101 探頭對近海海域生活污水氯離子濃度進(jìn)行測量，氯離子濃度均在2%以上。山東大學(xué)黃兆松研究發(fā)現(xiàn)污水中鹽濃度從0%逐漸升至5%過程中，污水中COD 去除率從98%下降至59%，污水鹽度嚴(yán)重影響硝化系統(tǒng)微生物活性和污水出水指標(biāo)[2]。

根據(jù)GB 4914—2008 標(biāo)準(zhǔn)海上固定設(shè)施生活污水一級、二級海域排放標(biāo)準(zhǔn)為COD≤300 mg／L[3]。采用普通淡水生化細(xì)菌降解COD 能力有限，裝置出水存在超標(biāo)風(fēng)險[3]。本文通過對藍(lán)細(xì)菌、古細(xì)菌、鹽桿菌、鹽細(xì)菌、耐鹽葡萄球菌等嗜鹽菌研究，通過普通濃縮污泥加入嗜鹽菌種進(jìn)行污泥馴化，研究一種基于MBR-嗜鹽菌的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置，滿足平臺污水處理技術(shù)要求，同時結(jié)合中水回用技術(shù)及排放指標(biāo)對裝置進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 工藝設(shè)計

來自海上平臺的生活污水分為黑水、洗浴灰水及廚房灰水，產(chǎn)生的廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)罐緩沖進(jìn)行從沉淀及厭氧發(fā)酵，削弱來水負(fù)荷沖擊，避免造成溢罐。根據(jù)調(diào)節(jié)池液位控制將污水經(jīng)粉碎泵至缺氧罐，缺氧罐設(shè)置彈性填料供微生物生長，厭氧罐為厭氧缺氧環(huán)境，氧濃度控制在≤0.5 mg/L，污水停留時間控制在4 h，實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的反硝化作用[1,5]。

經(jīng)厭氧處理的污水進(jìn)入好氧罐，污水停留時間控制在6 h，氧濃度控制在4 mg/L 以上, 通過好氧微生物的異化和同化作用去除污水中有機(jī)物、氨氮、總磷。好氧反應(yīng)結(jié)束進(jìn)入膜生物反應(yīng)器，膜生物反應(yīng)采用抗油性好，通量大，出水穩(wěn)定，壽命長，維護(hù)方便，可回收的陶瓷平板膜，處理量：40～50 L/m2·h，通過膜的高效攔截作用實(shí)現(xiàn)泥水分離[8]。

為進(jìn)一步對膜出水進(jìn)行消毒、處理，通過鉑、銥、釕等多元氧化物污水電極對膜出水進(jìn)行電解氧化，通過產(chǎn)生的羥基自由基及次氯酸鈉等對污水進(jìn)行氧化分解，殺死大腸桿菌等物質(zhì)[6-7]。電解出水在最終經(jīng)超濾膜，進(jìn)入中水罐及壓力水罐實(shí)現(xiàn)中水回用。系統(tǒng)詳細(xì)工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計的工藝，結(jié)合污水處理力量、液力負(fù)荷處理量、高峰期液力負(fù)荷處理量、水力停留時間對裝置池體進(jìn)行尺寸設(shè)計，利用英國AVEVA公司開發(fā)的PDMS 三維建模軟件進(jìn)行污水裝置全比例三維建模，模型圖如圖2 所示，結(jié)合海上平臺尺寸空間，保證后續(xù)實(shí)際應(yīng)用過程充分考慮現(xiàn)空間精準(zhǔn)設(shè)計。

圖2 PD MS裝置建模

2 裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計說明

本文研究的生活污水處理裝置將用于海水沖廁的海洋石油生產(chǎn)設(shè)施，主要應(yīng)用于固定平臺，設(shè)計出水按《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》GB4914—2008標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，設(shè)計人數(shù)40 人，參照標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施生活污水達(dá)標(biāo)排放管理的通知》(海油總安2014 601號）每人每天廢水最低排放量，n=350 L/人·d。

2.2 參數(shù)設(shè)計

1）排入物平均水量

式中：N—設(shè)計人數(shù)，人，N=40人；

n—平臺生活污水定額，L/人·d；

1.44—設(shè)計冗余系數(shù)。

2）有機(jī)負(fù)荷計算

參考《船用生活污水處理設(shè)備技術(shù)條件》GB/T 10833—2015規(guī)定，人均產(chǎn)生污染物如下：重力黑水35g BOD5（/人·d），廚房灰水30 g BOD5（/人·d），洗滌灰水5g BOD5（/人·d），總計70g BOD5（/人·d）。

3）接觸氧化工藝設(shè)計

（1）池容設(shè)計

式中：V—接觸氧化池的設(shè)計容積，m3；

So—接觸氧化池進(jìn)水五日生化需氧量，mg/L；

Se—接觸氧化池出水五日生化需氧量，mg/L；

Q×（So -Se）—即設(shè)計有機(jī)負(fù)荷，Q×（So- Se）=OL；

Mc—五日生化需氧量容積負(fù)荷，kg BOD5/（m3填料·d），取值0.75kg BOD5/（m3填料· d）；

η—填料填充比，取值0.8。

以上常數(shù)參數(shù)取值參考《生物接觸氧化法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 2009—2011）。

4）水力停留時間計算：

式中：V—設(shè)計池容，m3；

Q—設(shè)計流量；

HRT—水力停留時間。

曝氣系統(tǒng)設(shè)計：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下污水需氧量計算

式中：Ot—曝氣池溢出氣體中氧氣所占體積比，%；

EA—曝氣設(shè)備氧的利用率，%，EA=22%。

3 耐鹽菌種的馴化

3.1 菌種選擇

本文選用營養(yǎng)齊全、毒性低的市政污水廠污泥作為馴化“菌種”，菌種MLSS 濃度在2 000 mg/L。通過投加葡萄糖增加污水碳源、尿素作為氮源、磷酸二氫鉀作為磷源，同時添加鐵鈣鎂硫酸鹽微量元素，并通過碳酸氫鈉調(diào)整污水pH，pH 控制在7.3左右。

3.2 鹽離子濃度測定

結(jié)合海上工作規(guī)律對海上固定平臺海水沖廁平臺生活污水產(chǎn)生情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，海上生活污水排放主要集中在早高峰6～8 點(diǎn)，中午11～13 點(diǎn)，晚高峰17～22 點(diǎn)。利用美國哈希HQ40D 便攜式水質(zhì)測定儀對早中午氯離子濃度進(jìn)行測定統(tǒng)計。早、中高峰產(chǎn)生的生活污水氯離子濃度在2%左右，晚高峰由于洗浴灰水大量增加，污水中氯離子濃度在1%左右。此高鹽度的廢水會破環(huán)細(xì)菌體內(nèi)的酶和菌膠團(tuán)細(xì)胞膜，造成菌膠團(tuán)活性降低或生化系統(tǒng)崩潰。

3.3 污泥的培養(yǎng)分析指標(biāo)

1）水質(zhì)分析：COD、pH、溫度等。

2）污泥分析：污泥指數(shù)SVI、污泥濃度MLSS、污泥沉降比SV30。其中SVI=SV30/MLSS。

3.4 耐鹽菌培養(yǎng)

選取3 m3 生化反應(yīng)器，利用市政污泥“菌種”進(jìn)行馴化，進(jìn)水COD 在500～800 mg/L，開啟曝氣系統(tǒng)，采用間歇式曝氣，曝氣6 h，沉降2 h，抽取上清液，污水進(jìn)行COD 化驗(yàn)，根據(jù)COD 值調(diào)整碳氮磷源比例控制在100∶5∶1，同時補(bǔ)充污水。培養(yǎng)過程記錄反應(yīng)器內(nèi)MLSS 和SV 數(shù)據(jù)如圖3 所示，直至污泥各項(xiàng)指標(biāo)處于最優(yōu)狀態(tài)。

圖3 生化反應(yīng)器內(nèi)污泥馴化MLSS 和SV 的變化情況

從MLSS 和SV 數(shù)據(jù)可知，初始馴化時MLSS 為1 700 mg/L，SV 為7%，生化反應(yīng)器內(nèi)污泥前一周內(nèi)處于適應(yīng)期MLSS 和SV 數(shù)據(jù)變化相對較緩，一周過后MLSS 和SV 微生物快速繁殖。污泥馴化至20 天MLSS 至5 700 mg/L，SV 至47%，污水中COD 去除率達(dá)到98%以上如圖4 所示。

圖4 生化反應(yīng)器進(jìn)出水COD 變化情況

馴化好的普通活性污泥后通過添加海鹽逐漸增加污水鹽度，鹽度質(zhì)量分?jǐn)?shù)按0.5%提梯度值逐漸提高，直至污水中鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2%達(dá)到海上生活污水鹽濃度值。在保證污水中CNP 源比率基礎(chǔ)上，添加硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鐵微量元素，為加快系統(tǒng)微生物生態(tài)環(huán)境的建立，為系統(tǒng)添加嗜鹽微生物（藍(lán)細(xì)菌、古細(xì)菌、鹽桿菌、鹽細(xì)菌、耐鹽葡萄球菌等）[10]，圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%初期，系統(tǒng)COD 處理能力下降至85%左右，隨著微生物逐漸馴化適應(yīng)，COD 處理能力恢復(fù)。每個鹽度梯度發(fā)生變化時，COD 去除率均降低，隨著菌種馴化耐鹽能力的增強(qiáng)，可以看出鹽度質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～1.5%變化過程中，系統(tǒng)恢復(fù)時間逐漸縮短，鹽度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，污泥馴化時間有所增加，經(jīng)過42 天生化馴化，培訓(xùn)的耐鹽菌種可適應(yīng)2%鹽離子濃度，可將污水處理后出水COD 16～24 mg/L，COD 去除率97%左右。

圖5 梯度馴化耐鹽菌過程COD 變化情況

4 結(jié) 論

本文針對海上固定設(shè)施海水沖廁平臺生化系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定特性出發(fā)，利用MBR 及電解技術(shù)，結(jié)合GB 4914—2008、GB/T 18920—2020、GB/T 10833—2015、HJ 2009—2011 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對海上生活污水裝置工藝進(jìn)行設(shè)計。同時通過對耐鹽菌種的研究，對污泥進(jìn)行梯度鹽度菌種馴化，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本文可培養(yǎng)出能夠抵御高含鹽（2%）污水的耐鹽菌種，能有效降解水中COD 及鹽度沖擊，最終設(shè)計一款基于膜生物反應(yīng)器的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置，為海上平臺污水達(dá)標(biāo)排放提供有利技術(shù)指引，具有廣闊的應(yīng)用前景。