陳燕斌

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315000）

目前石化廢水高效處理的核心仍是采用生化單元?；钚晕勰喾ㄊ沁^去100年的通用污水處理工藝［1］，即使是針對(duì)組分越發(fā)復(fù)雜、污染物濃度高、難降解組分多、水質(zhì)波動(dòng)大的石油煉制污水［2］，生化單元也是去除COD和脫氮的主要環(huán)節(jié)。2017年7月1日頒布的GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［3］首次明確了TN排放要求。這就要求生化單元應(yīng)具有更高的去除效率，其相應(yīng)工藝亟待改造升級(jí)。

生化單元強(qiáng)化改造主要通過微生物菌群優(yōu)選、生化池調(diào)試運(yùn)行優(yōu)化和生化單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化等途徑［4-5］。菌群優(yōu)選主要針對(duì)特定特征污染物遴選和馴化專項(xiàng)型微生物，綜合提高生化處理效率。但由于綜合性工業(yè)廢水流量波動(dòng)、污染物種類繁雜及其他環(huán)境因素的影響，優(yōu)選專性菌群極難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的規(guī)?；瘧?yīng)用，且專性菌群僅可去除特定污染物，廣泛工程化應(yīng)用也存在一定的限制。企業(yè)通常通過不斷提升運(yùn)行人員操作技術(shù)水平、微調(diào)生化池運(yùn)行參數(shù)、維護(hù)核心設(shè)備等途徑提高生化池的運(yùn)行效率，但相對(duì)完善空間較小；而針對(duì)生化池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究主要包括池體組合調(diào)整和增加新單元等方式，但也存在成本高和運(yùn)行復(fù)雜等問題。在利用現(xiàn)有生化設(shè)施的條件下，不斷耦合適當(dāng)?shù)臋C(jī)械單元，通過改善生化池流動(dòng)和運(yùn)行條件而提高生化效率，對(duì)現(xiàn)有石化污水處理系統(tǒng)生化單元的改造具有廣泛應(yīng)用意義。

本工作將旋流場應(yīng)用于典型活性污泥法缺氧-好氧過程中的循環(huán)內(nèi)回流，相繼通過小試試驗(yàn)驗(yàn)證旋流場對(duì)循環(huán)回流液中溶解氧質(zhì)量濃度（DO）、水相和泥相的影響，系統(tǒng)考察旋流單元耦合生化系統(tǒng)的可行性，并進(jìn)一步通過實(shí)際工程改造驗(yàn)證“旋流釋碳”強(qiáng)化工藝長周期運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而探索強(qiáng)化活性污泥法深度脫氮的新方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程

旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程示意見圖1。小試裝置依托現(xiàn)有煉油污水場2 400 t/d的缺氧-好氧生化池進(jìn)行改造。缺氧池與好氧池的體積比為1∶3，生化池的總停留時(shí)間為24 h。缺氧池采用推流攪拌，好氧池采用曝氣頭氣量漸減模式進(jìn)行曝氣，確保好氧池的出水溶解氧濃度（DO）為2～4 mg/L。改造前，好氧池的硝化出水按400%比例直接由泵回流至缺氧池。改造后，經(jīng)回流泵提升后的硝化出水進(jìn)入新增的旋流釋碳器，97%的硝化出水經(jīng)旋流釋碳器底流口循環(huán)至缺氧池，剩余硝化出水從旋流釋碳器溢流口排至好氧池。二沉池的沉降污泥按50%比例回流至缺氧池。

1.2 試驗(yàn)污水及污泥參數(shù)

改造運(yùn)行過程中，生化池進(jìn)水主要來自于上游煉油裝置的汽提污水和少量化肥生產(chǎn)裝置污水，進(jìn)水COD為（734±103） mg/L、TN為（80.7±23.0） mg/L。

圖1 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝流程示意

活性污泥為取自就近生活污水處理廠的馴化污泥，生化池中MLSS為3 500 mg/L。

1.3 分析方法

SCOD，ρ（NO3--N），ρ（NO2--N）和TN等參數(shù)采用美國公共衛(wèi)生協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定［6］；混合回流液中污泥的比耗氧速率（SOUR）根據(jù)污泥對(duì)溶解氧的消耗速率測定［7］；DO采用便攜式溶解氧儀測定。所有數(shù)據(jù)取3次測定的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 旋流處理對(duì)循環(huán)回流液DO的影響

生物降解過程中，為充分降解有機(jī)物，好氧池中的曝氣量通常過量；而過量曝氣又將導(dǎo)致循環(huán)回流液中殘留的DO抑制缺氧池的反硝化效率。利用旋流強(qiáng)化可高效、低耗、便捷地脫除循環(huán)回流液中殘留的DO，同時(shí)有效改善生化池的脫氮效率［8］。連續(xù)60 d的旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧試驗(yàn)中，通過內(nèi)回流管線切換，對(duì)比了旋流處理對(duì)循環(huán)回流液DO的去除效果，見圖2。由圖2可見：常規(guī)回流管線中，好氧池出水DO為（2.623±0.095） mg/L，到達(dá)缺氧池時(shí)DO因?yàn)楣芫€內(nèi)的持續(xù)消耗和流動(dòng)逸出而降至（1.991±0.081） mg/L；而經(jīng)過旋流處理后，DO降至（1.032±0.072） mg/L，DO去除率達(dá)（48.2±5.7）%；長周期連續(xù)運(yùn)行過程中，DO去除率持續(xù)穩(wěn)定，這將顯著改善缺氧池中的反硝化環(huán)境。

2.2 旋流處理對(duì)循環(huán)回流液中碳源及營養(yǎng)物濃度的影響

在缺氧-好氧循環(huán)回流液的旋流強(qiáng)化過程中，活性污泥絮體在旋流場中的分散相自轉(zhuǎn)-公轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)和剪切作用力的作用下被破散，菌膠團(tuán)表面或孔道中的胞外多聚物（EPS）脫附并釋放至水體，持續(xù)為缺氧池補(bǔ)充碳源。運(yùn)行時(shí)間為20 d時(shí)旋流處理對(duì)A/O過程循環(huán)回流液中碳源及營養(yǎng)物濃度的影響見圖3。由圖3可見：不同的旋流強(qiáng)度（以旋流壓降表征）條件下，循環(huán)回流液上清液中的SCOD從46.2 mg/L增加到（127.7～204.6） mg/L，ρ（NO3--N）也從17.7 mg/L小幅增加至（18.9～21.7） mg/L，導(dǎo)致TN從23.3 mg/L增加到（27.1～32.9） mg/L。綜合而言，水體中SCOD/TN由3.0增加至4.7～5.8，表明旋流處理過程總體上為為缺氧池補(bǔ)充了碳源。

圖2 旋流處理對(duì)A/O過程循環(huán)回流液DO的去除效果

圖3 旋流處理對(duì)A/O過程循環(huán)回流液中碳源及營養(yǎng)物濃度的影響

2.3 旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響

旋流強(qiáng)化過程中，通過破散污泥絮體改善了DO、營養(yǎng)物和碳源的傳質(zhì)效率［9］，也相應(yīng)影響了污泥絮體中微生物的活性。旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響見圖4。

圖4 旋流處理對(duì)污泥SOUR的影響

由圖4a可見：在較低的旋流強(qiáng)度條件下，隨著旋流強(qiáng)化過程的持續(xù)，活性污泥微生物的SOUR先是顯著增大，然后逐漸減?。坏S著旋流強(qiáng)度的增加，污泥SOUR持續(xù)降低，最終低于初始SOUR。因此，旋流強(qiáng)化污泥活性過程受旋流強(qiáng)度影響，旋流壓降0.10 MPa時(shí)為最佳旋流強(qiáng)度。由圖4b可見，最佳旋流強(qiáng)度條件下，長周期旋流強(qiáng)化試驗(yàn)的SOUR增加了（0.004～0.040）mg/（g·min），顯著提高了（7.2±0.9）%，且改善趨勢持續(xù)穩(wěn)定。這與傳統(tǒng)的旋流破解過程中的瞬時(shí)強(qiáng)化污泥活性不同，說明絮體表面或孔道附著聚合物通過旋流處理過程脫附的同時(shí)并未傷及菌膠團(tuán)中的微生物細(xì)胞，預(yù)示旋流強(qiáng)化過程可應(yīng)用至長周期生物降解過程，改善生化單元的處理效率［10］。

2.4 旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響

進(jìn)一步采用序批試驗(yàn)考察了旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響，見圖5。由圖5可見：經(jīng)過180 min的反硝化，常規(guī)回流污泥上清液中的ρ（NO3--N）從50.0 mg/L降至18.1 mg/L，而旋流處理污泥上清液中ρ（NO3--N）降至11.3 mg/L，循環(huán)回流液中ρ（NO3--N）均顯著降低，但旋流強(qiáng)化過程導(dǎo)致回流液中ρ（NO3--N）降低速率更快、降低幅度更大；與NO3--N不同，開始時(shí)ρ（NO2--N）極低，隨著反硝化的深入，常規(guī)回流污泥中ρ（NO2--N）最高達(dá)到20.9 mg/L，反硝化末期降至9.2 mg/L，而旋流處理污泥上清液中ρ（NO2--N）最高達(dá)到19.1 mg/L，反硝化末期降至7.1 mg/L，相較于常規(guī)回流，旋流強(qiáng)化過程中的NO2--N轉(zhuǎn)化率略微提高。

圖5 旋流處理對(duì)缺氧-好氧反應(yīng)器脫氮效果的影響

2.5 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝應(yīng)用效果

旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝被應(yīng)用至中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司（簡稱“鎮(zhèn)海煉化”）2 500 t/d規(guī)模污水處理廠的生化單元，現(xiàn)場裝置照片見圖6，現(xiàn)場試驗(yàn)的TN變化見圖7。由圖7可見，在第一階段（2015年4月1日至2016年3月31日）期間，污水廠進(jìn)水TN為（79.9±21.8） mg/L，出水TN為（32.8±8.9）mg/L，TN平均去除率約為59.0%，無法滿足GB 31570—2015的排放要求（TN≤40 mg/L）［3］；在第二階段（2016年4月1日至2017年3月31日）期間，通過采用旋流處理生化單元內(nèi)回流液，并采用實(shí)驗(yàn)過程中優(yōu)選的旋流強(qiáng)化操作參數(shù)，煉油廠生化單元的脫氮效果得到顯著改善，進(jìn)水TN為（80.7±23.0）mg/L，出水TN為（25.6±5.7）mg/L，TN平均去除率從第一階段的59.0%提高至68.3%，提高了約10百分點(diǎn)，且出水TN達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%。綜合經(jīng)濟(jì)衡算得出，旋流強(qiáng)化工藝的噸廢水運(yùn)行成本約為0.1元，相對(duì)國內(nèi)目前煉油廢水每噸6～10元［11］的處理成本，費(fèi)用極低。旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝的經(jīng)濟(jì)性顯著，且其深度脫氮效應(yīng)引起的TN達(dá)標(biāo)效益極其關(guān)鍵。

圖6 旋流強(qiáng)化-缺氧-好氧工藝的現(xiàn)場裝置照片

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)的TN變化

2.6 石化污水處理場提標(biāo)改造展望

鎮(zhèn)海煉化是我國目前最大的煉化一體化企業(yè)，擁有2.28×107t/a原油加工能力及1×106t/a乙烯生產(chǎn)能力。鎮(zhèn)海煉化污水處理廠始建于20世紀(jì)70年代，伴隨著企業(yè)規(guī)模的日益壯大和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，企業(yè)經(jīng)過先后3次改造擴(kuò)建，污水處理工藝由最初的“老三件”（隔油、氣浮、生化）發(fā)展至分質(zhì)處理、預(yù)處理、生化降解及BAF深度處理的組合工藝，還通過膜分離等工藝實(shí)現(xiàn)了約90%的煉油污水回用。通過旋流強(qiáng)化技術(shù)改造，鎮(zhèn)海煉化煉油污水處理場A/O生化出水直接滿足GB 31570—2015標(biāo)準(zhǔn)［3］，從而可直接停用A/O生化池后的BAF池。初步估算表明，通過停用BAF池并取消配套的電氣設(shè)備和人工維護(hù)，生化池旋流強(qiáng)化改造預(yù)期將節(jié)約超過2×106元/a的成本費(fèi)用，對(duì)合理調(diào)配全廠運(yùn)行工藝效果顯著。

隨著環(huán)境承載負(fù)荷的不斷降低和石化廢水處理的難度不斷增加，旋流強(qiáng)化等生化過程改造更加符合企業(yè)構(gòu)建綠色石化污水處理的“碳中和”思路，從而進(jìn)一步完善石化企業(yè)的綠色和環(huán)保屬性。而構(gòu)建綠色石化污水處理廠，總體建議從3方面不斷加強(qiáng)生化單元改造：首先，旋流處理強(qiáng)化生化過程改造經(jīng)驗(yàn)表明，后續(xù)的石化污水處理單元還將持續(xù)面臨提標(biāo)需求，階段性的提標(biāo)改造工作應(yīng)適當(dāng)留足余量，并同步開展技術(shù)儲(chǔ)備，摒棄傳統(tǒng)增加處理單元的改造思路，整體調(diào)整“做加法”的改造思路，這樣也符合運(yùn)行現(xiàn)場人力、場地和運(yùn)行的彈性需求；同時(shí)，石化廢水處理生化工藝的改造應(yīng)充分考慮改造技術(shù)對(duì)特定水質(zhì)的普適性，以A/O過程為例，不斷延長曝氣時(shí)間能適當(dāng)提高生化降解效率，從而提高污染物去除效率，但針對(duì)難降解有機(jī)污染物，單一延長曝氣時(shí)間對(duì)提高有機(jī)物去除效率影響極為有限，類似旋流強(qiáng)化的改造思路則具備廣泛適用于不同水質(zhì)強(qiáng)化的特性；此外，針對(duì)石化廢水處理生化單元的改造，還應(yīng)盡量降低或完全不增加現(xiàn)場的人工投入和運(yùn)行負(fù)擔(dān)，未來的工業(yè)污水處理運(yùn)行，還將需要不斷提高設(shè)施的自動(dòng)化和智能化，節(jié)約或減少人力投入的改造技術(shù)才能具有長久的生命力。

3 結(jié)論

a） 通過改造缺氧-好氧生物反應(yīng)器，對(duì)其耦合旋流強(qiáng)化，整體通過降低循環(huán)回流液中的DO，提高回流液中的營養(yǎng)物濃度和污泥活性，使生化單元連續(xù)運(yùn)行出水TN降低。

b） 旋流強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于中石化某煉油污水處理場改造，TN去除率提高了約10個(gè)百分點(diǎn)，確保出水水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 31570—2015的達(dá)標(biāo)率從原來的10%提高到100%。

c） 以旋流強(qiáng)化改造技術(shù)為參照，石化污水處理廠的改造需摒棄傳統(tǒng)增加處理單元的改造思路，同時(shí)應(yīng)充分考慮改造技術(shù)對(duì)特定水質(zhì)的普適性，并確保改造工作盡量降低或完全不增加現(xiàn)場的人工投入和運(yùn)行負(fù)擔(dān)，相應(yīng)改造技術(shù)才具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。