劉春爽，趙東風(fēng)，國(guó)亞東，蔡蕓

（中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266580）

用升流式厭氧污泥床處理高鹽度稠油采出水研究

劉春爽，趙東風(fēng)，國(guó)亞東，蔡蕓

（中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266580）

采用升流式厭氧污泥床（UASB）處理低營(yíng)養(yǎng)鹽高鹽度稠油廢水，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立UASB反應(yīng)器處理高含鹽油田廢水的數(shù)學(xué)模型，以三維譜圖為基礎(chǔ)，直觀表征各主要影響因子對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響過程，得到反應(yīng)器運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化對(duì)策。結(jié)果表明:在m（COD）∶m（TN）∶m（TP）為1200∶10∶1（其中COD為化學(xué)需氧量，TN為總氮，TP為總磷）、含鹽量為1.50%、進(jìn)水COD負(fù)荷為0.80 kg/（m3·d）的條件下，COD去除率能夠達(dá)到70%，原油平均去除率達(dá)到70%;UASB反應(yīng)器能夠在低營(yíng)養(yǎng)條件下高效處理高含鹽油田廢水;以分離權(quán)法為依據(jù)，得出水力停留時(shí)間（tHRT）為限制因子，各影響因素相對(duì)重要性依次為tHRT、進(jìn)水鹽度、進(jìn)水COD、進(jìn)水pH值。

油田廢水;升流式厭氧污泥床;高含鹽廢水;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

油田廢水中含有大量降粘劑、破乳劑和絮凝劑，可生化性差［1－2］，還含有高鹽度和低營(yíng)養(yǎng)鹽［3］。處理低營(yíng)養(yǎng)高鹽度稠油采出水多以好氧工藝或組合工藝為主，較少有厭氧處理工藝的報(bào)道［4－10］，研究重點(diǎn)集中在耐鹽微生物的馴化或耐鹽菌種的分離篩選。筆者采用UASB反應(yīng)器處理稠油采出水，考察其在低營(yíng)養(yǎng)鹽條件下處理高含鹽廢水的效能;建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以分離權(quán)法為依據(jù)，分析影響低營(yíng)養(yǎng)鹽高鹽度稠油采出水處理效果的限制性因素及其影響方式，提出UASB處理系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)控方式。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 廢水水質(zhì)

試驗(yàn)所用油田采出水取自山東某采油廠，廢水密度1.01 g/cm3，蠟質(zhì)含量2.1%，黏度50.5 mPa· s，含鹽量1.15%～1.50%，BOD與COD比值約為0.18。m（COD）∶m（TN）∶m（TP）為1200∶10∶1（其中TN為總氮，TP為總磷）。試驗(yàn)分為6個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段運(yùn)行條件及其出水水質(zhì)見表1。試驗(yàn)過程中進(jìn)水pH值在7.8～8.2。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行條件Table 1 Operation conditions in this experiment

1.2 反應(yīng)器

試驗(yàn)采用的UASB反應(yīng)器，總?cè)莘e2.25 L，有效容積1.4 L。從底部通過蠕動(dòng)泵連續(xù)進(jìn)水，反應(yīng)器上部設(shè)有氣、液、固三相分離器，出水經(jīng)部分回流后外排。反應(yīng)器外側(cè)纏繞電熱絲并通過溫控儀控制反應(yīng)器溫度在（30±1）℃。反應(yīng)器接種污泥部分取自采油廠污水處理車間，其余取自青島城市污水廠，污泥經(jīng)充分混合后接種于反應(yīng)器內(nèi)，接種污泥VSS為3.3 g/L。

1.3 分析方法

COD采用密閉回流滴定法測(cè)定［11］;液相末端產(chǎn)物采用氣相色譜法測(cè)定（SP－502氣相色譜儀）;氣相末端產(chǎn)物采用氣相色譜測(cè)定（美國(guó)Agilent4980DGC）;pH值采用pHS25型酸度計(jì)直接測(cè)定。顆粒污泥形態(tài)分析采用掃描電鏡分析，顆粒污泥中金屬元素分析采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（SKYRAY ICP－2000）進(jìn)行，其他常規(guī)指標(biāo)分析參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。

2 結(jié)果分析

2.1 UASB反應(yīng)器處理效果

反應(yīng)器COD處理效果如圖1所示。在tHRT=48 h，進(jìn)水COD由150增加到500 mg/L對(duì)COD去除效果影響不大，COD去除率在88%以上，有機(jī)物去除效果較好，低營(yíng)養(yǎng)鹽條件并未對(duì)有機(jī)物的去除產(chǎn)生任何影響。此時(shí)有機(jī)負(fù)荷fOLR為0.25 kg/（m3· d）。此后，逐步縮短進(jìn)水tHRT，考察tHRT對(duì)反應(yīng)器有機(jī)物去除效果。當(dāng)tHRT降低到24 h，fOLR為0.50 kg/（m3·d），COD經(jīng)過短暫的降低后，很快穩(wěn)定在約77.08%。繼續(xù)降低tHRT到15 h，fOLR提高到0.80 kg/（m3·d），COD去除率稍有下降，維持在70%。進(jìn)一步降低tHRT到8 h，系統(tǒng)有機(jī)物去除效果明顯下降，COD去除率僅為55%。整體上，UASB系統(tǒng)運(yùn)行效果較好，在有機(jī)負(fù)荷高達(dá)0.80 kg/（m3·d）， COD去除率高達(dá)70%。Ji等［12］采用ABR處理油田采出水時(shí)，COD去除率約為65%。低營(yíng)養(yǎng)鹽和高含鹽量（1.5%）的水質(zhì)并未對(duì)有機(jī)物去除產(chǎn)生明顯影響。且在進(jìn)水總氮、總磷和m（COD）∶m （TN）∶m（TP）分別為4.18 mg/L，0.42 mg/L和1200∶10∶1的條件下，出水總氮、總磷和m（COD）∶m （TN）∶m（TP）的值分別達(dá)到0.65 mg/L，0.26 mg/L和800∶2.5∶1。與進(jìn)水水質(zhì)相比，出水水質(zhì)有所改善，COD與總磷的比例明顯提高，并達(dá)到進(jìn)水的1.5倍。試驗(yàn)過程中出水pH值在7.0～7.5，略低于進(jìn)水的pH值。

圖1 試驗(yàn)過程中COD去除效果Fig.1 COD rem oval during experiment

反應(yīng)器原油去除效果如圖2所示。進(jìn)水原油質(zhì)量濃度在50.5～150.4 mg/L，去除率穩(wěn)定在70%以上，進(jìn)水原油質(zhì)量濃度并未對(duì)原油去除效果產(chǎn)生影響，tHRT對(duì)原油降解影響不明顯，在tHRT由48 h降低到8 h，原油去除率由原來的85%僅降低到70%。此外，在第88和106 d，進(jìn)水原油質(zhì)量濃度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，反應(yīng)器出水原油質(zhì)量濃度仍然穩(wěn)定，此時(shí)原油去除率達(dá)到最大，這說明UASB反應(yīng)器不僅具有耐有機(jī)物沖擊負(fù)荷的能力，在本研究中同時(shí)也具有耐原油沖擊負(fù)荷的能力。

圖2 試驗(yàn)過程中原油去除效果Fig.2 Oil removal during experiment

反應(yīng)器運(yùn)行過程中有顆粒污泥形成。與以往UASB反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥不同，本研究的顆粒污泥以深紅棕色為主，并伴有少量灰色污泥，這可能是污泥中含有大量的具有高效降解石油烴能力的紅色假單胞菌（Rhodopseudomonas sp.）所致［13－14］。污泥的金屬元素分析表明，顆粒污泥內(nèi)含有大量的Ca、Fe和Mg等金屬元素，這些元素的存在對(duì)顆粒污泥形成具有促進(jìn)作用，如Ca2+和Mg2+能夠中和污泥表面的負(fù)電荷，從而促進(jìn)細(xì)菌的凝聚。Ca2+還可以在細(xì)菌表面形成CaCO3，從而增加顆粒污泥的機(jī)械強(qiáng)度。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

綜合考慮進(jìn)水pH值、tHRT、進(jìn)水COD，進(jìn)水鹽度，建立UASB反應(yīng)器處理低營(yíng)養(yǎng)高含鹽稠油采出水的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。共包括一個(gè)輸入層，一個(gè)輸出層和一個(gè)隱含層。輸入層中含有進(jìn)水COD、鹽度、tHRT和pH值4個(gè)輸入值，輸出層為COD去除率。隱含層激勵(lì)函數(shù)選取正切S型函數(shù)tansig（n），輸出層選取線性函數(shù)purelin（n）。選用反應(yīng)器各階段前10 d數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，模型的學(xué)習(xí)速率為0.8，網(wǎng)絡(luò)總體誤差為0.01，訓(xùn)練經(jīng)5026步完成，確定隱含層的神經(jīng)元數(shù)目分別為8。用建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)UASB反應(yīng)器各階段后10 d數(shù)據(jù)運(yùn)行效果，預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值吻合效果較好，平均誤差分別為0.27%（圖4），說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所建立的UASB試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍?shí)用的，能夠很好的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)UASB反應(yīng)器處理低營(yíng)養(yǎng)高鹽度稠油采出水的效果。

圖3 試驗(yàn)過程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological architecture of BPNN model in experiment

2.3 UASB反應(yīng)器運(yùn)行主要因子識(shí)別

以所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，采用分離權(quán)法分析UASB反應(yīng)器處理低營(yíng)養(yǎng)鹽高鹽度油田廢水的主要影響因素，計(jì)算公式如下:

式中，Wih為輸入層與隱含層之間的權(quán)值;nh、ni分別為隱含層與輸出層的神經(jīng)元數(shù)目。

圖4 試驗(yàn)值和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of experimental values and BPNN values of COD removal rate

計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)水COD、pH值、鹽度和tHRT對(duì)COD去除效果的影響值分別為25.20%、27.21%、7.22%和40.37%。4個(gè)因素相對(duì)重要性依次為tHRT、進(jìn)水鹽度、進(jìn)水COD、進(jìn)水pH值。tHRT對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響最大，在運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格調(diào)控;pH值在試驗(yàn)階段（6.8～7.2）對(duì)COD去除影響較小，為非限制性因素。進(jìn)水COD和鹽度對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行有一定影響。

為更為直觀地表征主要影響因子tHRT和鹽度對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響，設(shè)定進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為500 mg/L，進(jìn)水pH值為8.0，連續(xù)改變tHRT和鹽度的輸入值，與最終輸出COD去除率一起，繪制三維譜圖，結(jié)果見圖5（a）。UASB系統(tǒng)的COD去除率隨著鹽度的降低和tHRT的增大而增大。從曲線的斜率可以看出，較短tHRT的情況下，反應(yīng)器對(duì)鹽度的變化更加敏感;當(dāng)tHRT＞24 h時(shí)，反應(yīng)器的運(yùn)行效果幾乎不受pH值的影響。所以，當(dāng)處理高含鹽度廢水時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加tHRT可降低鹽度對(duì)運(yùn)行效果的影響。同樣，設(shè)定進(jìn)水鹽度1.5%，進(jìn)水pH值為8.0，進(jìn)水tHRT和COD對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效果見圖5（b）。在進(jìn)水COD質(zhì)量濃度低于300 mg/L時(shí)，tHRT對(duì)系統(tǒng)的影響很小，不是限制性因子。其原因是此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷較低，有較大的耐受空間。當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度高于300 mg/L時(shí)，特別是在400～500 mg/L時(shí)，在tHRT從16 h減小到8 h的過程中，系統(tǒng)COD去除率急劇降低。此時(shí)，系統(tǒng)正處于可承受負(fù)荷范圍的邊緣，如進(jìn)一步縮短tHRT，系統(tǒng)將有惡化的趨勢(shì)。建議進(jìn)水鹽度1.5%、進(jìn)水pH值為8.0、tHRT=8～16 h、進(jìn)水COD質(zhì)量濃度控制在300 mg/L以下。此外，由于系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水tHRT的敏感程度要大于COD，當(dāng)系統(tǒng)從過高負(fù)荷狀態(tài)向低負(fù)荷恢復(fù)時(shí)，增加進(jìn)水tHRT要比降低COD的效果好一些;增加系統(tǒng)的負(fù)荷時(shí)，增加進(jìn)水COD要比減小tHRT更能降低對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖5 關(guān)鍵影響因素對(duì)COD去除效果的影響Fig.5 Impact of key process parameters on COD removal

3 結(jié)論

（1）在m（COD）∶m（TN）∶m（TP）為1200∶15∶1、含鹽量為1.50%的低營(yíng)養(yǎng)鹽高鹽度條件下，UASB反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷高達(dá)0.80 kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率可達(dá)70%，平均原油去除率達(dá)到70%，表明UASB反應(yīng)器對(duì)低營(yíng)養(yǎng)高鹽度稠油采出水具有較好的去除效果。

（2）UASB反應(yīng)器在低營(yíng)養(yǎng)條件下高效處理高含鹽油田廢水的影響因素由大到小依次為tHRT、進(jìn)水鹽度、進(jìn)水COD、進(jìn)水pH。

（3）較低tHRT的情況下，反應(yīng)器對(duì)鹽度的變化更加敏感;當(dāng)tHRT＞24 h時(shí)，反應(yīng)器的運(yùn)行效果幾乎不受鹽度變化的影響。

（4）進(jìn)水鹽度1.5%、進(jìn)水pH值為8.0、tHRT=8～16 h時(shí)，COD最佳控制范圍在300 mg/L以下。

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Study on treating high salinity wastewater from heavy oil production w ith up-flow anaerobic sludge blanket reactor

LIU Chun－shuang，ZHAO Dong－feng，GUO Ya－dong，CAIYun
（College of Chem ical Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

An up－flow anaerobic sludge blanket（UASB）reactor was applied to treat the low nutrient and high salinity wastewater from heavy oil production process.A modelwas developed for the UASB reactor using the back propagation neural network（BPNN）theory.The impacts of various process parameters on UASB reactor performance were described based on three－dimensional graphs and the reactor operation control strategieswere gained.The results indicate that under the COD∶TN∶TP ratio of1200∶10∶1，high salt concentration of1.50%and influentCOD loading rate of0.80 kg/（m3·d）condition，the COD removal could reach 70%and average oil removal rate was70%.UASB could be used to treat low nutrientand high salinity heavy oil－produced wastewater efficiently.Based on the partitioning connection weights，the tHRTis the key factor and the comparative influences on the performance are:tHRT＞salinity＞COD＞pH.

oilfield wastewater;up－flow anaerobic sludge blanket;high salinity wastewater;back propagation neural network

X 74;TQ 09

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.05.030

1673－5005（2012）05－0160－04

2012－05－10

中石油科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2008D－4704－2）

劉春爽（1981－），女（漢族），黑龍江雞西人，講師，博士，研究方向?yàn)樯锛夹g(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

（編輯 劉為清）