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        基于膜生物反應(yīng)器的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置研究

        2024-01-16 08:37:24孫立剛王蕊王丹孫素艷劉金璐
        遼寧化工 2023年12期
        關(guān)鍵詞:耐鹽鹽度菌種

        孫立剛,王蕊,王丹,孫素艷,劉金璐

        (1. 中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300450;2. 中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司,天津 300450;3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司,天津 300450)

        海上采油平臺(tái)為節(jié)約淡水資源,降低生產(chǎn)成本,大多使用海水進(jìn)行沖廁,本文采用哈希HQ40D及ISECl18101 探頭對(duì)近海海域生活污水氯離子濃度進(jìn)行測(cè)量,氯離子濃度均在2%以上。山東大學(xué)黃兆松研究發(fā)現(xiàn)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(yán)重影響硝化系統(tǒng)微生物活性和污水出水指標(biāo)[2]。

        根據(jù)GB 4914—2008 標(biāo)準(zhǔn)海上固定設(shè)施生活污水一級(jí)、二級(jí)海域排放標(biāo)準(zhǔn)為COD≤300 mg/L[3]。采用普通淡水生化細(xì)菌降解COD 能力有限,裝置出水存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[3]。本文通過對(duì)藍(lán)細(xì)菌、古細(xì)菌、鹽桿菌、鹽細(xì)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(jìn)行污泥馴化,研究一種基于MBR-嗜鹽菌的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置,滿足平臺(tái)污水處理技術(shù)要求,同時(shí)結(jié)合中水回用技術(shù)及排放指標(biāo)對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

        1 工藝設(shè)計(jì)

        來(lái)自海上平臺(tái)的生活污水分為黑水、洗浴灰水及廚房灰水,產(chǎn)生的廢水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)罐緩沖進(jìn)行從沉淀及厭氧發(fā)酵,削弱來(lái)水負(fù)荷沖擊,避免造成溢罐。根據(jù)調(diào)節(jié)池液位控制將污水經(jīng)粉碎泵至缺氧罐,缺氧罐設(shè)置彈性填料供微生物生長(zhǎng),厭氧罐為厭氧缺氧環(huán)境,氧濃度控制在≤0.5 mg/L,污水停留時(shí)間控制在4 h,實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的反硝化作用[1,5]。

        經(jīng)厭氧處理的污水進(jìn)入好氧罐,污水停留時(shí)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(jī)物、氨氮、總磷。好氧反應(yīng)結(jié)束進(jìn)入膜生物反應(yīng)器,膜生物反應(yīng)采用抗油性好,通量大,出水穩(wěn)定,壽命長(zhǎng),維護(hù)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(shí)現(xiàn)泥水分離[8]。

        為進(jìn)一步對(duì)膜出水進(jìn)行消毒、處理,通過鉑、銥、釕等多元氧化物污水電極對(duì)膜出水進(jìn)行電解氧化,通過產(chǎn)生的羥基自由基及次氯酸鈉等對(duì)污水進(jìn)行氧化分解,殺死大腸桿菌等物質(zhì)[6-7]。電解出水在最終經(jīng)超濾膜,進(jìn)入中水罐及壓力水罐實(shí)現(xiàn)中水回用。系統(tǒng)詳細(xì)工藝流程圖如圖1 所示。

        圖1 工藝流程圖

        系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝,結(jié)合污水處理力量、液力負(fù)荷處理量、高峰期液力負(fù)荷處理量、水力停留時(shí)間對(duì)裝置池體進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì),利用英國(guó)AVEVA公司開發(fā)的PDMS 三維建模軟件進(jìn)行污水裝置全比例三維建模,模型圖如圖2 所示,結(jié)合海上平臺(tái)尺寸空間,保證后續(xù)實(shí)際應(yīng)用過程充分考慮現(xiàn)空間精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

        圖2 PD MS裝置建模

        2 裝置設(shè)計(jì)

        2.1 設(shè)計(jì)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(chǎn)設(shè)施,主要應(yīng)用于固定平臺(tái),設(shè)計(jì)出水按《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》GB4914—2008標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收,設(shè)計(jì)人數(shù)40 人,參照標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施生活污水達(dá)標(biāo)排放管理的通知》(海油總安2014 601號(hào))每人每天廢水最低排放量,n=350 L/人·d。

        2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

        1)排入物平均水量

        式中:N—設(shè)計(jì)人數(shù),人,N=40人;

        n—平臺(tái)生活污水定額,L/人·d;

        1.44—設(shè)計(jì)冗余系數(shù)。

        2)有機(jī)負(fù)荷計(jì)算

        參考《船用生活污水處理設(shè)備技術(shù)條件》GB/T 10833—2015規(guī)定,人均產(chǎn)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(jì)70g BOD5(/人·d)。

        3)接觸氧化工藝設(shè)計(jì)

        (1)池容設(shè)計(jì)

        式中:V—接觸氧化池的設(shè)計(jì)容積,m3;

        So—接觸氧化池進(jìn)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(shè)計(jì)有機(jī)負(fù)荷,Q×(So- Se)=OL;

        Mc—五日生化需氧量容積負(fù)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(shù)參數(shù)取值參考《生物接觸氧化法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2009—2011)。

        4)水力停留時(shí)間計(jì)算:

        式中:V—設(shè)計(jì)池容,m3;

        Q—設(shè)計(jì)流量;

        HRT—水力停留時(shí)間。

        曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì):

        標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下污水需氧量計(jì)算

        式中:Ot—曝氣池溢出氣體中氧氣所占體積比,%;

        EA—曝氣設(shè)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(yíng)養(yǎng)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(shí)添加鐵鈣鎂硫酸鹽微量元素,并通過碳酸氫鈉調(diào)整污水pH,pH 控制在7.3左右。

        3.2 鹽離子濃度測(cè)定

        結(jié)合海上工作規(guī)律對(duì)海上固定平臺(tái)海水沖廁平臺(tái)生活污水產(chǎn)生情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,海上生活污水排放主要集中在早高峰6~8 點(diǎn),中午11~13 點(diǎn),晚高峰17~22 點(diǎn)。利用美國(guó)哈希HQ40D 便攜式水質(zhì)測(cè)定儀對(duì)早中午氯離子濃度進(jìn)行測(cè)定統(tǒng)計(jì)。早、中高峰產(chǎn)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(huì)破環(huán)細(xì)菌體內(nèi)的酶和菌膠團(tuán)細(xì)胞膜,造成菌膠團(tuán)活性降低或生化系統(tǒng)崩潰。

        3.3 污泥的培養(yǎng)分析指標(biāo)

        1)水質(zhì)分析:COD、pH、溫度等。

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

        3.4 耐鹽菌培養(yǎng)

        選取3 m3 生化反應(yīng)器,利用市政污泥“菌種”進(jìn)行馴化,進(jìn)水COD 在500~800 mg/L,開啟曝氣系統(tǒng),采用間歇式曝氣,曝氣6 h,沉降2 h,抽取上清液,污水進(jìn)行COD 化驗(yàn),根據(jù)COD 值調(diào)整碳氮磷源比例控制在100∶5∶1,同時(shí)補(bǔ)充污水。培養(yǎng)過程記錄反應(yīng)器內(nèi)MLSS 和SV 數(shù)據(jù)如圖3 所示,直至污泥各項(xiàng)指標(biāo)處于最優(yōu)狀態(tài)。

        圖3 生化反應(yīng)器內(nèi)污泥馴化MLSS 和SV 的變化情況

        從MLSS 和SV 數(shù)據(jù)可知,初始馴化時(shí)MLSS 為1 700 mg/L,SV 為7%,生化反應(yīng)器內(nèi)污泥前一周內(nèi)處于適應(yīng)期MLSS 和SV 數(shù)據(jù)變化相對(duì)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(dá)到98%以上如圖4 所示。

        圖4 生化反應(yīng)器進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)按0.5%提梯度值逐漸提高,直至污水中鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2%達(dá)到海上生活污水鹽濃度值。在保證污水中CNP 源比率基礎(chǔ)上,添加硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鐵微量元素,為加快系統(tǒng)微生物生態(tài)環(huán)境的建立,為系統(tǒng)添加嗜鹽微生物(藍(lán)細(xì)菌、古細(xì)菌、鹽桿菌、鹽細(xì)菌、耐鹽葡萄球菌等)[10],圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%初期,系統(tǒng)COD 處理能力下降至85%左右,隨著微生物逐漸馴化適應(yīng),COD 處理能力恢復(fù)。每個(gè)鹽度梯度發(fā)生變化時(shí),COD 去除率均降低,隨著菌種馴化耐鹽能力的增強(qiáng),可以看出鹽度質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%~1.5%變化過程中,系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間逐漸縮短,鹽度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),污泥馴化時(shí)間有所增加,經(jīng)過42 天生化馴化,培訓(xùn)的耐鹽菌種可適應(yīng)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(jié) 論

        本文針對(duì)海上固定設(shè)施海水沖廁平臺(tái)生化系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定特性出發(fā),利用MBR 及電解技術(shù),結(jié)合GB 4914—2008、GB/T 18920—2020、GB/T 10833—2015、HJ 2009—2011 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)海上生活污水裝置工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)通過對(duì)耐鹽菌種的研究,對(duì)污泥進(jìn)行梯度鹽度菌種馴化,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,本文可培養(yǎng)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(shè)計(jì)一款基于膜生物反應(yīng)器的海上固定設(shè)施高鹽度生活污水處理裝置,為海上平臺(tái)污水達(dá)標(biāo)排放提供有利技術(shù)指引,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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