污水生化處理技術在潿洲終端的應用研究論文
摘要：中海油湛江分公司潿洲終端處理廠與桂林工學院合作研究，采用“厭氧+好氧+過濾”組合工藝對終端廠含油污水進行處理。從根本上解決了終端廠舊有污水處理設施處理量不足的問題，使終端廠污水排放指標達到了國家和當地環保部門的要求，取得了很好的經濟和環保效益。
關鍵詞：化學需氧量；生化處理；序批式活性污泥法；折流式厭氧反應器
0 引言
中海石油（中國）有限公司湛江分公司潿洲終端處理廠于1998年8月正式建成投產，是中海油湛江分公司第一個自營綜合性油氣處理終端。潿洲終端廠原有的電解法污水處理工藝在除油、脫硫、懸浮物等方面有較好的處理效果，曾一度滿足了小排量污水COD（化學需氧量）處理的要求。但是舊的COD電解處理方法存在處理量少（日處理量80立方米左右）、維修工作量大、維修成本高、操作不方便等缺陷。隨著油氣田不斷地勘探開發生產和油田綜合含水的上升，生產污水量也逐年增加（2005年已達1000立方米），原來的COD電解處理工藝已滿足不了實際生產的需要,對污水處理系統進行擴容和尋求新的處理技術勢在必行。
1 終端污水特性的試驗研究
污水生物處理技術是利用污水中的細菌、真菌以及原生動物、后生動物等微生物的作用，分解污水中的污染物，從而實現污水凈化。按照污水生物處理的條件，又可分為：厭氧生物處理和好氧生物處理兩種。
中海油湛江分公司與桂林工學院于2002年7月22日簽定了關于“潿洲終端處理廠污水CODCr環保達標研究”的合同。桂林工學院資源與環境工程系隨后成立了研究項目組，并根據合同的要求立即開展工作。經過多次采集潿洲終端處理廠污水，分析化驗、在實驗室完成了多項實驗后，又在現場開展了兩個多星期的試驗。為獲得更加全面、準確的資料，研究項目組于2004年先后3次采集潿洲終端處理廠污水，系統研究了溫度和厭氧處理時間對污水處理效果的影響。研究表明：
�。�1）潿洲終端處理廠污水COD為150～400mg/L，并具有鹽度高，含硫化物高，水質水量均變化較大的特點。
（2）污水中BOD/CODcr的比值為0.38，具較好的可生化性，通過對微生物的馴化，可 以用生化法處理污水。但單一的厭氧生化處理和好氧生化處理均不能達標。而厭氧—好氧聯合處理后的出水CODcr為15～85mg/L，完全可以實現CODcr達標。
�。�3）化學混凝可去除20%的COD，化學混凝—活性碳吸附聯合處理可去除44%的COD，但處理后的出水均不能達標。
�。�4）在30-50度的范圍內，溫度對厭氧處理效果無明顯影響。
2 污水處理技術方案的對比研究
厭氧+好氧組合工藝目前廣泛的應用于中高濃度、難降級的有機廢水。目前國內外厭氧反應器應用的主要類型有厭氧濾池（AF）、升流式厭氧污泥床反應器（UASB）、厭氧折流板反應器（ABR）、厭氧顆粒污泥膨脹床反應器（EGSB）等。好氧反應器主要有接觸氧化池、SBR反應器、氧化溝。曝氣生物濾池等。鑒于本設計的水質水量特征，設計初步確定兩個處理方案，并通過實驗運行，評價其處理效果。
（1）方案一：UASB＋SBR組合工藝處理含油廢水
UASB反應器和SBR反應器串連運行。升流式厭氧污泥床反應器是荷蘭的Lettinga教授研究開發的一種高效厭氧生物處理反應器，其上部設置氣、固、液三相分離器，下部為污泥懸浮層區和污泥床區，廢水用泵連續或脈沖由反應器底部均勻進入污泥床區，與厭氧顆粒污泥充分接觸反應，有機物被厭氧微生物分解成沼氣。液體、氣體與固體形成混合液流上升至裝配式三相分離器，使三者很好地分離，顆粒污泥回流到污泥床內，沼氣通過導管流入沼氣柜，處理過的水由出水槽排走。反應過程約80％以上的有機物被轉化為沼氣，完成廢水處理過程
序批式活性污泥法（簡稱為SBR工藝）是近年來引起國內外廣泛重視、研究和應用日趨增多的好氧生化工藝之一。其工作核心是SBR反應池，該池集水質均化、初次沉淀、生物降解、二次沉淀等功能于一體，整個工藝簡潔，運行操作可通過自動控制裝置完成，管理簡單，投資省。
SBR工藝的序批式包含兩層含義：一是運行操作在空間上按序列、間歇的方式進行，由于污水大都是連續或半連續排放，處理系統中至少需要兩個或多個反應器交替運行，因此，從總體上污水是按順序依次進入每個反應器，而各反應器相互協調作為一個有機的整體完成污水凈化功能，但對每一個反應器則是間歇進水和排水；二是每個反應器的運行操作分階段、按時間順序進行，典型的SBR工藝的一個完整的運行周期由五個階段組成，即進水階段、反應階段、沉淀階段、排水階段和閑置階段，從第一次進水開始到第二次進水開始稱為一個工作周期。
進水階段是反應池在短時間內接納需要處理的污水，同時起到調節和均質的作用，此階段可曝氣或不曝氣。反應階段是停止進水后的生化反應過程，根據需要可在好氧和缺氧條件下進行，也可兩種條件下交替進行，但一般以好氧為主。沉淀階段停止曝氣，進行泥水分離。經過一定時間的沉淀，進入排水階段，利用排水裝置將上清液排出反應池。排水結束到第二次進水的時間間隔為閑置階段，這一階段曝氣或不曝氣均可，此時通常不進水，而是通過內源呼吸作用使微生物的代謝速度和吸附能力得到恢復，為下一個周期創造良好的初始條件。在每一個運行周期內，各階段的運行參數都可以根據污水水質和出水指標進行調整，并且可根據實際情況省去其中的某一階段，還可以把反應期與進水期合并，或在進水階段同時曝氣等，系統的運行方式十分靈活。
�。�2）方案二：ABR＋SBR組合工藝處理含油廢水。
厭氧擋板式反應器和SBR反應器串連運行。折流式厭氧反應器（Anaerobic Baffled Reactor）是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一種新型高效厭氧反應器。厭氧擋板式反應器內部垂直于水流方向設多塊擋板來保持反應器內較高的污泥濃度以減少水力停留時間。擋板把反應器分為若干個上向流室和下向流室。上向流室比較寬，便于污泥聚集，下向流室比較窄，通往上向流的導板下部邊緣處加 60°的導流板，便于將水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持較高的污泥濃度。當污水COD濃度高時，為避免出現揮發性有機酸濃度過高，減少緩沖劑的投加量和減少反應器前端形成的細菌膠質的生長，處理后的水進行回流，使進水COD稀釋至大約5～10g/L，當污水COD濃度較低時，不需進行回流
雖然在構造上ABR可以看作是多個UASB反應器的簡單串聯，但工藝上與單個UASB有顯著不同。UASB可近似地看作是一種完全混合式反應器，而ABR則更接近于推流式工藝。與Lettinga提出的SMPA[1]工藝對比，可以發現ABR幾乎完美地實現了該工藝的思路要點。首先，擋板構造在反應器內形成幾個獨立的反應室，在每個反應室內馴化培養出與該處的環境條件相適應的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質的廢水時，第一格反應室經過一段時間的馴化，將形成以酸化菌為主的高效酸化反應區，葡萄糖在此轉化為低級脂肪酸（VFA），而其后續反應室將先后完成各類VFA到甲烷的轉化。通過熱力學分析可知，細菌對丙酸和丁酸降解只有在環境H2分壓較低的情況下才能進行[2]，而有機物酸化階段是H2的主要來源，產甲烷階段幾乎不產生H2。與單個UASB中酸化和產甲烷過程融合進行不同，ABR反應器有獨立分隔的酸化反應室，酸化過程產生的H2以產氣形式先行排除，因此有利于后續產甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過程在較低的H2分壓環境下順利進行，避免了丙酸、丁酸過度積累所產生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各個反應室中的微生物相是隨流程逐級遞變的，遞變的規律與底物降解過程協調一致，從而確保相應的微生物相擁有最佳的工作活性。其次，同傳統好氧工藝相比，厭氧反應器的一個不足之處是系統出水水質較差，通常需要經過后續處理才能達標排放。而ABR的推流式特性可確保系統擁有更優的出水水質，同時反應器的運行也更加穩定，對沖擊負荷以及進水中的有毒物質具有更好的緩沖適應能力。值得指出的是，ABR推流式特點也有其不利的一面，在同等的總負荷條件下與單級的UASB相比，ABR反應器的第一格不得不承受遠大于平均負荷的局部負荷。以擁有五格反應室的ABR為例，其第一格的局部負荷為其系統平均負荷的5倍，如何降低局部負荷過載的不利影響還有待于深入探討。
ABR的工藝特性與其水力特性緊密相關。對于ABR的水力學特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey和天津大學的郭靜[3]研究表明：ABR反應器在沒有回流和攪拌的條件下，混合效果良好，死區百分率低。反應死區可以分為生物死區和水力死區，生物死區來源于污泥所占的體積以及污泥對水力條件的改變；水力死區則可通過改善反應器構造設計而減小。在單個反應室內，水力特性接近于完全混合式，而從整體效果上看，則近似于推流式。由于ABR的水力特性較復雜，二者均未能就其流態提出一個較好的數學模型。其水力死區的計算借用了化學反應工程中反應器的流態模型，其合理性尚待進一步考證。
關于ABR的工藝特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人所做。ABR反應器運行時污泥床層（常為顆粒污泥）處于流化狀態，廢水中基質的降解和微生物代謝產物的排除均須經由顆粒污泥表面通過擴散作用完成。試驗中ABR的負荷可高達36gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey[4]研究了ABR的啟動特性，結果表明，固定進水基質濃度而逐步縮短HRT的啟動方式優于固定HRT而逐漸增大進水基質濃度的啟動方式。另外，ABR對水力負荷沖擊響應迅速但恢復卻快于濃度負荷沖擊。在高水力負荷條件下，反應器內的短流現象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey[5]研究了以葡萄糖為基質的ABR在穩定狀態和沖擊負荷情況下的運行特性，系統分析了酸化過程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產物在不同運行狀態下沿流程的分布積累狀況。與其它反應器在沖擊負荷條件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的電子受體。此外，無論是在水力或是在濃度負荷沖擊下，ABR均表現出良好的穩定性能，因此有可能適用于工業廢水處理。
�。�3）方案比選。
根據潿州終端處理廠污水平流式厭氧處理實驗報告，UASB+SBR聯合處理含油廢水實驗結果，ABR+SBR聯合處理實驗結果
對比UASB+SBR組合工藝、ABR+SBR組合工藝處理含油廢水實驗結果，從工藝的運行管理，處理效果、耐沖擊負荷等方面對兩個方案進行比較。比選方案的主要區別在厭氧處理反應器的選擇上，兩種不同厭氧反應器比較如下：
�、贅嬛锝Y構：UASB池體結構較復雜，其三相分離器對設計要求較高，且單反應器存在明顯的床體水流溝流的現象；ABR反應器采用多格室結構代替單室反應器結構，無專用的氣固液分離系統，結構簡單。
②反應啟動時間：UASB污泥馴化期40天以上，不宜間歇運行，污泥床破壞后重新啟動困難；ABR污泥馴化期在20天左右，各隔室的微生物隨流程逐級遞變，可間歇運行。
②設計、運行管理：UASB的三相分離器對設計和運行的要求較高，處理低濃度污水時，有機物濃度低，產氣量少，污泥間無良好的間隙性，有機物和污泥的傳質作用較差，處理效率受到一定限制，且為使UASB布水均勻，反應需設攪拌器使泥水充分接觸，這在實際工程中較難控制。ABR不需要專門的布水系統，也不需要設置專用三相分離器，其運行管理簡單。
�、艹杀炯斑\行費用：根據有關資料顯示，在處理相同負荷的有機廢水，UASB與ABR相比，一次性成本和常年運行費用均較高。
綜合以上分析研究成果及現場試驗，雖然實驗結果說明UASB+SBR組合工藝、ABR+SBR組合工藝都能有效地處理本設計含油廢水，但厭氧段宜采用處理原理和效果相似，且運行管理方便的ABR反應器。最后確定了處理的最佳方案為：原水→調節池→厭氧生化→好氧生化→沉淀（過濾）→出水。其中，反應體系中，厭氧生化處理采用了平流式厭氧處理法。
3 污水生化處理系統工藝原理
根據潿州終端處理廠污水處理小試、中試報告，污水通過采用化學混凝法處理、好氧處理、厭氧+好氧組合工藝對比實驗確定污水處理以生物處理技術為主體，采用“厭氧+好氧＋過濾”工藝，污水首先進入厭氧池進行厭氧處理，厭氧池設計采用“折流板式厭氧反應器”（ABR），該反應器的設計水力停留時間為36小時，原污水利用厭氧微生物（主要是厭氧菌）將廢水中的可溶性的高分子有機物和不溶性有機物降解為低分子的有機酸、醇及二氧化碳、氨、硫化氫等氣體，并放出細菌生長、活動所需的能量。污水中的有機物得到降解的同時廢水的可生化性得到改善，COD去除率為20%～30%。厭氧出水再泵入“序批式生物反應器”（SBR）內進行好氧生化處理，SBR設計的運行周期為12h（進水1h，曝氣8h，沉淀2h，排水1h）。剩余污泥進入濃縮池濃縮處理后經過脫水處理后將泥餅外運填埋處理。SBR處理出水通過潷水裝置排入過濾池，經過濾池的濾料層后截留了SBR池出水中可能殘留的懸浮顆粒。過濾池處理后出水經儲水池后達標排放
�。�1） 本工藝采用生化（ABR+SBR）組合工藝對污水進行處理。污水進入厭氧池進行厭氧處理，再泵入SBR池內好氧生化處理，污泥回流至厭氧反應池，多余污泥進入濃縮池濃縮處理后經過脫水處理后將泥餅外運填埋處理。處理后出水經貯水池后達標排放。
�。�2）工藝采用了處理技術工藝成熟，所設各構筑物的功能明確，組合合理，處理過程中運行穩定，操作簡單，便于管理，通過各構筑物的綜合處理，相關指標可達到國家污水綜合排放的一級標準。
�。�3）SBR反應池特點：SBR反應池設置多個反應池，其運行操作在空間上按序列、間歇的方式進行，污水采用連續處理排放；反應池運行靈活，在一個運行周期內，各階段的運行參數都可以根據污水水質和出水指標進行調整。
�。�4）ABR反應池特點：采用多格室結構代替單室反應器結構，無專用的氣固液分離系統，結構簡單；不需要專門的布水系統，也不需要設置專用三相分離器，其運行管理簡單；反應啟動時間，ABR污泥馴化期在50天左右，各隔室的微生物隨流程逐級遞變，可間歇運行。
�。�5）成本及運行費用：根據有關資料顯示，在處理相同負荷的含油有機廢水，SBR＋ABR工藝，一次性成本和常年運行費用均較低。
4 污水處理效果分析
潿洲終端污水處理項目于2005年8月1日正式開工建造，2006年4月28日全面竣工投用，采用的“厭氧 + 好氧 ＋ 過濾” 處理含油污水工藝，是集各成熟、高效處理單元的合理組合，經過三年時間的運行證明，本污水處理流程耐沖擊負荷、操作簡便、運行穩定。同舊的污水處理裝置相比較，污水處理量滿足了現場的實際需要，節約了大量的電力資源、減輕了操作難度、減少了大量的設備維修和維修成本。經當地環境監測站的多次監測結果表明，經過生化處理后的污水水質達到設計排放標準，符合國家一級排放標準的指標要求。
參考文獻:
[1]Grobicki A,Stuckey D C.Hydrodynamic Characteristics of the Anaerobic Baffled Reactor.1991.
[2]Perter N Hobson,Andrew D Wheatley.Anaerobic Digestion—Modern Theory and Practice.1994.
[3]郭靜，李清雪，馬華年等.ABR反應器的性能及水力特性研究敝泄給水排水，1997.
[4]William P Barber,David C Stuckey.Startup strategies for anaerobic baffled reactors treating a synthetic sucrose feed.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997
5 Grobicki A,Stuckey D C.Performance of the anaerobic baffled reactor under steady-state and shock loading conditions.Biotech and Bioeng,1991.
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