循环水环保卫生间的设计及应用

杜永彬

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司 辽宁 盘锦 124010

引言

石油钻井队的作业现场使用的卫生间大都是简易的旱厕,需要在卫生间下部提前挖坑以存储粪便,待井队搬迁之后再进行填埋或处理。冬季使用时寒风刺骨,粪便结冰越堆积越高难以处理。夏季闷热难耐,臭气熏天,蚊蝇及病菌滋生,极易诱发疾病,对员工健康带来了威胁,严重影响身心健康。此外,根据新环保法的要求,粪便及污水不允许直接露天排放,避免污染环境。循环水环保卫生间的研发成功及应用,有效改善了一线员工的如厕条件,保护生态环境,节约水资源。

1 环保卫生间现状及分析

目前环保卫生间根据设计原理不同,主要可分为三大类：循环水型环保卫生间、免水冲型环保卫生间和节水型环保卫生间。

免水冲型环保卫生间根据其处理工艺的不同可分为免水生物处理型环保卫生间、打包型环保卫生间。节水型环保卫生间主要通过改进除臭装置、抽吸设备、蹲便器以达到节水的目的。包括真空厕所、除臭厕所。循环水型环保卫生间的水源为首次使用时加注的水,污水处理系统通过生化反应装置逐级降解,利用活性污泥和生物膜的原理对粪尿污染物进行处理,定期向生化反应装置中投加微生物菌剂,使其大量繁殖以增强净化效果,对出水再进行杀菌消毒,以达到处理出水可循环利用于冲厕的目的[1-2]。

通过对比分析,采用生物法处理的循环水冲环保卫生间适合在石油钻井队现场应用。

2 污水处理工艺的研究及分析

目前没有专门针对冲厕污水进行处理的工艺,都是参考综合生活污水处理工艺,通过试验研究及应用实例验证,对流程进行改进,从而进行冲厕污水的处理。生活污水处理工艺已很成熟,核心技术为活性污泥法和生物膜法,传统的活性污泥法处理工艺在中小型生活污水处理中已应用较少,都采用改进的或联合工艺进行处理,以减小占地面积,提高处理效率和处理效果。

生活污水处理的核心是生化部分,主要包括接触氧化法、SBR法、A/O、A2/O、MBR法等,用生化法处理生活污水是目前最经济、最适用的污水处理工艺[3-5]。

对比分析研究,采用A2/O法污水处理工艺为基础,进行冲厕污水的处理,结构相对简单,现场人员容易进行设备操作维护及管理,成本较低,适合应用在石油钻井队现场。

3 循环水环保卫生间设计

3.1 工艺流程设计 综上所述,结合钻井队现场的实际现状,选择生物降解循环水冲环保卫生间进行研发,首次使用时注满清水,添加生物菌剂,然后正常使用,冲厕后的水经过生物反应器进行处理,经杀菌、脱色后循环使用冲厕。该技术在A2/O污水处理工艺的基础上,进行设计结构改进,采用好氧生物、厌氧生物处理法及生物膜法等,利用微生物的新陈代谢、分解、吸附等作用,最终将粪便降解为水和二氧化碳。处理系统主要由调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池和清水池组成。在厌氧池、缺氧池、好氧池中设计填料加增加生物填料,大大增加了微生物挂膜量,提高运行效率,缩短启动时间[6-7]。

工艺流程如图1所示。运行机理为冲厕污水首先进入调节池分离沉淀；厌氧微生物在厌氧池分解粪尿内大分子有机物,实现脱氮除磷；缺氧池中在兼氧微生物的作用下进行反硝化作用,继续降解大分子有机物；在接触好氧池内,载体上的好氧微生物分解污水中的可生物降解的有机物,并进行硝化反应；沉淀池的回流装置将一部分消化液及污泥回流入缺氧池；最后混合液流入清水水池进行脱色和灭菌,系统最终出水可循环使用冲厕。

图1 冲厕污水处理工艺流程图

3.2 生物反应器设计[8-9]根据钻井队人数及每天使用环保卫生间的情况,设计冲厕污水处理量Q=1m3/d,进出水质标如表1所示,对各个反应池的容积进行设计。

表1 设计进出水指标 单位：mg/L

3.3 房体设计 循环水环保卫生间包括房体和生物反应器,总体效果及总图结构如图2所示。主要由男厕间、女厕间、设备间组成,厕间、设备间均配备了相应的保温系统、加热系统、通风系统、电控系统,厕间还配备了制冷设备,一年四季温度适宜。厕间内的负压通风系统始终保持内部空气新鲜。为了适应钻井队井场搬迁的需求,在冬季搬迁不通电的情况下防止设备结冰,流程管线冻堵,达到就位后快速使用,还配备了断电加热系统,断电期间靠燃烧油料释放暖气,保持室内温度不低于零度。环保卫生间的总体设计强度满足带水运输的要求,方便快速搬迁和投入使用。

图2 循环水环保卫生间示意图

3.4 高效生物菌剂开发

(1)菌剂筛选[10]。分别采集多处典型生活污水处理系统、垃圾渗滤液污水处理系统活性污泥用于高效有机物降解菌及硝化细菌的富集分离、保存。在锥形瓶中加入生活污水无机盐培养基,分别再加入富集用活性污泥,在摇床中培养、富集驯化。在无菌条件下挑取斜面保存的菌种,接种到盛有已灭菌生活污水的锥形瓶中,置于摇床中恒温振荡培养,24h后取样测定污水中COD与氨氮浓度,根据去除率挑选出高效有机物降解菌及硝化细菌。将菌株进行革兰氏染色,油镜观察分菌体细胞形态和染色特征。提取DNA并对其进行16SrRNA基因扩增测序,用Blast软件在GenBank数据库中寻找同源序列,利用MEGA软件建立种群系统发育树,并最终确定其种属关系。

(2)菌剂应用。筛选出的菌剂主要包括不动杆菌、假单胞菌、枯草芽孢杆菌等,用于环保卫生间生物反应器进行冲厕污水处理,可以有效去除COD、BOD、氨氮、浊度、色度及污水中的异味,处理后的水循环使用冲厕。

3.5 互联网平台设计应用 设计开发了智能控制系统,实现了智能化与信息化相结合。采用PLC智能控制,设备运行的无人值守,同时开发物联网远程监控软件,建立远程平台,实现远程设备运行监测及控制等功能。PLC依据处理工艺的要求控制各个设备,与物联网相结合,在电脑PC端和手机APP均可显示环保卫生间的实时运行状况,包括地理位置、设备运行状态、使用次数统计、报警或设备故障,还可对设备故障进行分类和统计,有助于设备故障的分析和判断,为现场服务工程师提供有效的解决方案。同时建立了视频和通话功能,对于简单的设备故障处理和操作可通过视频进行指导维护操作。

4 推广应用

试验成功后,该产品逐步在石油钻井队现场推广使用,得到了员工的一致好评。同时适应了公司推进工程技术服务队伍标准化、专业化、机械化和信息化建设,要求最大限度保护和爱护一线员工,降低一线员工的劳动强度,改善生产生活环境。使用区域遍及辽宁、内蒙古、甘肃、新疆、青海、四川、天津等地区作业现场。

除应用于野外作业、搬迁频繁的队伍外,还可广泛应用于采油站等固定场所的作业队,同时适用于旅游景区、市政等场所,特别是上水、下水不方便的场所。

5 结论

5.1 根据石油钻井队现场的实际工况,循环水环保卫生间适用于作业现场。

5.2 A2/O污水处理工艺经过改进,可以用于冲厕污水的处理,可以有效去除污水中有机物、色度、气味,配合微生物菌剂的使用,可以增强处理效果。

5.3 节水节能,循环水环保卫生间的使用为井队节约了大量水资源,按照50人的钻井队计算,每套设备每年可节水约500方,同时节省500方污水的运输费用及污水处理费用。

5.4 解决了钻井队现场粪便排泄物无处排放,污染环境的问题。

5.5 解决了一线员工上厕所难、如厕环境恶劣的问题,提升了一线员工的生活水平和幸福指数。