內河船舶生活污水一體化處理設備小型化研究

趙小飛 陳晴空 龍詩華 易姝祺 胡明俊 李亞斌 譚家萬

摘 要：云南省瀾滄江航道發展迅速，200-300噸級小型船舶受艙位空間限制（不足1m3），生活污水處理存在空有國家層面排污標準管理規定，而無可供實際適合云南省內河船舶使用的生活污水處理裝置的尷尬局面。本研究以內河小型貨船為研究對象，開展內河船舶生活污水處理一體化設備小型化的技術研究。結果表明：船舶生活污水處理裝置理論設計總體積為2.03m3，在保證達到《船舶水污染物排放控制標準》（GB3552-2018）表2限值處理效果的前提下，經過小型化設計后，體積縮小至0.75m3，縮小了63%。研究成果為云南省內河航運事業和環境保護方面的發展起到積極的推動作用。

關鍵詞：內河船舶;生活污水;一體化設備;小型化

中圖分類號：U664.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0131-04

1前言

云南境內河流眾多，水量充沛，水能資源豐富。而云南省作為非水網地區，絕大部分船舶噸位小，艙室容積小，無法滿足現有生活污水處理設備的安裝空間，再加上費用和港口設施落后等原因，造成了云南省船舶生活污水處理落后的現狀[1-2]。目前，國內外船舶生活污水處理技術主要分為三類，分別是：收集儲存處理技術，物理化學處理技術和生物處理技術，這也是當前污水處理領域的三大基本處理技術[3]。表1對比了物理法、化學法和生物法的技術特點。

內河大、中型船舶由于空間大，上述技術用于內河大、中型船舶的生活污水處理不存在太大的困難，但在小型船舶上，艙室容積小、空間緊張是阻礙上述技術大面積推廣的主要因素之一[5]。從表1可以看出，不管是物理法，化學法，還是生活污水處理應用廣泛的生物法，這些產品和技術普遍存在自身的不足[6]。如果追求體積小，就要以犧牲處理效果為代價;如果追求處理效果好，就會出現構筑物的體積大、二次投藥化學處理成本高、能耗高等不足。因此，單獨采取上述某一處理技術，無法滿足云南小型內河船舶生活污水的處理要求[7]。此外，從表1中也可看出，相比于單一的物理法、化學法和生物法，組合法的優勢非常突出[8]。結合近年小型污水處理裝置研究趨勢，探索一種體積小、效率高、運行成本低、無二次污染、不依賴港口接受處理系統的船舶生活污水處理設備成為研究重點。

本研究以云南省瀾滄江水域內河貨船作為研究對象，進行內河船舶生活污水處理一體化設備小型化的技術研究，打破目前存在的空有國家層面的管理規定，而無可供實際適合云南省內河船舶使用的生活污水處理裝置的尷尬局面，使云南省內河船舶生活污水和垃圾處理技術有突破性解決方案，為云南省內河航運事業和環境保護方面的發展起到積極的推動作用。

2一體化處理裝置設計

2.1 設計概況

據調查，云南瀾滄江小型貨輪按船上核定工作人員約為16人，按照人均生活污水產生量為70L/d[9]，考慮污水綜合變動系數為1.6，則生活污水產生量約1.75m3/d。設計進水水質：pH=7.5±0.5，CODcr=500±200mg/L，BOD5=250±200mg/L，SS=500±300 mg/L，大腸菌群數為2×107個/L，總氯為0.001mg/L。出水水質滿足《船舶水污染物排放控制標準》（GB3552-2018）表2限值：pH=6-8.5，COD=125mg/L，BOD=25mg/L，SS=35mg/L，大腸菌群數<1000個/L，總氯<0.5mg/L[10-11]。

2.2 工藝流程及理論設計結果

本研究設計 “三級處理，六道工序”的處理工藝，具體包括：

（1）一級處理（物理法）。“格柵”作為一級處理的主要構筑物，起攔截船舶生活污水懸浮物的作用，大量降低懸浮固體廢物（SS），避免后續工藝的堵塞。一級處理主要大量去除污水中的SS。

（2）二級處理（生物法）。根據上述必選論證分析，MBR工藝可以保證污水達標排放，但是從長期穩定運行的角度，僅依靠MBR工藝存在不穩定的風險[12]。因此，仍然需要合理搭配傳統處理技術，以期實現生活污水的穩定達標排放。因此，二級處理將采用“生物接觸氧化法”作為二級處理的第一道處理工序，該工藝既具備傳統活性污泥法處理能力強的優點，同時也具備耐沖擊負荷和體積較小的優點，能夠保證船舶生活污水進入處理設備即可做到污染物的快速去除。“生物接觸氧化”處理后出水，將通過“沉淀過濾室”第二道處理工序，此處設計將采用“沉淀過濾室”替代傳統大規模污水處理廠中的“沉淀池”。“沉淀過濾室”不僅具備污水沉淀和穩流的功能，同時由于含有大量濾料還具備生物膜附著的能力，起到污水同步沉淀和凈化的效果。“沉淀過濾室”的出水污染物負荷已經得到大量降低，然后進入本研究采用的核心MBR工藝進行第三道處理工序，MBR工藝是保證污水穩定達標的關鍵。其主要原因是MBR采用了能夠大量節省占地空間的膜組件替代傳統工藝的二沉池，起到良好的泥水分離效果。在膜組件不損壞和不堵塞的情況下，都能夠保證出水穩定達標。二級處理主要去除污水中大量的COD，BOD，氨氮和少量SS。

（3）三級處理（物理化學法）。為了進一步保證出水達標，三級處理將采用物理化學法，共包括2道工序。第一道工序，主要依靠具備物理吸附和化學吸附雙重功能的活性炭過濾裝置，對污水SS和其它離子雜質做進一步去除。第二道工序，采用紫外線消毒裝置，對出水中病原菌（尤其是排放標準中控制的耐熱大腸菌群）做殺菌消毒處理，由于船舶生活污水量小，紫外消毒技術無需外加化學藥劑，不產生二次污染，因此，紫外消毒裝置非常適合船舶生活污水消毒工序。三級處理主要去除污水中的少量SS，離子雜質和病原菌。處理工藝流程如圖1所示。

該工藝將物理法、生物法和物理化學法有機地結合于一體，其中6道工序循序漸進，逐級降污，以最新的MBR技術作為保障出水穩定達標的核心技術，組建成適用于船舶生活污水生化處理的新型工藝，上述組合工藝命名為“船舶生活污水新型一體化處理工藝”，簡稱為“New integrated treatment process for marine sewage，（NITP-MS）”。 該工藝流程也是開發船舶生活污水小型一體化處理裝置的核心技術支撐。根據《室外排水設計規范》（2016版）[13]對各構筑物單元進行理論設計，設計結果見表2。

綜上分析，NITP-MS理論設計總體積為2.03m3。經實地調研發現，云南瀾滄江貨運船舶可提供的污水處理空間非常有限，僅為1m3左右。NITP-MS設備如果按照理論設計進行加工安裝，該體積遠大于云南瀾滄江貨運船舶可提供的污水處理空間，是明顯不切合實際的。基于上述考慮，本研究必須根據理論設計，對工藝和設備進行小型化研究。

3 裝置小型化研究

3.1 工藝改進及小型化設備參數

小型化研究按照貨輪艙位實際預留空間進行重新設計：

（1）格柵池簡化：格柵池簡化為管道式格柵篩網;

（2）主體工藝一體化：“沉淀過濾室”緊挨曝氣設備，因此可升級為“曝氣生物濾池”，二級處理三道工序 “生物接觸氧化法+ 曝氣生物濾池+MBR膜生物處理工藝”一體組裝成型;

（3）回轉風機改為渦輪增氧機，以減少占地面積;

（4）“活性炭吸附池”修改為“活性炭吸附室”，采用管道式，縮小體積;

（5）紫外消毒器購買外置一體化裝置，外掛于主體設備旁，不占用主體處理工藝的有效體積;

（6）出水池簡化：取消出水池，采用三通開關，取樣時打開開關即可。小型化設計后的工藝流程見圖2，各處理單元參數見表3。

從表3可以看出，一體化設備經過小型化設計后，體積從2.03m3縮小至0.75m3，縮小了63%，滿足200-300噸級小型貨輪的裝船要求。

3.2 污染物去除效果分析

將NITP-MS小型一體化裝置用于實驗室規模的小試試驗。試驗進水水質采用人工配制的方式模擬實際船舶生活污水。試驗共運行50天。設備啟動后20天時，出水水質基本穩定，表明反應器啟動成功。之后每隔10天于進出口分別取樣一次，每次取3個平行樣品。測試指標包括pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數、總氯。各指標的去除效果見圖3。

從圖3可以看出，pH在進出水口分別穩定在7.5左右，波動較小，均處于標準值規定的6-9范圍內;CODcr，BOD5，SS經過NITP-MS小型一體化裝置后，出水濃度均低于標準值;大腸菌群總數進水濃度為2×107，經過紫外線消毒裝置后，降低至20個/L，低于標準值1000個/L，表明本設計采用的紫外消毒裝置效果良好;總氯進口濃度為0.001mg/L，出口未檢出，均低于標準值0.5 mg/L，這是由于本工藝采用紫外消毒法，未采用加氯消毒法，不僅保證總氯指標達標，還可以防止投加次氯酸藥劑等產生二次污染。

綜上表明，小型化設計不會影響出水水質，經檢測，pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數、總氯6項指標均能達標排放。

4結論

本研究得到以下結論：

（1）基于MBR設計的“三級處理，六道工序”的新型一體化處理技術能夠滿足內河小型船舶生活污水處理要求。

（2）一體化設備經過小型化設計后，體積從2.03m3縮小至0.75m3，縮小了63%，滿足200-300噸級小型貨輪的裝船要求。

（3）小型化設計不會影響出水水質，經檢測，pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數、總氯6項指標均能達標排放。

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基金項目：云南省交通運輸廳科技項目，合同編號（云交科2015（B）10）