生态塘深度处理石化废水尾水的效果及影响因素

蒋 彬，王新刚，张 超，杨 威

(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074； 2.江苏科技大学生物与环境工程学院；3.中国石化石油化工科学研究院)

生态塘深度处理石化废水尾水的效果及影响因素

蒋 彬1，王新刚2，张 超3，杨 威1

(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074； 2.江苏科技大学生物与环境工程学院；3.中国石化石油化工科学研究院)

采用由兼氧塘、好氧塘和水生植物塘串联而成的生态塘系统处理石化废水尾水，在中型试验装置上考察其处理效果及影响因素。结果表明：经处理后，污水的COD降低率为25%～50%，系统出水的COD稳定在40～50 mgL范围内，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准中对COD的要求，但石油类物质浓度指标略微超标；温度是影响生态塘系统处理效果的主要因素，净水效果呈季节性变化，温度较高时处理效果较好，其对总氮(TN)去除的影响大于COD和总磷(TP)；光照对COD降低率、TP和TN去除率的影响较为相似，最高去除率均出现在16：00左右，夜间三者均出现一定程度的下降。

生态塘 兼氧塘 好氧塘 石化废水 尾水

水资源的短缺使工业废水深度处理及回用日益受到重视。作为用水大户的石化企业，废水产生量大，水质成分复杂，即使在经过生化二级处理后，废水尾水仍可能会造成污染[1]。为有效节约水资源，减少石化企业废水排放量，有必要对石化废水尾水进行深度处理。尾水处理技术可采用臭氧-曝气生物滤池、微波-颗粒活性炭等组合工艺[2-3]，但这些工艺能耗相对较高。而采用生态塘系统对石化废水尾水进行深度处理，是一种低运行成本技术，符合节能减排的要求。因此，本课题采用生态塘系统深度处理石化废水尾水，在中型试验装置上考察其处理效果及影响因素。

1 实 验

生态塘中型试验采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘3级串联处理工艺，装置设置于南京某大型石化企业内，处理能力为150 m3d。该地区属亚热带季风气候，四季分明，年平均温度15.4 ℃。兼氧塘、好氧塘、水生植物塘池容分别为160，60，80 m3，总池容为300 m3；水深分别为1.6，1.2，0.8 m。兼氧塘设置水流推流器和人工介质；好氧塘中设置水流推流器和潜水曝气机，其开启视好氧塘内溶解氧(DO)浓度变化而定；水生植物塘分为浮床区、芦苇区、沉水区。好氧塘和水生植物塘均采用生态混凝土护坡，孔隙率约为47%，护坡孔隙中种植美人蕉和菖蒲；水生植物塘底种植芦苇等水生植物。

试验用水为该石化企业二级生化处理后的尾水，污水在系统内的平均水力停留时间(HRT)为2 d，进水水质为：COD 56～90 mgL，石油类物质浓度1.3～1.9 mgL，总氮(TN)浓度9～16 mgL，氨氮浓度1.7～3.5 mgL，总磷(TP)浓度0.6～1.3 mgL。兼氧塘和好氧塘中的水流推流器间歇开启；好氧塘中的曝气机在DO浓度低于2 mgL时开启。

COD、石油类物质浓度、TN浓度、TP浓度等水质指标的分析方法参照《水和废水监测分析方法》[4]。

2 结果与分析

2.1 水质净化效果

2.1.1 COD降低效果 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三级串联系统深度处理石化废水尾水时，系统出水的COD稳定在40～50 mg/L范围内，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准中对COD的要求，生态塘系统的COD月平均降低率如图1所示。由图1可知：从总的趋势来看，污水经生态塘系统处理后COD降低率随季节变化比较明显，高温季节的COD降低率较高，而低温季节则较低，其变化范围为25%～50%；1月的气温最低，植物生长受到较大影响，污水的COD降低率最低，为25%；7月至10月温度较高，进水的COD波动较小，生态塘保持较高的COD降低率，均在40%以上，这与Ghrabi 和Mandi等取得的生态塘45%～58%的COD降低率结果相近[5-6]；6月的平均气温高于2月至5月，但COD降低率只有29%，低于2月至5月的平均COD降低率，这是由于6月进水的COD较低(平均为67 mg/L)，虽然出水的COD低于50 mg/L，但根据反应动力学，由于生态塘系统的处理能力所限，不能进一步降低COD，故在进水COD较低时COD降低率处于低值；而11月虽然气温有所下降，但由于进水的COD最高(平均值约为90 mg/L)，生态塘的平均COD降低率最高，为50%，这从另一方面佐证了前述分析结果。

生态塘不同处理单元的全年平均COD降低情况如图2所示。由图2可知：各处理单元对COD降低的效果不同，在进水COD平均值为71.2 mg/L情况下，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的出水COD平均值分别为59.6，50.5，45.3 mg/L，其COD降低贡献率(以进水的COD平均值为基准)分别为16.3%，12.8%，7.3%，兼氧塘对COD的降低贡献率最高，其次是好氧塘；而单就某一处理单元来说，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的COD降低率(以前一单元出水的COD平均值为基准)分别为16.3%，15.3%，10.3%，仍然是兼氧塘最高。

图2 生态塘不同单元的全年平均COD降低效果◆—COD； ■—COD降低贡献率

兼氧塘降COD的作用主要依靠微生物降解和悬浮有机物的沉降来实现。由于生态塘进水为石化企业二级生化出水，其中仍含有部分在好氧处理过程中难以被降解的有机物，在兼氧塘内COD浓度存在梯度变化，在较长水力停留时间下有利于兼氧菌对其进行水解酸化等降解过程。好氧塘进水的COD较低，水力停留时间较短，其COD降低率低于兼氧塘。水生植物塘对COD降低的效果较差，水生植物的代谢产物会影响COD的降低效率。水生植物塘中浮床区和芦苇区的COD降低贡献率分别为3.1%和2.9%，略高于沉水区的COD降低贡献率(1.3%)。试验中发现，当进水COD浓度低于60 mg/L时，系统出水COD浓度始终在40 mg/L以上，且保持相对稳定，说明采用此工艺对石化废水尾水进行深度处理时，其能力存在某个限值。基于以上分析，在实际工程中，可以通过强化兼氧塘处理等措施来提高生态塘的处理效果。

图3 生态塘不同单元的石油类物质全年平均去除效果■—石油类物质浓度； ■—石油类物质去除贡献率

2.1.2 石油类物质去除效果 生态塘系统对石油类物质的去除效果如图3所示。由图3可知：生态塘进水的石油类物质浓度为1.3～1.9 mg/L，全年平均浓度为1.62 mg/L，出水平均浓度为1.1 mg/L，略高于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的一级A标准值(1 mg/L)，全年平均去除率为32.1%；兼氧塘、好氧塘、水生植物塘出水中石油类物质年平均浓度分别为1.4，1.24，1.1 mg/L，其去除贡献率分别为13.6%，9.9%，8.6%，其中兼氧塘对石油类物质的去除效果略好，后两者对石油类去除效果的差异不显著，其原因可能是石油类在兼氧塘内被人工介质吸附，在附着的兼氧微生物作用下缓慢降解。

2.2 影响因素分析

2.2.1 温 度 试验期间生态塘系统进出水的温度与平均气温的变化如图4所示。由图4可知：全年气温变化范围为0～32 ℃，其中12月、1月及2月气温较低，最低接近0 ℃，而6月至9月气温较高；系统进出水温度明显高于气温，即使在冬季最冷月份其温度仍然接近20 ℃，为保证生态塘处理效果提供了条件。由于进水温度较高，塘内水温随季节变化趋势较气温变化平缓，延长了塘内水生植物的生长时段，使得生态塘在低温时仍能保持一定的处理效果。

图4 试验期间的气温与水温变化▲—气温； ■—进水温度； ◆—兼氧塘出水温度； —好氧塘出水温度； ●—出水温度

高温季节(6月至9月)和低温寒冷季节(12月至次年2月)生态塘不同单元的处理效果对比如图5～图7所示。

图5 高、低温季节生态塘不同单元的COD降低效果■—低温时COD； ■—高温时COD； ■—高温时COD降低贡献率； —低温时COD降低贡献率

图6 高、低温季节生态塘不同单元的TP去除效果■—低温时TP浓度； ■—高温时TP浓度； ■—高温时TP去除贡献率； —低温时TP去除贡献率

图7 高、低温季节生态塘不同单元的TN去除效果■—低温时TN浓度； ■—高温时TN浓度； ■—高温时TN去除贡献率； —低温时TN去除贡献率

由图5可知：高温季节进水的COD与低温季节相差不大，但各单元出水的COD低于低温季节，高温季节COD平均降低率为41%，而低温季节下降为29%；温度对兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的COD降低效果均有影响，尤其是水生植物塘，其COD降低贡献率由高温季节的11%下降至低温季节的5%左右。

该企业在11月后调整了运行情况，使生态塘系统进水的TP浓度较高温季节明显下降，而由于进水TP中颗粒磷所占的比例有所升高，在兼氧塘内通过沉降方式去除，使兼氧塘中TP的去除率变化较小。由图6可知：TP的去除大部分是在兼氧塘中完成，好氧塘和水生植物塘的TP去除贡献率下降较为明显；低温对微生物活性及植物生长产生了明显影响，高、低温季节生态塘系统出水的TP去除率分别为39%和29%。

由图7可知：温度对TN的去除影响明显，在高温季节，兼氧塘和水生植物塘是TN去除的主要单元，兼氧塘通过反硝化作用和塘内植物吸收作用进行脱氮，水生植物塘则主要依靠水生植物的吸收作用进行脱氮；在低温季节，生态塘系统的TN去除率明显下降，仅为22%，约为高温季节TN去除率的一半，兼氧塘内温度稍高，依然保持一定的反硝化作用，TN去除率下降幅度较小，而好氧塘和水生植物塘内温度较低，水生植物收割后，TN去除率下降明显，水生植物塘高、低温季节的TN去除贡献率分别为13%和6%左右。

温度对石油类物质的去除效果也有影响，气温越高，微生物活性强，水生植物生长旺盛，其去除效果越好，出水中石油类物质浓度最低值可达0.7 mg/L；而低温时对石油类物质的去除率下降明显，约为夏季高温时的50%。

通过对污染物质去除率与温度进行线性回归分析可知，温度对COD 降低和TP去除效果的影响相对较小，而对TN去除效果的影响显著。冬季进水TP中颗粒磷所占的比例较高温季节有所升高，使其可以通过沉降方式去除，而颗粒磷的沉降去除削弱了温度对TP去除效果的影响。TN主要通过塘内微生物的反硝化过程和植物的吸收作用去除，在高温季节，兼氧塘、水生植物塘对TN的去除贡献率相近，好氧塘略低；但在冬季低温季节，兼氧塘TN去除率的降低幅度较小，而水生植物塘内由于植物枯萎休眠，再加上一些植物残渣腐烂，使得其对TN的去除率明显下降，导致整个系统TN受低温的影响较为明显。温度通过影响传质、营养物溶解度、反应速率、生物量合成、微生物选择、植物生长等途径，最终影响生态塘系统的处理效率，故生态塘系统的净水效果呈季节性变化。

2.2.2 光 照 生态塘的热源之一是太阳辐射，在塘内形成温度分层现象，表面温度较高，并随季节、阳光的强弱而有较大的变化。光照对生态塘系统中植物和藻类的光合作用有直接影响，关系到生态塘最终对营养物质的处理效果。表1为不同光照条件下的污水处理效果。由表1可知，光照对COD降低率、TP去除率和TN去除率的影响较为相似，最高值均出现在16：00左右，夜间三者均出现一定程度的下降，但下降幅度较小。生态塘出水COD、TP浓度和TN浓度的昼夜变化幅度较小，说明该系统有较好的缓冲能力。

雒维国[7]对植物的净光合速率进行测定的结果表明，植物净光合速率的峰值出现在12：00到14：00之间，光合作用的增强促使植物根部泌氧效率增加，对应的COD降低率及TP、TN去除率也随着植物光合速率的变化而出现先增加后降低的趋势。本试验过程中生态塘中水温的昼夜变化幅度小于2 ℃，光照辐射产生的水温变化影响在试验系统中不占优势。光照对系统的影响主要是通过影响水生植物和藻类的光合作用而进行，白天阳光充足，随着光照的增强，植物光合作用明显，体内代谢作用加快，根系泌氧显著，水中溶解氧浓度增高，好氧微生物新陈代谢也加快，加速利用污水中的有机物和营养元素等合成自身的物质，污染物去除率较高；在夜间，植物的光合作用减弱，好氧微生物新陈代谢作用降低，使得污染物去除率有所降低。

表1 不同光照条件下的污水处理效果

3 结 论

(1) 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三级串联系统深度处理石化废水尾水时，COD降低率为25%～50%，系统出水的COD稳定在40～50 mg/L范围内，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准中对COD的要求，但石油类物质浓度指标略微超标，可采用强化兼氧塘处理等措施使出水水质进一步提高。

(2) 温度是影响生态塘系统处理效果的主要因素，净水效果呈季节性变化，温度较高时处理效果较好，其对TN去除效果的影响大于COD和TP。光照对COD降低率、TP和TN去除率的影响较为相似，最高值均出现在16：00左右，夜间三者均出现一定程度的下降，但下降幅度较小。

[1] 刘苗茹，席宏波，周岳溪，等.水解酸化+AO工艺对石化废水不同分子量有机物去除效果评价[J].环境工程学报，2014，8(7)：2665-2671

[2] 凌珠钦，汪晓军，王开演.臭氧-曝气生物滤池工艺深度处理石化废水[J].应用化工，2008，37(8)：917-920

[4] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：211-257，491-495

[5] Mandi L，Ouazzani N，Bouhoum K.Wastewater treatment by stabilization ponds with and without saprophytes under arid climate[J].Water Science and Technology，1993，28(10)：177-181

[6] Ghrabi A，Ferchichi M，Drakides C.Treatment of wastewater by stabilization ponds：Application of tunisian conditions[J].Water Science and Technology，1993，28(10)：193-199

[7] 雒维国.潜流型人工湿地对氮污染物的去除效果研究[D].南京：东南大学，2005

TRERTING EFFICIENCY OF TAIL WATER OF PETROCHEMICAL WASTEWATER BY ECO-PONDS AND INFLUENCE FACTORS

Jiang Bin1， Wang Xingang2， Zhang Chao3， Yang Wei1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforHydraulicandWaterTransportEngineering，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074； 2.SchoolofBiology&EnvironmentalEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology； 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing)

A pilot scale eco-pond system， consisting of facultative pond， aerobic pond and hydrophyte pond， was used to test the efficiency and influence factors of tail water deep treatment of petrochemical wastewater. The results indicate that COD concentration in effluent ranges from 40 mgL to 50 mgL， equivalent to COD reduction rate of 25%—50%， and reaches the A level of class 1 standard for COD in “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant”(GB 18918—2002)， except the concentration index of petroleum substances， which is slightly overweight. Among influence factors， the temperature is the main one. The treatment efficiency changes with seasons. The influence of higher temperature on TN removal is higher than that on COD and TP， while the effect of illumination on COD， TP and TN removal is relatively similar. The highest removal rates for three pollutants occur at about 16：00 pm， and the removal rates decline in a certain degree at night.

eco-pond； facultative pond; aerobic pond； petrochemical wastewater； tail water

2016-04-20； 修改稿收到日期： 2016-06-21。

蒋彬，博士，讲师，从事环境污染治理工程设计及相关教学工作。

蒋彬，E-mail：jb340@163.com。

重庆交通大学省部共建水利水运工程教育部重点实验室开放基金资助项目(SLK2011B03)、重庆市教委资助项目(KJ1400323)。