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(yè)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(shù)分公司 天津 300452)

海洋環(huán)境污染是全球面臨的一大問題。20世紀初，國家就根據(jù)COD、TSS、BOD5等指標對海洋石油領(lǐng)域的污染物排放濃度設(shè)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(fā)展趨勢[1-2]。

海上平臺是長期矗立在海洋中的油氣開采設(shè)施，生產(chǎn)作業(yè)人員日常生活產(chǎn)生的污水可根據(jù)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(zhì)的水?！昂谒笔侵感l(wèi)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(shù)

1.1 微生物法

微生物法生活污水處理技術(shù)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(zhì)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(xù)進入曝氣池的空氣會與池內(nèi)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(fā)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(chuàng)造了良好的脫氮環(huán)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(shè)施逐漸淘汰了此種工藝。

1.2 電絮凝法

電絮凝技術(shù)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(chǎn)生金屬離子以污水作為電解質(zhì)進行水解、聚合，與水中物質(zhì)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(wěn)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(zhì)進行還原反應。與此同時，陰極發(fā)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(shè)備中發(fā)生反應：

反應產(chǎn)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(shè)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(shè)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(shù)。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(zhì)或乳化油進行截留，可分為有外力驅(qū)動的分離型和僅靠壓差作為動力的無外力驅(qū)動分離型[8]。

近年來，隨著制膜工藝的進步，膜分離技術(shù)有了很大發(fā)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(shè)備成本較高、短時間內(nèi)無法將污水處理達標等。海上設(shè)施對于設(shè)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(shè)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(shù)常用于高 COD值、高烷基污水的處理，它是在低壓直流電環(huán)境中利用鐵-碳顆粒組成的原電池發(fā)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(zhì)。

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(shù)結(jié)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(xù)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(jié)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(jīng)粉碎泵攪拌、破碎后流入?yún)捬醭兀趨捬跫毦奶幚硐?，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(jīng)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?yōu)樗?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(tǒng)達到動態(tài)平衡。超濾膜系統(tǒng)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(jīng)由電解極板進入電解水柜。自吸泵停止期間，膜系統(tǒng)在曝氣流和重力共同作用下產(chǎn)生反沖洗效果被清洗干凈。

電解水柜中產(chǎn)生的強氧化消毒劑對污水進行殺菌，同時水柜中產(chǎn)生的混凝作用將污水中難以去除的有機物氧化消解。經(jīng)處理的污水最終由泵打入平臺生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)零排放。微電解超濾膜生物組合法處理后的水質(zhì)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，具有占地面積小、對環(huán)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(shè)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(shù)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(jié)果見表1。

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

水樣檢測結(jié)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(zhì)較差且穩(wěn)定性不高，電絮凝法出水水質(zhì)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(zhì)還是用水高峰時期的抗沖擊能力方面都有著明顯優(yōu)勢。

3 設(shè)備優(yōu)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(tǒng)提供空氣，保證微生物所需的溶解氧，海上設(shè)施對此類設(shè)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(yōu)化

在今后的平臺生活污水處理裝置設(shè)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(fā)生裝置產(chǎn)生的富氧空氣作為曝氣氣源替代鼓風機提供空氣。

現(xiàn)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(fā)生器的制氮能力為180Nm3/h。根據(jù)計算，產(chǎn)生 180Nm3/h氮氣的同時可以產(chǎn)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(tǒng)長期需要氮氣作為覆蓋氣源，因而可以保證氮氣發(fā)生裝置在線的連續(xù)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(jù)需要在氣體入口管線上設(shè)置減壓閥將曝氣壓力調(diào)節(jié)到適應值，同時可以根據(jù)處理效果對此壓力進行調(diào)整。

經(jīng)優(yōu)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(fā)生裝置產(chǎn)生的富氧空氣，切實達到降本增效的目的。

4 結(jié) 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(zhì)及有機質(zhì)。不同污水處理工藝的處理效果表明，將多種處理技術(shù)相結(jié)合進行污水處理，是集中分離、降解污水中有害物質(zhì)的高效方式，也是未來污水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。根據(jù)海上平臺的實際應用情況，進行針對性設(shè)計和改造，有利于進一步提高處理效果和降低成本。