基于膜生物反應器的海上固定設施高鹽度生活污水處理裝置研究

孫立剛，王蕊，王丹，孫素艷，劉金璐

（1. 中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300450；2. 中海石油技術檢測有限公司，天津 300450；3. 中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300450）

海上采油平臺為節約淡水資源，降低生產成本，大多使用海水進行沖廁，本文采用哈希HQ40D及ISECl18101 探頭對近海海域生活污水氯離子濃度進行測量，氯離子濃度均在2%以上。山東大學黃兆松研究發現污水中鹽濃度從0%逐漸升至5%過程中，污水中COD 去除率從98%下降至59%，污水鹽度嚴重影響硝化系統微生物活性和污水出水指標[2]。

根據GB 4914—2008 標準海上固定設施生活污水一級、二級海域排放標準為COD≤300 mg／L[3]。采用普通淡水生化細菌降解COD 能力有限，裝置出水存在超標風險[3]。本文通過對藍細菌、古細菌、鹽桿菌、鹽細菌、耐鹽葡萄球菌等嗜鹽菌研究，通過普通濃縮污泥加入嗜鹽菌種進行污泥馴化，研究一種基于MBR-嗜鹽菌的海上固定設施高鹽度生活污水處理裝置，滿足平臺污水處理技術要求，同時結合中水回用技術及排放指標對裝置進行設計，實現節能減排。

1 工藝設計

來自海上平臺的生活污水分為黑水、洗浴灰水及廚房灰水，產生的廢水首先進入調節罐緩沖進行從沉淀及厭氧發酵，削弱來水負荷沖擊，避免造成溢罐。根據調節池液位控制將污水經粉碎泵至缺氧罐，缺氧罐設置彈性填料供微生物生長，厭氧罐為厭氧缺氧環境，氧濃度控制在≤0.5 mg/L，污水停留時間控制在4 h，實現硝態氮和亞硝態氮的反硝化作用[1,5]。

經厭氧處理的污水進入好氧罐，污水停留時間控制在6 h，氧濃度控制在4 mg/L 以上, 通過好氧微生物的異化和同化作用去除污水中有機物、氨氮、總磷。好氧反應結束進入膜生物反應器，膜生物反應采用抗油性好，通量大，出水穩定，壽命長，維護方便，可回收的陶瓷平板膜，處理量：40～50 L/m2·h，通過膜的高效攔截作用實現泥水分離[8]。

為進一步對膜出水進行消毒、處理，通過鉑、銥、釕等多元氧化物污水電極對膜出水進行電解氧化，通過產生的羥基自由基及次氯酸鈉等對污水進行氧化分解，殺死大腸桿菌等物質[6-7]。電解出水在最終經超濾膜，進入中水罐及壓力水罐實現中水回用。系統詳細工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

系統根據設計的工藝，結合污水處理力量、液力負荷處理量、高峰期液力負荷處理量、水力停留時間對裝置池體進行尺寸設計，利用英國AVEVA公司開發的PDMS 三維建模軟件進行污水裝置全比例三維建模，模型圖如圖2 所示，結合海上平臺尺寸空間，保證后續實際應用過程充分考慮現空間精準設計。

圖2 PD MS裝置建模

2 裝置設計

2.1 設計說明

本文研究的生活污水處理裝置將用于海水沖廁的海洋石油生產設施，主要應用于固定平臺，設計出水按《海洋石油勘探開發污染物排放濃度限值》GB4914—2008標準驗收，設計人數40 人，參照標準《關于進一步加強海上油氣生產設施生活污水達標排放管理的通知》(海油總安2014 601號）每人每天廢水最低排放量，n=350 L/人·d。

2.2 參數設計

1）排入物平均水量

式中：N—設計人數，人，N=40人；

n—平臺生活污水定額，L/人·d；

1.44—設計冗余系數。

2）有機負荷計算

參考《船用生活污水處理設備技術條件》GB/T 10833—2015規定，人均產生污染物如下：重力黑水35g BOD5（/人·d），廚房灰水30 g BOD5（/人·d），洗滌灰水5g BOD5（/人·d），總計70g BOD5（/人·d）。

3）接觸氧化工藝設計

（1）池容設計

式中：V—接觸氧化池的設計容積，m3；

So—接觸氧化池進水五日生化需氧量，mg/L；

Se—接觸氧化池出水五日生化需氧量，mg/L；

Q×（So -Se）—即設計有機負荷，Q×（So- Se）=OL；

Mc—五日生化需氧量容積負荷，kg BOD5/（m3填料·d），取值0.75kg BOD5/（m3填料· d）；

η—填料填充比，取值0.8。

以上常數參數取值參考《生物接觸氧化法污水處理工程技術規范》（HJ 2009—2011）。

4）水力停留時間計算：

式中：V—設計池容，m3；

Q—設計流量；

HRT—水力停留時間。

曝氣系統設計：

標準狀態下污水需氧量計算

式中：Ot—曝氣池溢出氣體中氧氣所占體積比，%；

EA—曝氣設備氧的利用率，%，EA=22%。

3 耐鹽菌種的馴化

3.1 菌種選擇

本文選用營養齊全、毒性低的市政污水廠污泥作為馴化“菌種”，菌種MLSS 濃度在2 000 mg/L。通過投加葡萄糖增加污水碳源、尿素作為氮源、磷酸二氫鉀作為磷源，同時添加鐵鈣鎂硫酸鹽微量元素，并通過碳酸氫鈉調整污水pH，pH 控制在7.3左右。

3.2 鹽離子濃度測定

結合海上工作規律對海上固定平臺海水沖廁平臺生活污水產生情況進行統計分析，海上生活污水排放主要集中在早高峰6～8 點，中午11～13 點，晚高峰17～22 點。利用美國哈希HQ40D 便攜式水質測定儀對早中午氯離子濃度進行測定統計。早、中高峰產生的生活污水氯離子濃度在2%左右，晚高峰由于洗浴灰水大量增加，污水中氯離子濃度在1%左右。此高鹽度的廢水會破環細菌體內的酶和菌膠團細胞膜，造成菌膠團活性降低或生化系統崩潰。

3.3 污泥的培養分析指標

1）水質分析：COD、pH、溫度等。

2）污泥分析：污泥指數SVI、污泥濃度MLSS、污泥沉降比SV30。其中SVI=SV30/MLSS。

3.4 耐鹽菌培養

選取3 m3 生化反應器，利用市政污泥“菌種”進行馴化，進水COD 在500～800 mg/L，開啟曝氣系統，采用間歇式曝氣，曝氣6 h，沉降2 h，抽取上清液，污水進行COD 化驗，根據COD 值調整碳氮磷源比例控制在100∶5∶1，同時補充污水。培養過程記錄反應器內MLSS 和SV 數據如圖3 所示，直至污泥各項指標處于最優狀態。

圖3 生化反應器內污泥馴化MLSS 和SV 的變化情況

從MLSS 和SV 數據可知，初始馴化時MLSS 為1 700 mg/L，SV 為7%，生化反應器內污泥前一周內處于適應期MLSS 和SV 數據變化相對較緩，一周過后MLSS 和SV 微生物快速繁殖。污泥馴化至20 天MLSS 至5 700 mg/L，SV 至47%，污水中COD 去除率達到98%以上如圖4 所示。

圖4 生化反應器進出水COD 變化情況

馴化好的普通活性污泥后通過添加海鹽逐漸增加污水鹽度，鹽度質量分數按0.5%提梯度值逐漸提高，直至污水中鹽離子質量分數至2%達到海上生活污水鹽濃度值。在保證污水中CNP 源比率基礎上，添加硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鐵微量元素，為加快系統微生物生態環境的建立，為系統添加嗜鹽微生物（藍細菌、古細菌、鹽桿菌、鹽細菌、耐鹽葡萄球菌等）[10]，圖5 數據統計顯示，鹽離子質量分數0.5%初期，系統COD 處理能力下降至85%左右，隨著微生物逐漸馴化適應，COD 處理能力恢復。每個鹽度梯度發生變化時，COD 去除率均降低，隨著菌種馴化耐鹽能力的增強，可以看出鹽度質量分數在0.5%～1.5%變化過程中，系統恢復時間逐漸縮短，鹽度質量分數為2%時，污泥馴化時間有所增加，經過42 天生化馴化，培訓的耐鹽菌種可適應2%鹽離子濃度，可將污水處理后出水COD 16～24 mg/L，COD 去除率97%左右。

圖5 梯度馴化耐鹽菌過程COD 變化情況

4 結 論

本文針對海上固定設施海水沖廁平臺生化系統運行不穩定特性出發，利用MBR 及電解技術，結合GB 4914—2008、GB/T 18920—2020、GB/T 10833—2015、HJ 2009—2011 標準和規范對海上生活污水裝置工藝進行設計。同時通過對耐鹽菌種的研究，對污泥進行梯度鹽度菌種馴化，通過實驗數據分析，本文可培養出能夠抵御高含鹽（2%）污水的耐鹽菌種，能有效降解水中COD 及鹽度沖擊，最終設計一款基于膜生物反應器的海上固定設施高鹽度生活污水處理裝置，為海上平臺污水達標排放提供有利技術指引，具有廣闊的應用前景。