海上平臺生活污水處理工藝探討

郭奕杉，張大釬，朱夢影，孟冠柔，程 濤

(1.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業公司 天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300459；3.中海油信息科技有限公司信息技術分公司 天津 300452)

海洋環境污染是全球面臨的一大問題。20世紀初，國家就根據COD、TSS、BOD5等指標對海洋石油領域的污染物排放濃度設定了標準限值。處理海上平臺人員的生活污水講求高效率、低成本，與之相匹配的生活污水處理方法也成為了近年來污水處理裝置的發展趨勢[1-2]。

海上平臺是長期矗立在海洋中的油氣開采設施，生產作業人員日常生活產生的污水可根據其來源不同分為“灰水”和“黑水”。“灰水”是指洗手池、洗衣間及廚房排出的含有洗滌劑等化學物質的水。“黑水”是指衛生間下水管排放的含有排泄物的水。為避免直接排放使污水中的氨氮和磷酸鹽入海導致水體污染，需進行污水處理。目前主要的生活污水處理方式有：微生物法、電絮凝法、膜分離法和微電解超濾膜生物組合法。

1 常見海上平臺生活污水處理技術

1.1 微生物法

微生物法生活污水處理技術又可稱為活性污泥法，起源于英國曼徹斯特，該方法利用微生物可以對污水中有機物進行氧化、吸附等特性進行水質處理。其工藝流程如圖1所示。

圖1 微生物法污水處理工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of microbial sewage treatment process

持續進入曝氣池的空氣會與池內污水充分混合形成好氧性微生物絮凝體，即活性污泥，用于吸附污水中的有機物，使有機物發生酸化水解和甲烷化，并不斷繁殖。這一過程為硝化細菌與活性污泥創造了良好的脫氮環境和脫磷條件，最終有機物被分解為二氧化碳和水，達到污水處理的目的。分離池中的部分污泥通過管線回流至曝氣池作為種泥，形成不間斷的處理效果[3-4]。

微生物法具有自動化程度高、維護管理成本低的特點，但其對沖擊負荷適應能力差、處理水所需時間長，因此新建海上設施逐漸淘汰了此種工藝。

1.2 電絮凝法

電絮凝技術進行污水處理包括 2級電解反應。第1級電解過程中，作為陽極的金屬極板在直流電作用下產生金屬離子以污水作為電解質進行水解、聚合，與水中物質反應生成大量氫氧化物和多羥基高分子線型物。這些生成物會在壓縮雙電層作用和吸附橋架作用中失穩并沉淀凝聚，形成“絮凝體”，隨后進入電解槽中進行第2級電解[5-7]。

電解槽通電后，陽極生成的強還原性金屬離子進一步對難以降解的物質進行還原反應。與此同時，陰極發生的電化學氧化反應直接將污水中的有機物氧化成為水、二氧化碳和低分子有機物。

圖2 某海上平臺生活污水處理裝置工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of domestic sewage treatment unit of an offshore platform

圖2是某海上平臺生活污水處理裝置工藝流程圖。在實際應用中，污水進入電解槽前，通常會混入一定比例的海水，利用含有大量 NaCl的海水在電解設備中發生反應：

反應產物次氯酸鈉作為強氧化消毒劑，與污水中細菌進行充分接觸后，可以近乎完全地將細菌殺滅。電絮凝設備具有裝置自動化程度高、處理水速度快的特點，目前在海上設施中有著廣泛的應用，是一種主流的生活污水處理工藝[8]。

1.3 膜分離法

膜分離法處理生活污水是一種新型處理技術。它利用膜的選擇透過性對污水中固定尺寸的懸浮大分子物質或乳化油進行截留，可分為有外力驅動的分離型和僅靠壓差作為動力的無外力驅動分離型[8]。

近年來，隨著制膜工藝的進步，膜分離技術有了很大發展，在污水處理方面有顯著成效。但單一的膜分離水處理方式在實際應用中存在顯著的局限性，如設備成本較高、短時間內無法將污水處理達標等。海上設施對于設備占地尺寸、來液停留時間均有嚴格要求，所以對于單一膜分離設備處理平臺生活污水的適宜程度方面還有待探索。

1.4 微電解超濾膜生物組合法

微電解技術常用于高 COD值、高烷基污水的處理，它是在低壓直流電環境中利用鐵-碳顆粒組成的原電池發生電化學反應后鐵離子對污染物的混凝作用去除有害物質。

膜生物法是近幾年興起的污水處理熱門方法之一，它將微生物處理法與膜分離技術結合，以活性污泥(生物相)與若干膜分離單元組合，組成膜生物反應器(MBR)。首先以微生物吸附降解胺、磷和有機物，再利用膜單元分離、截留絕大部分活性污泥，確保生物處理的持續性與抗負荷能力，同時把處理合格的污水排放至下游[9-11]。

微電解超濾膜生物組合法將 MBR工藝加上微電解流程，是一種采用多方法相結合進行污水處理的方式。工藝流程如圖3所示。

圖3 微電解超濾膜生物組合法工藝流程圖Fig.3 Flow chart of microelectrolysis ultrafiltration membrane biofiltration process

黑水經粉碎泵攪拌、破碎后流入厭氧池，在厭氧細菌的處理下，部分有機物被去除，同時污水的可生化性顯著提高。

在MBR反應池中，灰水與經過厭氧細菌降解后的黑水混合，污水中有機物進一步被好氧細菌分解。在這一過程中，絕大部分有機物變為水和 CO2，因饑餓而死亡的細菌則成為活性污泥中原生物和后生物的食物，整個微生物系統達到動態平衡。超濾膜系統為間歇式運行，在出口自吸泵運行時受壓差推力將污水和活性污泥進行篩孔分離，污水經由電解極板進入電解水柜。自吸泵停止期間，膜系統在曝氣流和重力共同作用下產生反沖洗效果被清洗干凈。

電解水柜中產生的強氧化消毒劑對污水進行殺菌，同時水柜中產生的混凝作用將污水中難以去除的有機物氧化消解。經處理的污水最終由泵打入平臺生產系統，實現零排放。微電解超濾膜生物組合法處理后的水質穩定，不會出現污泥膨脹現象，具有占地面積小、對環境零污染等特點，使其迅速成為目前海上平臺主流的生活污水處理方式之一。

2 處理效果比較

本次研究中對渤海某油田不同時期建造的 3座海上設施生活污水處理裝置進行分析，其工藝類型分別為微生物法、電絮凝法和微電解超濾膜生物組合法(表中簡稱組合法)。在平臺 POB數量、餐食類型和取樣時間相同的情況下，對各裝置處理后的生活污水進行 3次取樣，每次取樣時間間隔為 36h。水樣檢測結果見表1。

表1 3種生活污水處理工藝取樣檢測結果Tab.1 Sampling and testing results of three domestic sewage treatment processes

水樣檢測結果顯示，3種污水處理裝置出水水樣均達到排放標準。微生物法出水水質較差且穩定性不高，電絮凝法出水水質高于微生物法但在用水高峰期處理效果略差。與微生物法、電絮凝法工藝相比，微電解超濾膜生物組合法無論是出水水質還是用水高峰時期的抗沖擊能力方面都有著明顯優勢。

3 設備優化

3.1 鼓風機類型選擇

鼓風機的作用是向污水處理裝置的活性污泥系統提供空氣，保證微生物所需的溶解氧，海上設施對此類設備在能耗、噪音等方面均有一定要求，而市面上典型的流量型鼓風機如旋片式鼓風機、羅茨鼓風機難以達到相應要求，因此鼓風機類型應首選壓力特性鼓風機，如離心式和旋渦式鼓風機。

3.2 工藝優化

在今后的平臺生活污水處理裝置設計過程中，可利用某些工藝流程排放的氣體作為氣源代替鼓風機供氣，比如可將平臺自有的氮氣發生裝置產生的富氧空氣作為曝氣氣源替代鼓風機提供空氣。

現以可容納100人的海上采油平臺為例，與其相匹配的生活污水處理裝置所需曝氣量約為68.75Nm3/h，采油平臺氮氣發生器的制氮能力為180Nm3/h。根據計算，產生 180Nm3/h氮氣的同時可以產生富氧氣體 387Nm3/h，遠超生活污水處理裝置的需求，并且采油平臺上開式排放與閉式排放系統長期需要氮氣作為覆蓋氣源，因而可以保證氮氣發生裝置在線的連續性，富氧氣體高氧含量的特性也可以有效提高活性污泥的反應效率。

好氧細菌反應池中曝氣壓力需求一般小于10kPaG，因而可根據需要在氣體入口管線上設置減壓閥將曝氣壓力調節到適應值，同時可以根據處理效果對此壓力進行調整。

經優化后，不但可以免除鼓風機的購買和維護成本，降低機組的占地空間，同時可以有效利用氮氣發生裝置產生的富氧空氣，切實達到降本增效的目的。

4 結 語

海上平臺實際排放的生活污水中含有磷酸鹽、醇類、胺類等多種復合物質及有機質。不同污水處理工藝的處理效果表明，將多種處理技術相結合進行污水處理，是集中分離、降解污水中有害物質的高效方式，也是未來污水處理技術的發展趨勢。根據海上平臺的實際應用情況，進行針對性設計和改造，有利于進一步提高處理效果和降低成本。