船舶污水一體式處理系統的研究

蔡 軍，陳 勇

(陸軍軍事交通學院鎮江校區，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

船舶污水主要指船舶油污水和生活污水，船舶污水必須經過處理達標后方可排放，其處理方式為在船舶設置油水分離器和生活污水處理裝置，在處理方法上，前者為物化處理，后者為生化處理。船舶污水采用2套獨立系統進行處理，設備及運行成本較高，船員的維護管理工作量大；近年來，用生物方法處理船舶油污水或混合船舶污水（油污水+生活污水）越來越引起廣大科研工作者的關注[1–3]。基于此，本文提出用一體式處理系統處理船舶污水，即將高濃度的油污水經物理化學方法預處理，使其油份濃度降低后，再進入生物處理裝置，與生活污水一同混合處理。船舶污水一體式處理，一方面減少了設備數量，降低了成本，減輕了船員工作量；另一方面生活污水的加入，提高了油污水的B/C，補充了營養元素，改善了油污水的生化性能，采用經濟節能的生物法處理船舶污水，有利于提高污水處理的效益。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

目前船舶污水的生物處理裝置主要采用活性污泥法和生物接觸氧化法，曝氣生物濾池的使用并不多見，而在城市生活污水、含油工業廢水等處理方面，采用曝氣生物濾池處理的實例、研究較多，且取得較好的處理效果[4–9]，故實驗裝置采用陶粒曝氣生物濾池（CBAF），如圖1所示，其直徑70 mm，高300 mm，有效容積0.6 L，管1#作為反沖洗進水管、排水管、放空管，管2#作為反沖洗出水管，頂部進水，底部曝氣；填料為約40目的陶粒，裝柱高90 mm。陶粒空隙率高，表面積較大，化學性能穩定，吸附效果好，能夠適應各類復雜的水體，去除石油類物質的效率高，并且再生方便，有資料顯示陶粒曝氣生物濾池除油效率可達90%以上[10]。CBAF置于恒溫培養箱內，并用氣體流量計控制曝氣量，用溫度計、pH計適時檢測溫度、pH值，裝置間歇運行。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental equipment

1.2 進水水質及反應條件

進水為城市生活污水，用柴油、葡萄糖調節油份濃度使 C油=50～88 mg/L， COD=701.65～1 000 mg/L。系統的反應條件（曝氣量Q，pH，溫度T等）對污水的處理效果有較大的影響，在前期條件實驗中，采用曝氣生物濾池處理模擬船舶生活污水，在Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃，HRT=90 min，進水COD=792.57 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，出水COD=34.53 mg/L，HN3-N=16.37 mg/L，兩者去除率近乎最佳，分別為95.64%和72.23%。基于該研究，CBAF運行條件設為Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃。

1.3 分析方法

COD：采用密封消解分光光度法；油份濃度C油：采用紫外分光光度法。

1.4 曝氣生物濾池的馴化培養

將上述處理模擬船舶生活污水的CBAF中，加入濃度COD=1 000 mg/L，C油=100 mg/L的混合污水，在Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃條件下，每24 h沉淀后排出上清液，重新補充上述污水。3 d后，進C油=60 mg/L，COD=701.65 mg/L的混合污水，在 Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=6 h的條件下，間歇運行10個周期后，兩者去除率達85%和80%以上，至此認為對混合污水的馴化工作完成[11–12]。繼續運行數個周期，開展實驗。

2 結果與討論

2.1 HRT的確定

進水COD=701.65 mg/L，C油=63.70 mg/L， Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，間歇取樣分析。由圖2可見，反應初始（0～30 min），由于較高的底物濃度和陶粒較強的吸附性，油份濃度迅速下降，表現為較高的去除速率；隨著反應進行（30～120 min），出水油份濃度下降較為緩慢，與時間近呈線性關系（見擬合曲線），其主要原因為此階段陶粒對油份吸附與污油的生物降解兩者趨于動態平衡，故去除速率近為恒定，約為0.112 mg/min（擬合曲線斜率）；根據擬合曲線（C油=–0.112t+17.46），反應時間t=156 min時，油份可完全降解，理論濃度趨于0。綜合考慮油污水的達標排放、處理成本以及進水油份濃度的波動，確定CBAF的HRT=90 min。

圖2 濾池中油份濃度的變化曲線Fig.2 Change curve of oil in CBAF

2.2 底物油份濃度對出水的影響及兩者的相關性

進水COD=701.65 mg/L，C油=55.85 mg/L，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min，調節油份濃度，探討進水底物濃度對油份去除的影響。由圖3可見，出水油份濃度隨著進水底物濃度的增加，其變化趨勢分2個階段。第1階段，當進水底物濃度在55.85～72.62 mg/L時，出水油份濃度C油＜10 mg/L（去除率≥87.66 mg/L），近呈線性關系，即線性變化階段；第2階段，當進水底物濃度達88.21 mg/L時，出水油份濃度急劇增大，達44.51 mg/L（去除率僅為49.54%），即超限突變階段。

圖3 底物濃度對出水油份的影響Fig.3 Effect of substration concentration on oil of effluent

由此可知，為保證油份濃度的達標排放，該CBAF具有最大進水油份濃度，另一方面CBAF本身也有最大耐受濃度。關于生物膜處理裝置中進出水底物濃度的相關性，劉雨提出S0-Se模型[13]：

式中：S0為進水油份濃度，mg/L；Se為出水油份濃度，mg/L；So,c為臨界進水油份濃度，即理論最大進水油份濃度，mg/L；Sen為污水中非生物降解的油份濃度，mg/L，由實驗證明，當反應時間足夠長時，出水油份濃度趨于0（見圖2擬合曲線），故Sen=0；K為濃度系數。將式（1）兩邊取倒數，得

用該模型擬合1/S0-1/Se關系如圖4所示，其中K=2.09，So,c=90.07 mg/L。

圖4 S0-Se關系曲線Fig.4 Relationship between S0 and Se

當進水油份濃度過高，負荷大于污油去除能力，如果增加單位進水油份濃度就會引起出水水質變化，故式（2）的穩定性可以用邊界條件來滿足：

此時的進水油份濃度S0被稱為實際臨界進水油份濃度（即CBAF實際所能承受的最大進水油份濃度），由此得：

將所得的K=2.09，So,c=90.07 mg/L代入式（4），得：該裝置實際所能承受的最大進水油份濃度=76.35 mg/L。這可以解釋圖3中現象：當進水油份濃度較小（S0＜76.35 mg/L），去除率較為平緩；當進水油份濃度超過臨界值（S0＞76.35 mg/L），去除率突降。由此可見，該CBAF的最大耐受進水油份濃度約為76.35 mg/L，另一方面，當進水油份濃度為76.35 mg/L時，根據圖3中的擬合曲線（C出油=0.340 4C進油-15.795），反應90 min，出水油份濃度約為10.19 mg/L，實現油污水達標排放。

2.3 對比實驗

為了驗證生活污水的存在對油污水處理的促進作用，設置了對比實驗，即向CBAF中分別進油污水和混合污水（生活污水+油污水），在Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min的情況下，結果見表1。生活污水對油污水的處理具有較好的促進作用，提高了油污水的生化性能，且能保證COD達標排放。由此可見，與現有船舶污水處理系統相比，一體式污水處理系統具有明顯優勢。

表1 油污水和混合污水處理對比實驗Tab.1 Contrast experiment of oily sewage treatment and mixed sewage treatment

3 一體式污水處理系統構建

基于上述實驗成果，結合船舶油污水和生活污水的特性和排放要求，構建一體污水處理系統如圖5所示。該系統由油污水預處理系統、生物處理系統、末端處理系統組成。

3.1 油污水預處理系統

油污水預處理系統主要由油污水預處理裝置、油污水濃度檢測裝置，閥件（電磁閥VS1，VS2，見圖5）組成。預處理裝置對油污水進行預處理，使其低于后繼生物處理最大進水油份濃度，從船舶油污水處理裝置的使用現狀看，其預處理方法主要采用重力分離、聚結分離、過濾分離等，或采用2種以上方法的組合形式[14–16]；檢測裝置在線檢測預處理出水的油份濃度，當出水油份濃度高于調定值（視油污水和生活污水的比例而定）時，啟動報警裝置，并關閉電磁閥VS2，開啟電磁閥VS1實現污水回流再處理，反之開啟電磁閥VS1，關閉電磁閥VS2進入下一級處理。

圖5 一體式污水處理系統流程圖Fig.5 Process of integrated sewage treatment system

3.2 生物處理系統

生物處理系統主要實現油污水和生活污水的生物處理，由一體式污水處理裝置和精處理裝置組成。

1）一體式污水處理裝置，采用CBAF，在油份濃度低于允許值76.35 mg/L的情況下，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min時實現污油份和有機物的高效處理。有機物的去除，避免了其對后繼硝化反應的抑制，為生物脫氮創造了條件。

2）2012年10月IMO MEPC 64次會議上通過了MEPC 227（64）決議，該決議對船舶生活污水中的排放提出了明確的要求，精處理裝置主要實現N、P的處理，以及進一步對油份處理，保證油份的達標排放，甚至零排放。精處理裝置可采用目前船舶生活污水處理較為經典的生物接觸氧化法，也可采用曝氣生物濾池，其填料可選擇對N，P有一定吸附能力的沸石或陶粒等。從生物脫氮處理的基本原理出發，其運行方式可采用好氧-厭氧-好氧間歇模式[17–18]。好氧過程主要實現氮的硝化；厭氧過程主要實現磷的釋放和硝化產物的反硝化，該過程需要外碳源的加入，一方面反硝化細菌是異樣菌，需要碳源，另一方面富足的碳源，有利于聚磷菌釋放磷酸鹽，從經濟角度出發，將一部分生活污水中引入精處理裝置中，利用生活污水中的有機物作為外加碳源；再次好氧過程主要實現磷和反硝化過剩有機物的去除。

3.3 末端處理系統

末端處理系統主要由膜分離裝置和消毒裝置組成，膜分離裝置實現污水的泥水分離；消毒裝置保證系統中大腸菌群的達標排放。

4 結 語

本文構建了以CBAF為主體的一體式船舶污水處理系統，并用CBAF處理模擬船舶污水（油污水經預處理），研究表明：

1）船舶污水一體式生物處理具有可行性，當進水COD=720.21 mg/L，C油=65.87 mg/L，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min，出水COD=44.00 mg/L，C油=6.56 mg/L，兩者去除率高達93.89%和90.04%。

2）該CBAF對油份的耐受濃度約為76.35 mg/L，在此濃度內，能保證油份濃度的達標排放。

3）在實驗基礎上構建了一體式污水處理系統，從理論上闡述了該系統的合理性，為后期實際船舶污水運行得中試實驗、運行參數研究，以及船舶污水處理系統的改進、開發提供理論依據。