海上平台生活污水处理工艺探讨

郭奕杉，张大钎，朱梦影，孟冠柔，程 涛

(1.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司 天津 300459；2.中海石油(中国)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术分公司 天津 300452)

海洋环境污染是全球面临的一大问题。20世纪初，国家就根据COD、TSS、BOD5等指标对海洋石油领域的污染物排放浓度设定了标准限值。处理海上平台人员的生活污水讲求高效率、低成本，与之相匹配的生活污水处理方法也成为了近年来污水处理装置的发展趋势[1-2]。

海上平台是长期矗立在海洋中的油气开采设施，生产作业人员日常生活产生的污水可根据其来源不同分为“灰水”和“黑水”。“灰水”是指洗手池、洗衣间及厨房排出的含有洗涤剂等化学物质的水。“黑水”是指卫生间下水管排放的含有排泄物的水。为避免直接排放使污水中的氨氮和磷酸盐入海导致水体污染，需进行污水处理。目前主要的生活污水处理方式有：微生物法、电絮凝法、膜分离法和微电解超滤膜生物组合法。

1 常见海上平台生活污水处理技术

1.1 微生物法

微生物法生活污水处理技术又可称为活性污泥法，起源于英国曼彻斯特，该方法利用微生物可以对污水中有机物进行氧化、吸附等特性进行水质处理。其工艺流程如图1所示。

图1 微生物法污水处理工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of microbial sewage treatment process

持续进入曝气池的空气会与池内污水充分混合形成好氧性微生物絮凝体，即活性污泥，用于吸附污水中的有机物，使有机物发生酸化水解和甲烷化，并不断繁殖。这一过程为硝化细菌与活性污泥创造了良好的脱氮环境和脱磷条件，最终有机物被分解为二氧化碳和水，达到污水处理的目的。分离池中的部分污泥通过管线回流至曝气池作为种泥，形成不间断的处理效果[3-4]。

微生物法具有自动化程度高、维护管理成本低的特点，但其对冲击负荷适应能力差、处理水所需时间长，因此新建海上设施逐渐淘汰了此种工艺。

1.2 电絮凝法

电絮凝技术进行污水处理包括 2级电解反应。第1级电解过程中，作为阳极的金属极板在直流电作用下产生金属离子以污水作为电解质进行水解、聚合，与水中物质反应生成大量氢氧化物和多羟基高分子线型物。这些生成物会在压缩双电层作用和吸附桥架作用中失稳并沉淀凝聚，形成“絮凝体”，随后进入电解槽中进行第2级电解[5-7]。

电解槽通电后，阳极生成的强还原性金属离子进一步对难以降解的物质进行还原反应。与此同时，阴极发生的电化学氧化反应直接将污水中的有机物氧化成为水、二氧化碳和低分子有机物。

图2 某海上平台生活污水处理装置工艺流程图Fig.2 Process flow chart of domestic sewage treatment unit of an offshore platform

图2是某海上平台生活污水处理装置工艺流程图。在实际应用中，污水进入电解槽前，通常会混入一定比例的海水，利用含有大量 NaCl的海水在电解设备中发生反应：

反应产物次氯酸钠作为强氧化消毒剂，与污水中细菌进行充分接触后，可以近乎完全地将细菌杀灭。电絮凝设备具有装置自动化程度高、处理水速度快的特点，目前在海上设施中有着广泛的应用，是一种主流的生活污水处理工艺[8]。

1.3 膜分离法

膜分离法处理生活污水是一种新型处理技术。它利用膜的选择透过性对污水中固定尺寸的悬浮大分子物质或乳化油进行截留，可分为有外力驱动的分离型和仅靠压差作为动力的无外力驱动分离型[8]。

近年来，随着制膜工艺的进步，膜分离技术有了很大发展，在污水处理方面有显著成效。但单一的膜分离水处理方式在实际应用中存在显著的局限性，如设备成本较高、短时间内无法将污水处理达标等。海上设施对于设备占地尺寸、来液停留时间均有严格要求，所以对于单一膜分离设备处理平台生活污水的适宜程度方面还有待探索。

1.4 微电解超滤膜生物组合法

微电解技术常用于高 COD值、高烷基污水的处理，它是在低压直流电环境中利用铁-碳颗粒组成的原电池发生电化学反应后铁离子对污染物的混凝作用去除有害物质。

膜生物法是近几年兴起的污水处理热门方法之一，它将微生物处理法与膜分离技术结合，以活性污泥(生物相)与若干膜分离单元组合，组成膜生物反应器(MBR)。首先以微生物吸附降解胺、磷和有机物，再利用膜单元分离、截留绝大部分活性污泥，确保生物处理的持续性与抗负荷能力，同时把处理合格的污水排放至下游[9-11]。

微电解超滤膜生物组合法将 MBR工艺加上微电解流程，是一种采用多方法相结合进行污水处理的方式。工艺流程如图3所示。

图3 微电解超滤膜生物组合法工艺流程图Fig.3 Flow chart of microelectrolysis ultrafiltration membrane biofiltration process

黑水经粉碎泵搅拌、破碎后流入厌氧池，在厌氧细菌的处理下，部分有机物被去除，同时污水的可生化性显著提高。

在MBR反应池中，灰水与经过厌氧细菌降解后的黑水混合，污水中有机物进一步被好氧细菌分解。在这一过程中，绝大部分有机物变为水和 CO2，因饥饿而死亡的细菌则成为活性污泥中原生物和后生物的食物，整个微生物系统达到动态平衡。超滤膜系统为间歇式运行，在出口自吸泵运行时受压差推力将污水和活性污泥进行筛孔分离，污水经由电解极板进入电解水柜。自吸泵停止期间，膜系统在曝气流和重力共同作用下产生反冲洗效果被清洗干净。

电解水柜中产生的强氧化消毒剂对污水进行杀菌，同时水柜中产生的混凝作用将污水中难以去除的有机物氧化消解。经处理的污水最终由泵打入平台生产系统，实现零排放。微电解超滤膜生物组合法处理后的水质稳定，不会出现污泥膨胀现象，具有占地面积小、对环境零污染等特点，使其迅速成为目前海上平台主流的生活污水处理方式之一。

2 处理效果比较

本次研究中对渤海某油田不同时期建造的 3座海上设施生活污水处理装置进行分析，其工艺类型分别为微生物法、电絮凝法和微电解超滤膜生物组合法(表中简称组合法)。在平台 POB数量、餐食类型和取样时间相同的情况下，对各装置处理后的生活污水进行 3次取样，每次取样时间间隔为 36h。水样检测结果见表1。

表1 3种生活污水处理工艺取样检测结果Tab.1 Sampling and testing results of three domestic sewage treatment processes

水样检测结果显示，3种污水处理装置出水水样均达到排放标准。微生物法出水水质较差且稳定性不高，电絮凝法出水水质高于微生物法但在用水高峰期处理效果略差。与微生物法、电絮凝法工艺相比，微电解超滤膜生物组合法无论是出水水质还是用水高峰时期的抗冲击能力方面都有着明显优势。

3 设备优化

3.1 鼓风机类型选择

鼓风机的作用是向污水处理装置的活性污泥系统提供空气，保证微生物所需的溶解氧，海上设施对此类设备在能耗、噪音等方面均有一定要求，而市面上典型的流量型鼓风机如旋片式鼓风机、罗茨鼓风机难以达到相应要求，因此鼓风机类型应首选压力特性鼓风机，如离心式和旋涡式鼓风机。

3.2 工艺优化

在今后的平台生活污水处理装置设计过程中，可利用某些工艺流程排放的气体作为气源代替鼓风机供气，比如可将平台自有的氮气发生装置产生的富氧空气作为曝气气源替代鼓风机提供空气。

现以可容纳100人的海上采油平台为例，与其相匹配的生活污水处理装置所需曝气量约为68.75Nm3/h，采油平台氮气发生器的制氮能力为180Nm3/h。根据计算，产生 180Nm3/h氮气的同时可以产生富氧气体 387Nm3/h，远超生活污水处理装置的需求，并且采油平台上开式排放与闭式排放系统长期需要氮气作为覆盖气源，因而可以保证氮气发生装置在线的连续性，富氧气体高氧含量的特性也可以有效提高活性污泥的反应效率。

好氧细菌反应池中曝气压力需求一般小于10kPaG，因而可根据需要在气体入口管线上设置减压阀将曝气压力调节到适应值，同时可以根据处理效果对此压力进行调整。

经优化后，不但可以免除鼓风机的购买和维护成本，降低机组的占地空间，同时可以有效利用氮气发生装置产生的富氧空气，切实达到降本增效的目的。

4 结 语

海上平台实际排放的生活污水中含有磷酸盐、醇类、胺类等多种复合物质及有机质。不同污水处理工艺的处理效果表明，将多种处理技术相结合进行污水处理，是集中分离、降解污水中有害物质的高效方式，也是未来污水处理技术的发展趋势。根据海上平台的实际应用情况，进行针对性设计和改造，有利于进一步提高处理效果和降低成本。