基于膜生物反应器的海上固定设施高盐度生活污水处理装置研究

孙立刚，王蕊，王丹，孙素艳，刘金璐

（1. 中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300450；2. 中海石油技术检测有限公司，天津 300450；3. 中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300450）

海上采油平台为节约淡水资源，降低生产成本，大多使用海水进行冲厕，本文采用哈希HQ40D及ISECl18101 探头对近海海域生活污水氯离子浓度进行测量，氯离子浓度均在2%以上。山东大学黄兆松研究发现污水中盐浓度从0%逐渐升至5%过程中，污水中COD 去除率从98%下降至59%，污水盐度严重影响硝化系统微生物活性和污水出水指标[2]。

根据GB 4914—2008 标准海上固定设施生活污水一级、二级海域排放标准为COD≤300 mg／L[3]。采用普通淡水生化细菌降解COD 能力有限，装置出水存在超标风险[3]。本文通过对蓝细菌、古细菌、盐杆菌、盐细菌、耐盐葡萄球菌等嗜盐菌研究，通过普通浓缩污泥加入嗜盐菌种进行污泥驯化，研究一种基于MBR-嗜盐菌的海上固定设施高盐度生活污水处理装置，满足平台污水处理技术要求，同时结合中水回用技术及排放指标对装置进行设计，实现节能减排。

1 工艺设计

来自海上平台的生活污水分为黑水、洗浴灰水及厨房灰水，产生的废水首先进入调节罐缓冲进行从沉淀及厌氧发酵，削弱来水负荷冲击，避免造成溢罐。根据调节池液位控制将污水经粉碎泵至缺氧罐，缺氧罐设置弹性填料供微生物生长，厌氧罐为厌氧缺氧环境，氧浓度控制在≤0.5 mg/L，污水停留时间控制在4 h，实现硝态氮和亚硝态氮的反硝化作用[1,5]。

经厌氧处理的污水进入好氧罐，污水停留时间控制在6 h，氧浓度控制在4 mg/L 以上, 通过好氧微生物的异化和同化作用去除污水中有机物、氨氮、总磷。好氧反应结束进入膜生物反应器，膜生物反应采用抗油性好，通量大，出水稳定，寿命长，维护方便，可回收的陶瓷平板膜，处理量：40～50 L/m2·h，通过膜的高效拦截作用实现泥水分离[8]。

为进一步对膜出水进行消毒、处理，通过铂、铱、钌等多元氧化物污水电极对膜出水进行电解氧化，通过产生的羟基自由基及次氯酸钠等对污水进行氧化分解，杀死大肠杆菌等物质[6-7]。电解出水在最终经超滤膜，进入中水罐及压力水罐实现中水回用。系统详细工艺流程图如图1 所示。

图1 工艺流程图

系统根据设计的工艺，结合污水处理力量、液力负荷处理量、高峰期液力负荷处理量、水力停留时间对装置池体进行尺寸设计，利用英国AVEVA公司开发的PDMS 三维建模软件进行污水装置全比例三维建模，模型图如图2 所示，结合海上平台尺寸空间，保证后续实际应用过程充分考虑现空间精准设计。

图2 PD MS装置建模

2 装置设计

2.1 设计说明

本文研究的生活污水处理装置将用于海水冲厕的海洋石油生产设施，主要应用于固定平台，设计出水按《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》GB4914—2008标准验收，设计人数40 人，参照标准《关于进一步加强海上油气生产设施生活污水达标排放管理的通知》(海油总安2014 601号）每人每天废水最低排放量，n=350 L/人·d。

2.2 参数设计

1）排入物平均水量

式中：N—设计人数，人，N=40人；

n—平台生活污水定额，L/人·d；

1.44—设计冗余系数。

2）有机负荷计算

参考《船用生活污水处理设备技术条件》GB/T 10833—2015规定，人均产生污染物如下：重力黑水35g BOD5（/人·d），厨房灰水30 g BOD5（/人·d），洗涤灰水5g BOD5（/人·d），总计70g BOD5（/人·d）。

3）接触氧化工艺设计

（1）池容设计

式中：V—接触氧化池的设计容积，m3；

So—接触氧化池进水五日生化需氧量，mg/L；

Se—接触氧化池出水五日生化需氧量，mg/L；

Q×（So -Se）—即设计有机负荷，Q×（So- Se）=OL；

Mc—五日生化需氧量容积负荷，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。

以上常数参数取值参考《生物接触氧化法污水处理工程技术规范》（HJ 2009—2011）。

4）水力停留时间计算：

式中：V—设计池容，m3；

Q—设计流量；

HRT—水力停留时间。

曝气系统设计：

标准状态下污水需氧量计算

式中：Ot—曝气池溢出气体中氧气所占体积比，%；

EA—曝气设备氧的利用率，%，EA=22%。

3 耐盐菌种的驯化

3.1 菌种选择

本文选用营养齐全、毒性低的市政污水厂污泥作为驯化“菌种”，菌种MLSS 浓度在2 000 mg/L。通过投加葡萄糖增加污水碳源、尿素作为氮源、磷酸二氢钾作为磷源，同时添加铁钙镁硫酸盐微量元素，并通过碳酸氢钠调整污水pH，pH 控制在7.3左右。

3.2 盐离子浓度测定

结合海上工作规律对海上固定平台海水冲厕平台生活污水产生情况进行统计分析，海上生活污水排放主要集中在早高峰6～8 点，中午11～13 点，晚高峰17～22 点。利用美国哈希HQ40D 便携式水质测定仪对早中午氯离子浓度进行测定统计。早、中高峰产生的生活污水氯离子浓度在2%左右，晚高峰由于洗浴灰水大量增加，污水中氯离子浓度在1%左右。此高盐度的废水会破环细菌体内的酶和菌胶团细胞膜，造成菌胶团活性降低或生化系统崩溃。

3.3 污泥的培养分析指标

1）水质分析：COD、pH、温度等。

2）污泥分析：污泥指数SVI、污泥浓度MLSS、污泥沉降比SV30。其中SVI=SV30/MLSS。

3.4 耐盐菌培养

选取3 m³ 生化反应器，利用市政污泥“菌种”进行驯化，进水COD 在500～800 mg/L，开启曝气系统，采用间歇式曝气，曝气6 h，沉降2 h，抽取上清液，污水进行COD 化验，根据COD 值调整碳氮磷源比例控制在100∶5∶1，同时补充污水。培养过程记录反应器内MLSS 和SV 数据如图3 所示，直至污泥各项指标处于最优状态。

图3 生化反应器内污泥驯化MLSS 和SV 的变化情况

从MLSS 和SV 数据可知，初始驯化时MLSS 为1 700 mg/L，SV 为7%，生化反应器内污泥前一周内处于适应期MLSS 和SV 数据变化相对较缓，一周过后MLSS 和SV 微生物快速繁殖。污泥驯化至20 天MLSS 至5 700 mg/L，SV 至47%，污水中COD 去除率达到98%以上如图4 所示。

图4 生化反应器进出水COD 变化情况

驯化好的普通活性污泥后通过添加海盐逐渐增加污水盐度，盐度质量分数按0.5%提梯度值逐渐提高，直至污水中盐离子质量分数至2%达到海上生活污水盐浓度值。在保证污水中CNP 源比率基础上，添加硫酸钙、硫酸镁、硫酸铁微量元素，为加快系统微生物生态环境的建立，为系统添加嗜盐微生物（蓝细菌、古细菌、盐杆菌、盐细菌、耐盐葡萄球菌等）[10]，图5 数据统计显示，盐离子质量分数0.5%初期，系统COD 处理能力下降至85%左右，随着微生物逐渐驯化适应，COD 处理能力恢复。每个盐度梯度发生变化时，COD 去除率均降低，随着菌种驯化耐盐能力的增强，可以看出盐度质量分数在0.5%～1.5%变化过程中，系统恢复时间逐渐缩短，盐度质量分数为2%时，污泥驯化时间有所增加，经过42 天生化驯化，培训的耐盐菌种可适应2%盐离子浓度，可将污水处理后出水COD 16～24 mg/L，COD 去除率97%左右。

图5 梯度驯化耐盐菌过程COD 变化情况

4 结 论

本文针对海上固定设施海水冲厕平台生化系统运行不稳定特性出发，利用MBR 及电解技术，结合GB 4914—2008、GB/T 18920—2020、GB/T 10833—2015、HJ 2009—2011 标准和规范对海上生活污水装置工艺进行设计。同时通过对耐盐菌种的研究，对污泥进行梯度盐度菌种驯化，通过实验数据分析，本文可培养出能够抵御高含盐（2%）污水的耐盐菌种，能有效降解水中COD 及盐度冲击，最终设计一款基于膜生物反应器的海上固定设施高盐度生活污水处理装置，为海上平台污水达标排放提供有利技术指引，具有广阔的应用前景。