電解法生活污水處理裝置在海洋平臺上的選型設(shè)計

王亞瑩

（海洋石油工程股份有限公司）

0 前言

隨著航運業(yè)和海洋開發(fā)的空前發(fā)展，海洋環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重，人類對海洋環(huán)境的保護(hù)也日益重視。海洋平臺作為海上油氣開采設(shè)施，長期坐落在海域中，平臺上工作人員日常生活產(chǎn)生的生活污水若未經(jīng)處理就直接排放進(jìn)海中，勢必對海洋環(huán)境構(gòu)成較為嚴(yán)重的、長期的流動性污染。因此，國際海事組織（IMO）在1973年就制定了國際防止船舶造成污染公約，這就是眾所周知的《MARPOL 73/ 78公約》，亦簡稱 《73/78防污公約》。該公約附則Ⅳ規(guī)定，海上生產(chǎn)生活設(shè)施必須裝有生活污水處理裝置。我國在 1983年也制定了 GB 3552—1983《船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，在1986年制定的 《海船防污染結(jié)構(gòu)與設(shè)備規(guī)范》中，對污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)和污水處理裝置進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定[1]。

海上平臺生活污水處理裝置就是為了防止由海洋平臺生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生活污水對所在水域造成的污染，而在平臺上設(shè)置的特定處理裝置。目前，常用的生活污水處理方法有物理化學(xué)法 （物化法）、 生物化學(xué)法 （生化法）、電解法 3種。本文主要就電解法生活污水處理裝置在南海某固定平臺中的應(yīng)用進(jìn)行選型設(shè)計和分析研究。

1 電解法

1.1 電解法原理

電解法是通過化學(xué)過程對污水進(jìn)行氧化和消毒。其原理是將混有海水的生活污水流經(jīng)特制的電解槽，借助于電解槽產(chǎn)生的強(qiáng)氧化消毒劑進(jìn)行氧化和消毒。電解槽中有多個電解室，每個電解室由陰極和陽極構(gòu)成。在電解室中發(fā)生如下反應(yīng)：

電解產(chǎn)生的 ClO-（次氯酸根）是強(qiáng)氧化消毒劑，它在反應(yīng)副產(chǎn)品氫氣 （H2）的攪拌下，充分與污水中的細(xì)菌混合接觸，消滅其中的細(xì)菌。同時，污水中的有機(jī)物在陰陽兩極發(fā)生電化學(xué)氧化分解反應(yīng)，將有機(jī)物氧化分解成O2和H2O[2]。

1.2 工藝流程

污水進(jìn)入緩沖罐，在液位控制系統(tǒng)的控制下啟動設(shè)備，經(jīng)粉碎泵將污物粉碎攪拌均勻后與海水混合進(jìn)入電解槽。在電解槽內(nèi)進(jìn)行氧化消毒過程，隨后污水進(jìn)入溢流罐內(nèi)，在罐內(nèi)繼續(xù)與電解產(chǎn)生的ClO-進(jìn)行氧化消毒反應(yīng)。最后，處理合格的生活污水由溢流罐溢出，直接排入海中；沉淀的污泥則進(jìn)行回收，運回到陸地處理；少量的副產(chǎn)品氫氣通過稀釋風(fēng)機(jī)送風(fēng)稀釋，達(dá)到安全排放要求后排放到安全區(qū)域。該污水處理裝置工藝流程詳見圖1。

圖1 電解法生活污水處理裝置工藝流程

1.3 電解法優(yōu)缺點

電解法污水處理相對于物化法和生化法具有許多優(yōu)點，也具有一些缺點。

電解法優(yōu)點如下： （1）整機(jī)體積小，運行和空載時重量均為最輕； （2）模塊化設(shè)計，整套裝置可分解安裝，特別適用于空間緊張的海洋平臺安裝； （3）處理生活污水種類全面，黑水和灰水均可以處理； （4）可隨時啟動運行、關(guān)機(jī)；運行時不需外加消毒滅菌劑； （5）操作維護(hù)簡單，無需專業(yè)技術(shù)人員； （6）運行時安全可靠，無有害、有味氣體放出； （7）無污渣產(chǎn)生，無需操作人員在惡劣環(huán)境中清除臭污。

電解法缺點如下： （1）一次性投資大； （2）運行費用相對較高[3]。

從以上分析可以看出，對于海洋平臺、海上移動設(shè)施和主要從事國際航運的船舶，選用電解法處理生活污水更為合適，雖然初次投資較大，但之后的使用和管理費用大幅降低，并且還會帶來諸多的方便。

2 公約及標(biāo)準(zhǔn)對生活污水處理工藝的要求

國際公約及我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對海上船舶和海上設(shè)施中生活污水處理的工藝要求如表1所示。

表1 國際公約、國家標(biāo)準(zhǔn)生活污水工藝處理指標(biāo)

國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MEPC）于1976年通過MEPC.2（Ⅵ）決議 《關(guān)于生活污水處理裝置國際排出物標(biāo)準(zhǔn)的建議和性能試驗導(dǎo)則》，并在 2006年通過了 MEPC.159（55）決議，對MEPC.2（Ⅵ）決議進(jìn)行了修訂。從最新的國際海事組織公約可以看到，總懸浮固體、生化需氧量、化學(xué)需氧量、大腸菌群數(shù)、pH值、余氯等生活污水處理技術(shù)指標(biāo)都有提高，說明國際海事組織提高了對生活污水處理排放的要求，加強(qiáng)了對海洋環(huán)境的重視程度。

我國對海上船舶和海上設(shè)施生活污水處理裝置的研究起步比較晚，始于20世紀(jì)70年代。雖然國內(nèi)目前建造的海上船舶、海上設(shè)施已經(jīng)絕大部分都安裝了生活污水處理裝置，但相對來說，國內(nèi)海上船舶和海上設(shè)施的生活污水處理標(biāo)準(zhǔn)制定得比較寬松，并沒有達(dá)到國際水平，有待于進(jìn)一步發(fā)展和提高。

目前，國內(nèi)部分海上設(shè)施對生活污水處理的技術(shù)要求還是按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。本文的選型設(shè)計項目按照GB 4914—2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》[4]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，要求化學(xué)需氧量指標(biāo)CODcr≤300 mg/L。

3 選型設(shè)計

3.1 處理量計算

電解法生活污水處理裝置運行時需要摻入一定量海水，這樣才能保證電解效果 （海水量不大于原水量）。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施人員生活污水排放定額按350 L/（人·天）考慮，設(shè)計人數(shù)按油氣生產(chǎn)設(shè)施的救生艇人數(shù)考慮，同時還需考慮生活污水量的波動性，因此電解法生活污水處理裝置的設(shè)計水量可按式 （1）計算：

式中 Q——生活污水處理裝置設(shè)計水量，m3/d；

n——平臺生活污水定額，L/（人·天）；

N——設(shè)計人數(shù)，人；

1.2——生活污水量總變化系數(shù)。

生活污水處理裝置額定處理量按設(shè)計水量的1.2倍確定。按照式 （1）和選型原則，針對海洋平臺不同的作業(yè)人數(shù)，電解法生活污水處理裝置可參照表2進(jìn)行選型設(shè)計。

表2 電解法生活污水處理裝置額定處理量

3.2 風(fēng)機(jī)能力確定

電解法生活污水處理裝置在電解過程中生成氫氣，而氫氣屬于易燃易爆危險氣體。根據(jù)API 500規(guī)范第6.3.2.4.8條規(guī)定，對于易燃易爆危險氣體，在泄放時要求對其進(jìn)行充分稀釋，要確保稀釋后其濃度低于該危險氣體爆炸下限的25%。而氫氣的爆炸下限為4%，所以要求利用稀釋風(fēng)機(jī) （一用一備）輸送空氣進(jìn)行稀釋，保證稀釋后氫氣濃度不高于1%。具體稀釋氫氣時需要的風(fēng)量，其計算方法可參考NFPA 69附錄D，如式 （2）所示：

式中 Q——引入新鮮空氣的流量，m3/min；

G——釋放氫氣的速率（廠家提供），m3/min；

C——氫氣濃度的爆炸下限；

K——氣體混合效率系數(shù)；

N——空氣交換的次數(shù)；

e——自然常數(shù)。

達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，1-e－KN趨近于1，即式 （2）可簡化為

此外，還應(yīng)根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置氫氣探頭進(jìn)行濃度檢測，以避免氫氣濃度過高、發(fā)生爆炸的風(fēng)險。

4 結(jié)束語

相比于物化法和生化法而言，電解法生活污水處理裝置具有占用空間小，操作簡單，維修、維護(hù)費用低，運行可靠等特點，尤其適用于海洋平臺生活污水的處理。本文介紹了電解法海洋平臺生活污水處理裝置的原理和工藝流程，并就污水處理的工藝要求對現(xiàn)行公約及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，對某海洋平臺生活污水處理裝置進(jìn)行選型設(shè)計，并對裝置的污水處理能力和稀釋風(fēng)機(jī)能力等關(guān)鍵問題進(jìn)行了具體分析。

[1] 岳進(jìn)堂.船用生活污水處理裝置實用分析 [J].船海工程，2004（3）：42-44.

[2] 李偉濤.海洋平臺生活污水處理工藝及發(fā)展趨勢[J].化學(xué)工程與裝備，2011(4)：172-175.

[3] 高光才.海上平臺生活污水處理技術(shù)及處理設(shè)備[J].中國海上油氣，2002,14(3)：5-8.

[4] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值：GB 4914—2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.