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污水生化處理技術(shù)在潿洲終端的應(yīng)用研究
摘要：中海油湛江分公司潿洲終端處理廠與桂林工學(xué)院合作研究，采用“厭氧+好氧+過(guò)濾”組合工藝對(duì)終端廠含油污水進(jìn)行處理。從根本上解決了終端廠舊有污水處理設(shè)施處理量不足的問(wèn)題，使終端廠污水排放指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)的要求，取得了很好的和環(huán)保效益。
關(guān)鍵詞: 化學(xué)需氧量；生化處理；序批式活性污泥法；折流式厭氧反應(yīng)器
0 引言
中海石油（）有限公司湛江分公司潿洲終端處理廠于1998年8月正式建成投產(chǎn)，是中海油湛江分公司第一個(gè)自營(yíng)綜合性油氣處理終端。潿洲終端廠原有的電解法污水處理工藝在除油、脫硫、懸浮物等方面有較好的處理效果，曾一度滿(mǎn)足了小排量污水COD（化學(xué)需氧量）處理的要求。但是舊的COD電解處理方法存在處理量少（日處理量80立方米左右）、維修工作量大、維修成本高、操作不方便等缺陷。隨著油氣田不斷地勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和油田綜合含水的上升，生產(chǎn)污水量也逐年增加（2005年已達(dá)1000立方米），原來(lái)的COD電解處理工藝已滿(mǎn)足不了實(shí)際生產(chǎn)的需要,對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容和尋求新的處理技術(shù)勢(shì)在必行。
1 終端污水特性的試驗(yàn)研究
污水生物處理技術(shù)是利用污水中的細(xì)菌、真菌以及原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等微生物的作用，分解污水中的污染物，從而實(shí)現(xiàn)污水凈化。按照污水生物處理的條件，又可分為：厭氧生物處理和好氧生物處理兩種。
中海油湛江分公司與桂林工學(xué)院于2002年7月22日簽定了關(guān)于“潿洲終端處理廠污水CODCr環(huán)保達(dá)標(biāo)研究”的合同。桂林工學(xué)院資源與環(huán)境工程系隨后成立了研究項(xiàng)目組，并根據(jù)合同的要求立即開(kāi)展工作。經(jīng)過(guò)多次采集潿洲終端處理廠污水，分析化驗(yàn)、在實(shí)驗(yàn)室完成了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，又在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了兩個(gè)多星期的試驗(yàn)。為獲得更加全面、準(zhǔn)確的資料，研究項(xiàng)目組于2004年先后3次采集潿洲終端處理廠污水，系統(tǒng)研究了溫度和厭氧處理時(shí)間對(duì)污水處理效果的影響。研究表明：
（1）潿洲終端處理廠污水COD為150～400mg/L，并具有鹽度高，含硫化物高，水質(zhì)水量均變化較大的特點(diǎn)。
（2）污水中BOD/CODcr的比值為0.38，具較好的可生化性，通過(guò)對(duì)微生物的馴化，可 以用生化法處理污水。但單一的厭氧生化處理和好氧生化處理均不能達(dá)標(biāo)。而厭氧—好氧聯(lián)合處理后的出水CODcr為15～85mg/L，完全可以實(shí)現(xiàn)CODcr達(dá)標(biāo)。
（3）化學(xué)混凝可去除20%的COD，化學(xué)混凝—活性碳吸附聯(lián)合處理可去除44%的COD，但處理后的出水均不能達(dá)標(biāo)。
（4）在30-50度的范圍內(nèi)，溫度對(duì)厭氧處理效果無(wú)明顯影響。
2 污水處理技術(shù)方案的對(duì)比研究
厭氧+好氧組合工藝目前廣泛的應(yīng)用于中高濃度、難降級(jí)的有機(jī)廢水。目前國(guó)內(nèi)外厭氧反應(yīng)器應(yīng)用的主要類(lèi)型有厭氧濾池（AF）、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）、厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）、厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器（EGSB）等。好氧反應(yīng)器主要有接觸氧化池、SBR反應(yīng)器、氧化溝。曝氣生物濾池等。鑒于本設(shè)計(jì)的水質(zhì)水量特征，設(shè)計(jì)初步確定兩個(gè)處理方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，評(píng)價(jià)其處理效果。
（1）方案一：UASB＋SBR組合工藝處理含油廢水
UASB反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器串連運(yùn)行。升流式厭氧污泥床反應(yīng)器是荷蘭的Lettinga教授研究開(kāi)發(fā)的一種高效厭氧生物處理反應(yīng)器，其上部設(shè)置氣、固、液三相分離器，下部為污泥懸浮層區(qū)和污泥床區(qū)，廢水用泵連續(xù)或脈沖由反應(yīng)器底部均勻進(jìn)入污泥床區(qū)，與厭氧顆粒污泥充分接觸反應(yīng)，有機(jī)物被厭氧微生物分解成沼氣。液體、氣體與固體形成混合液流上升至裝配式三相分離器，使三者很好地分離，顆粒污泥回流到污泥床內(nèi)，沼氣通過(guò)導(dǎo)管流入沼氣柜，處理過(guò)的水由出水槽排走。反應(yīng)過(guò)程約80％以上的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為沼氣，完成廢水處理過(guò)程
序批式活性污泥法（簡(jiǎn)稱(chēng)為SBR工藝）是近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外廣泛重視、研究和應(yīng)用日趨增多的好氧生化工藝之一。其工作核心是SBR反應(yīng)池，該池集水質(zhì)均化、初次沉淀、生物降解、二次沉淀等功能于一體，整個(gè)工藝簡(jiǎn)潔，運(yùn)行操作可通過(guò)自動(dòng)控制裝置完成，管理簡(jiǎn)單，投資省。
SBR工藝的序批式包含兩層含義：一是運(yùn)行操作在空間上按序列、間歇的方式進(jìn)行，由于污水大都是連續(xù)或半連續(xù)排放，處理系統(tǒng)中至少需要兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器交替運(yùn)行，因此，從總體上污水是按順序依次進(jìn)入每個(gè)反應(yīng)器，而各反應(yīng)器相互協(xié)調(diào)作為一個(gè)有機(jī)的整體完成污水凈化功能，但對(duì)每一個(gè)反應(yīng)器則是間歇進(jìn)水和排水；二是每個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行操作分階段、按時(shí)間順序進(jìn)行，典型的SBR工藝的一個(gè)完整的運(yùn)行周期由五個(gè)階段組成，即進(jìn)水階段、反應(yīng)階段、沉淀階段、排水階段和閑置階段，從第一次進(jìn)水開(kāi)始到第二次進(jìn)水開(kāi)始稱(chēng)為一個(gè)工作周期。
進(jìn)水階段是反應(yīng)池在短時(shí)間內(nèi)接納需要處理的污水，同時(shí)起到調(diào)節(jié)和均質(zhì)的作用，此階段可曝氣或不曝氣。反應(yīng)階段是停止進(jìn)水后的生化反應(yīng)過(guò)程，根據(jù)需要可在好氧和缺氧條件下進(jìn)行，也可兩種條件下交替進(jìn)行，但一般以好氧為主。沉淀階段停止曝氣，進(jìn)行泥水分離。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沉淀，進(jìn)入排水階段，利用排水裝置將上清液排出反應(yīng)池。排水結(jié)束到第二次進(jìn)水的時(shí)間間隔為閑置階段，這一階段曝氣或不曝氣均可，此時(shí)通常不進(jìn)水，而是通過(guò)內(nèi)源呼吸作用使微生物的代謝速度和吸附能力得到恢復(fù)，為下一個(gè)周期創(chuàng)造良好的初始條件。在每一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，各階段的運(yùn)行參數(shù)都可以根據(jù)污水水質(zhì)和出水指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，并且可根據(jù)實(shí)際情況省去其中的某一階段，還可以把反應(yīng)期與進(jìn)水期合并，或在進(jìn)水階段同時(shí)曝氣等，系統(tǒng)的運(yùn)行方式十分靈活。
（2）方案二：ABR＋SBR組合工藝處理含油廢水。
厭氧擋板式反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器串連運(yùn)行。折流式厭氧反應(yīng)器（Anaerobic Baffled Reactor）是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一種新型高效厭氧反應(yīng)器。厭氧擋板式反應(yīng)器內(nèi)部垂直于水流方向設(shè)多塊擋板來(lái)保持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度以減少水力停留時(shí)間。擋板把反應(yīng)器分為若干個(gè)上向流室和下向流室。上向流室比較寬，便于污泥聚集，下向流室比較窄，通往上向流的導(dǎo)板下部邊緣處加 60°的導(dǎo)流板，便于將水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持較高的污泥濃度。當(dāng)污水COD濃度高時(shí)，為避免出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸濃度過(guò)高，減少緩沖劑的投加量和減少反應(yīng)器前端形成的細(xì)菌膠質(zhì)的生長(zhǎng)，處理后的水進(jìn)行回流，使進(jìn)水COD稀釋至大約5～10g/L，當(dāng)污水COD濃度較低時(shí)，不需進(jìn)行回流
雖然在構(gòu)造上ABR可以看作是多個(gè)UASB反應(yīng)器的簡(jiǎn)單串聯(lián)，但工藝上與單個(gè)UASB有顯著不同。UASB可近似地看作是一種完全混合式反應(yīng)器，而ABR則更接近于推流式工藝。與Lettinga提出的SMPA[1]工藝對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)ABR幾乎完美地實(shí)現(xiàn)了該工藝的思路要點(diǎn)。首先，擋板構(gòu)造在反應(yīng)器內(nèi)形成幾個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)室，在每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)馴化培養(yǎng)出與該處的環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質(zhì)的廢水時(shí)，第一格反應(yīng)室經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的馴化，將形成以酸化菌為主的高效酸化反應(yīng)區(qū)，葡萄糖在此轉(zhuǎn)化為低級(jí)脂肪酸（VFA），而其后續(xù)反應(yīng)室將先后完成各類(lèi)VFA到甲烷的轉(zhuǎn)化。通過(guò)熱力學(xué)分析可知，細(xì)菌對(duì)丙酸和丁酸降解只有在環(huán)境H2分壓較低的情況下才能進(jìn)行[2]，而有機(jī)物酸化階段是H2的主要來(lái)源，產(chǎn)甲烷階段幾乎不產(chǎn)生H2。與單個(gè)UASB中酸化和產(chǎn)甲烷過(guò)程融合進(jìn)行不同，ABR反應(yīng)器有獨(dú)立分隔的酸化反應(yīng)室，酸化過(guò)程產(chǎn)生的H2以產(chǎn)氣形式先行排除，因此有利于后續(xù)產(chǎn)甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過(guò)程在較低的H2分壓環(huán)境下順利進(jìn)行，避免了丙酸、丁酸過(guò)度積累所產(chǎn)生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各個(gè)反應(yīng)室中的微生物相是隨流程逐級(jí)遞變的，遞變的與底物降解過(guò)程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應(yīng)的微生物相擁有最佳的工作活性。其次，同傳統(tǒng)好氧工藝相比，厭氧反應(yīng)器的一個(gè)不足之處是系統(tǒng)出水水質(zhì)較差，通常需要經(jīng)過(guò)后續(xù)處理才能達(dá)標(biāo)排放。而ABR的推流式特性可確保系統(tǒng)擁有更優(yōu)的出水水質(zhì)，同時(shí)反應(yīng)器的運(yùn)行也更加穩(wěn)定，對(duì)沖擊負(fù)荷以及進(jìn)水中的有毒物質(zhì)具有更好的緩沖適應(yīng)能力。值得指出的是，ABR推流式特點(diǎn)也有其不利的一面，在同等的總負(fù)荷條件下與單級(jí)的UASB相比，ABR反應(yīng)器的第一格不得不承受遠(yuǎn)大于平均負(fù)荷的局部負(fù)荷。以擁有五格反應(yīng)室的ABR為例，其第一格的局部負(fù)荷為其系統(tǒng)平均負(fù)荷的5倍，如何降低局部負(fù)荷過(guò)載的不利影響還有待于深入探討。
ABR的工藝特性與其水力特性緊密相關(guān)。對(duì)于ABR的水力學(xué)特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey和天津大學(xué)的郭靜[3]研究表明：ABR反應(yīng)器在沒(méi)有回流和攪拌的條件下，混合效果良好，死區(qū)百分率低。反應(yīng)死區(qū)可以分為生物死區(qū)和水力死區(qū)，生物死區(qū)來(lái)源于污泥所占的體積以及污泥對(duì)水力條件的改變；水力死區(qū)則可通過(guò)改善反應(yīng)器構(gòu)造設(shè)計(jì)而減小。在單個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，水力特性接近于完全混合式，而從整體效果上看，則近似于推流式。由于ABR的水力特性較復(fù)雜，二者均未能就其流態(tài)提出一個(gè)較好的數(shù)學(xué)模型。其水力死區(qū)的借用了化學(xué)反應(yīng)工程中反應(yīng)器的流態(tài)模型，其合理性尚待進(jìn)一步考證。
關(guān)于ABR的工藝特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人所做。ABR反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)污泥床層（常為顆粒污泥）處于流化狀態(tài)，廢水中基質(zhì)的降解和微生物代謝產(chǎn)物的排除均須經(jīng)由顆粒污泥表面通過(guò)擴(kuò)散作用完成。試驗(yàn)中ABR的負(fù)荷可高達(dá)36gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey[4]研究了ABR的啟動(dòng)特性，結(jié)果表明，固定進(jìn)水基質(zhì)濃度而逐步縮短HRT的啟動(dòng)方式優(yōu)于固定HRT而逐漸增大進(jìn)水基質(zhì)濃度的啟動(dòng)方式。另外，ABR對(duì)水力負(fù)荷沖擊響應(yīng)迅速但恢復(fù)卻快于濃度負(fù)荷沖擊。在高水力負(fù)荷條件下，反應(yīng)器內(nèi)的短流現(xiàn)象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey[5]研究了以葡萄糖為基質(zhì)的ABR在穩(wěn)定狀態(tài)和沖擊負(fù)荷情況下的運(yùn)行特性，系統(tǒng)分析了酸化過(guò)程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產(chǎn)物在不同運(yùn)行狀態(tài)下沿流程的分布積累狀況。與其它反應(yīng)器在沖擊負(fù)荷條件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的受體。此外，無(wú)論是在水力或是在濃度負(fù)荷沖擊下，ABR均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能，因此有可能適用于廢水處理。
根據(jù)潿州終端處理廠污水平流式厭氧處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告，UASB+SBR聯(lián)合處理含油廢水實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ABR+SBR聯(lián)合處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)比UASB+SBR組合工藝、ABR+SBR組合工藝處理含油廢水實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從工藝的運(yùn)行管理，處理效果、耐沖擊負(fù)荷等方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較。比選方案的主要區(qū)別在厭氧處理反應(yīng)器的選擇上，兩種不同厭氧反應(yīng)器比較如下：
①構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)：UASB池體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其三相分離器對(duì)設(shè)計(jì)要求較高，且單反應(yīng)器存在明顯的床體水流溝流的現(xiàn)象；ABR反應(yīng)器采用多格室結(jié)構(gòu)代替單室反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，無(wú)專(zhuān)用的氣固液分離系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
②反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間：UASB污泥馴化期40天以上，不宜間歇運(yùn)行，污泥床破壞后重新啟動(dòng)困難；ABR污泥馴化期在20天左右，各隔室的微生物隨流程逐級(jí)遞變，可間歇運(yùn)行。
②設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理：UASB的三相分離器對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的要求較高，處理低濃度污水時(shí)，有機(jī)物濃度低，產(chǎn)氣量少，污泥間無(wú)良好的間隙性，有機(jī)物和污泥的傳質(zhì)作用較差，處理效率受到一定限制，且為使UASB布水均勻，反應(yīng)需設(shè)攪拌器使泥水充分接觸，這在實(shí)際工程中較難控制。ABR不需要專(zhuān)門(mén)的布水系統(tǒng)，也不需要設(shè)置專(zhuān)用三相分離器，其運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。
④成本及運(yùn)行費(fèi)用：根據(jù)有關(guān)資料顯示，在處理相同負(fù)荷的有機(jī)廢水，UASB與ABR相比，一次性成本和常年運(yùn)行費(fèi)用均較高。
綜合以上分析研究成果及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明UASB+SBR組合工藝、ABR+SBR組合工藝都能有效地處理本設(shè)計(jì)含油廢水，但厭氧段宜采用處理原理和效果相似，且運(yùn)行管理方便的ABR反應(yīng)器。最后確定了處理的最佳方案為：原水→調(diào)節(jié)池→厭氧生化→好氧生化→沉淀（過(guò)濾）→出水。其中，反應(yīng)體系中，厭氧生化處理采用了平流式厭氧處理法。
3 污水生化處理系統(tǒng)工藝原理
根據(jù)潿州終端處理廠污水處理小試、中試報(bào)告，污水通過(guò)采用化學(xué)混凝法處理、好氧處理、厭氧+好氧組合工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)確定污水處理以生物處理技術(shù)為主體，采用“厭氧+好氧＋過(guò)濾”工藝，污水首先進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行厭氧處理，厭氧池設(shè)計(jì)采用“折流板式厭氧反應(yīng)器”（ABR），該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為36小時(shí)，原污水利用厭氧微生物（主要是厭氧菌）將廢水中的可溶性的高分子有機(jī)物和不溶性有機(jī)物降解為低分子的有機(jī)酸、醇及二氧化碳、氨、硫化氫等氣體，并放出細(xì)菌生長(zhǎng)、活動(dòng)所需的能量。污水中的有機(jī)物得到降解的同時(shí)廢水的可生化性得到改善，COD去除率為20%～30%。厭氧出水再泵入“序批式生物反應(yīng)器”（SBR）內(nèi)進(jìn)行好氧生化處理，SBR設(shè)計(jì)的運(yùn)行周期為12h（進(jìn)水1h，曝氣8h，沉淀2h，排水1h）。剩余污泥進(jìn)入濃縮池濃縮處理后經(jīng)過(guò)脫水處理后將泥餅外運(yùn)填埋處理。SBR處理出水通過(guò)潷水裝置排入過(guò)濾池，經(jīng)過(guò)濾池的濾料層后截留了SBR池出水中可能殘留的懸浮顆粒。過(guò)濾池處理后出水經(jīng)儲(chǔ)水池后達(dá)標(biāo)排放
（1） 本工藝采用生化（ABR+SBR）組合工藝對(duì)污水進(jìn)行處理。污水進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行厭氧處理，再泵入SBR池內(nèi)好氧生化處理，污泥回流至厭氧反應(yīng)池，多余污泥進(jìn)入濃縮池濃縮處理后經(jīng)過(guò)脫水處理后將泥餅外運(yùn)填埋處理。處理后出水經(jīng)貯水池后達(dá)標(biāo)排放。
（2）工藝采用了處理技術(shù)工藝成熟，所設(shè)各構(gòu)筑物的功能明確，組合合理，處理過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，便于管理，通過(guò)各構(gòu)筑物的綜合處理，相關(guān)指標(biāo)可達(dá)到國(guó)家污水綜合排放的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
（3）SBR反應(yīng)池特點(diǎn)：SBR反應(yīng)池設(shè)置多個(gè)反應(yīng)池，其運(yùn)行操作在空間上按序列、間歇的方式進(jìn)行，污水采用連續(xù)處理排放；反應(yīng)池運(yùn)行靈活，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，各階段的運(yùn)行參數(shù)都可以根據(jù)污水水質(zhì)和出水指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。
（4）ABR反應(yīng)池特點(diǎn)：采用多格室結(jié)構(gòu)代替單室反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，無(wú)專(zhuān)用的氣固液分離系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；不需要專(zhuān)門(mén)的布水系統(tǒng)，也不需要設(shè)置專(zhuān)用三相分離器，其運(yùn)行管理簡(jiǎn)單；反應(yīng)啟動(dòng)時(shí)間，ABR污泥馴化期在50天左右，各隔室的微生物隨流程逐級(jí)遞變，可間歇運(yùn)行。
（5）成本及運(yùn)行費(fèi)用：根據(jù)有關(guān)資料顯示，在處理相同負(fù)荷的含油有機(jī)廢水，SBR＋ABR工藝，一次性成本和常年運(yùn)行費(fèi)用均較低。
4 污水處理效果分析
潿洲終端污水處理項(xiàng)目于2005年8月1日正式開(kāi)工建造，2006年4月28日全面竣工投用，采用的“厭氧 + 好氧 ＋ 過(guò)濾” 處理含油污水工藝，是集各成熟、高效處理單元的合理組合，經(jīng)過(guò)三年時(shí)間的運(yùn)行證明，本污水處理流程耐沖擊負(fù)荷、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定。同舊的污水處理裝置相比較，污水處理量滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，節(jié)約了大量的電力資源、減輕了操作難度、減少了大量的設(shè)備維修和維修成本。經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測(cè)站的多次監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)生化處理后的污水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。
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