MBR耦合ECO处理海上平台生活污水技术研究

黄彦锋，李洪涛，段敬尧，李　勇，滕厚开，秦　微

（1.中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司，天津300461；2.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津300131）

MBR耦合ECO处理海上平台生活污水技术研究

黄彦锋1，李洪涛1，段敬尧1，李勇1，滕厚开2，秦微2

（1.中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司，天津300461；2.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津300131）

海上平台生活污水分为灰水与黑水，利用MBR装置处理黑水，其最佳条件：MLSS为7 000 mg/L，DO为2～4 mg/L，温度为20～25℃，HRT为12 h，淡水加入比例为60%，混合液平均电导率为16 000 μS/cm，生物处理出水、系统最终出水COD分别为336、208 mg/L，生物去除率和系统去除率分别为79%、87%；利用ECO装置处理灰水，其最佳条件：极板间距2 cm，电流为52 A，海水添加比例为50%，电解时间为2 h，吨水电耗为3.6 kW·h。出水混合后添加1.57～15.69 mg/L NaHSO3，COD为110 mg/L，SS为0.5 mg/L，余氯未检出，大肠杆菌为4个/100 g，pH为7.3，BOD5为6 mg/L，整套工艺运行费用为67.96元/d，出水能够达到IMO.MEPC227（64）规定排放标准要求。

海上平台；生活污水；膜生物反应器；电催化氧化

渤海油田在役平台原油开采设施长期坐落于海域中，平台上工作人员日常产生的生活污水若处理不佳，可导致周围海洋环境富营养化〔1〕。随着海洋石油的开发，海上平台生活污水对海洋环境的污染越来越受到重视。国际海事组织IMO.MEPC227（64）决议〔2〕要求平台生活污水排水CODCr≤125 mg/L。

针对海上平台生活污水处理，目前主流技术有生化法及电解法〔3〕。平台生活污水中的食堂废水、洗澡废水、洗衣废水、病房废水等组成平台灰水，其含有大量消毒剂、油污以及难以降解的表面活性剂，采用生化技术处理时，由于不能满足微生物代谢所需要的基本条件，导致处理效果不佳〔4〕。而以卫生间冲厕水为主的黑水组分，又因固含量成分较多，无法满足电催化氧化系统需求的SS≤35 mg/L的进水标准〔5〕。

笔者以膜生物反应器（MBR）为代表的生化法和电催化氧化（ECO）为代表的电解法的联用为处理技术。采用MBR处理黑水，能避免灰水中含有的表面活性剂造成的微生物死亡问题；采用ECO处理灰水，能避免大颗粒固含物造成的电极板堵塞问题；处理后的2种出水混合，利用ECO处理出水含有的氯化物来杀灭MBR处理出水中的超标细菌〔6〕。MBR耦合ECO技术能够互相弥补2种技术的短板，突出2种技术的优点，能够长期稳定且有效地处理海上平台生活污水，使之达到最新的海洋排放标准。

1　材料与方法

1.1试验药品及仪器

试验所用废水为渤海海域某海上采油平台生活污水，该平台生活污水中黑水量和灰水量的比例约为1∶2.5。黑水中COD为2 000～3 000 mg/L，SS为3 000～3 500 mg/L，pH为6～8，由于是海水冲厕，黑水的电导率为35 000～40 000 μS/cm；灰水中COD 为500～600 mg/L，SS为30～35 mg/L，pH为6～8，由于是淡水洗浴，灰水电导率为500～1 000 μS/cm。

试验所用药品：清洗剂TS-1，其作用为定期清洗MBR装置膜组件；清洗剂TS-2，其作用为定期清洗ECO电解槽；除氯剂TS-3，其作用为去除水中过量余氯〔7〕。

试验所用仪器：HH-6型化学耗氧量测定仪，南京科环分析仪器有限公司；PB-10型标准pH计，德国赛多利斯集团；DHG-9240A恒温干燥箱，上海右一仪器有限公司；DR800便携式分光光度计，美国哈希公司；自制ECO反应器、自制MBR反应器。ECO反应器如图1所示。

图1　ECO反应器

该反应器有效尺寸为100 cm×100 cm×65 cm，有效容积为650 L，阳极板选择高效DSA阳极板，配套阴极板选择石墨阴极板，极板尺寸为 100 cm× 65 cm，极板间距2 cm，阳极有效板面积为0.65 m2。

MBR反应器如图2所示。

图2　MBR反应器

该反应器有效尺寸为97 cm×150 cm×140 cm，有效容积为1 560 L，反应器内置8组KMS聚乙烯中空纤维膜组件，膜孔径为0.1 μm，超滤膜中空丝内径为1.0 mm，膜总面积为15.42 m2，最大跨膜压差为0.3 MPa。在温度为0～40℃、pH为2～13的条件下运行〔8〕。

1.2MBR处理黑水试验方法

试验所用微生物菌剂为中海油天津化工研究设计院有限公司自主开发的液状菌剂，微生物种类丰富，易于培养。反应器底部设4组微孔曝气器，在运行期间进行连续曝气，水气两相呈错流式上升，使活性污泥混合液维持一定的循环流速，形成对膜表面的冲刷，以减轻活性污泥在膜表面的沉积，延缓膜污染的发生，混合液在泵的抽吸作用下经膜过滤出水，抽吸泵采用开7 min、停3 min的间歇运行方式。驯化期间不加海水，每天分析COD、NH3-N等指标，待去除率稳定后再分阶段进行含不同比例海水的处理效果研究，且仅在1个阶段的处理效果稳定后才开始下一个阶段的研究。

由于黑水电导率在35 000～40 000 μS/cm，其盐度过大，不利于MBR装置中的活性污泥代谢，因此试验在水力停留时间（HRT）、溶氧（DO）、温度、污泥浓度（MLSS）等因素一定的条件下，按照来液的30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%比例添加淡水，将电导率稀释至28 000、24 000、20 000、16 000、12 000、8 000、4 000 μS/cm，考察各电导率下MBR装置对COD的去除效率，以确定最佳淡水添加比例。装置运行条件如下：抽吸泵采用开7 min、停3 min的间歇运行方式；控制MLSS为7 000 mg/L，DO为2～4 mg/L，温度为20～25℃，HRT为12 h。每个电导率条件必须稳定运行1星期，每天定时取上清液和装置出水分别测量其COD及大肠杆菌值并记录，取所有测量数值的平均值作为最终值。

1.3ECO处理灰水试验方法

ECO处理灰水试验选取阳极电流密度、海水添加比例、电解时间作为研究指标，采用正交试验确定最佳参数。按照此条件设计三因素四水平的正交试验，电流分别为13、26、39、52A；按照50%、60%、70%、80%的比例添加海水，保持整体灰水中电导率在11 400、13 300、16 400、18 900 μS/cm；电解时间分别为0.5、1、1.5、2 h。取样测量并记录废液COD，且记录电流为13、26、39、52 A时各海水添加比例条件下对应的电压值。取装置出水测量其COD及余氯并记录。

1.4处理后混合水去除大肠杆菌、余氯试验方法

经过MBR处理后的黑水出水与经过ECO处理后的灰水出水在反应器内混合，并停留1 h，取最终出水测量其大肠杆菌、余氯、pH、BOD5、COD和SS，并用除氯剂TS-3对最终出水进行余氯消除，记录TS-3的用量。

2　结果与分析

2.1MBR处理黑水试验结果与分析

MBR对黑水的处理效果如图3所示。

图3　MBR对黑水的处理效果

由图3可以看出，随着淡水加入比例的增大，生物处理出水、系统最终出水的COD均下降，生物处理效率、系统最终效率均上升，但当淡水加入比例为60%时，生物处理出水和系统最终出水的处理效果与更高淡水加入比例的处理效果相差不大，此时混合液平均电导率为16 000 μS/cm，生物处理出水、系统最终出水的COD分别为336、208 mg/L，相应的COD去除率分别为79%、87%。

分析认为，高盐度会对微生物的生长产生抑制作用，主要原因在于：（1）盐度过高将导致渗透压增大，使微生物细胞脱水进而引起原生质的流失；（2）盐析作用使脱氢酶活性降低；（3）高浓度氯离子对细菌有毒害作用。因此，当加入的淡水量＜60%时，微生物的正常代谢活动会受高盐分的影响，但由于MBR工艺具有较高的污泥浓度、丰富的微生物种类，在受到盐度冲击时仍能使系统保持稳定和较好的处理效果；且膜孔的截留作用、膜的吸附作用以及膜表面沉积层的筛滤、吸附作用可将难降解有机物截留于反应器中并继续降解，从而保证了良好的出水水质。因此在淡水加入量≥60%时，盐分已经不是影响MBR处理效率的主要因素〔9〕。

经测定，100 g MBR出水中大肠杆菌在 100～150个，未能达到≤100个/100 g的最低排放标准。

2.2ECO处理灰水试验结果与分析

由于海水本底COD为200 mg/L，原灰水COD 为650 mg/L，因此按照50%、60%、70%、80%的比例向灰水添加海水后，混合水样的COD分别为433、419、406、394 mg/L。ECO处理混合水样的正交试验数据如表1所示。

表1　ECO对混合水样的处理试验数据

当电流分别为13、26、39、52 A时不同海水添加比例下对应的单组电压数据如表2所示。

表2　不同海水添加比例下的单组电压数据

结果显示当电流为 52 A、海水添加比例为50%、电解时间为2 h时出水COD最低，为70 mg/L，根据表2得出此时电压为2.02 V，折合吨水电耗为3.6 kW·h。

在最佳条件下，ECO处理出水中的余氯约为50～100 mg/L，未能达到≤0.5 mg/L的标准要求。

2.3去除大肠杆菌及余氯

将ECO出水与MBR出水混合后停留1 h，测定得到每100 g混合后液体的大肠杆菌为0～5个，能够达到≤100个的排放标准要求，原因在于ECO处理出水中含有50～100 mg/L的余氯，可作为消毒剂，杀灭MBR处理出水中的超标大肠杆菌，因此使混合后水样中的大肠杆菌达到排放标准要求〔10〕。

混合前MBR出水的COD为208 mg/L，与ECO出水混合后一方面能够稀释原有余氯，另一方面余氯可继续降解MBR出水中的COD，因此混合水样的余氯降低为1～10 mg/L，但仍未达到标准要求，此时需添加除氯剂TS-3，添加量为1.57～15.69 mg/L，由在线余氯检测仪实现自动投加。投加TS-3后混合出水中余氯未检出，达到≤0.5mg/L的排放标准〔11〕。

消除余氯后的混合出水COD为110 mg/L，SS为0.5 mg/L，余氯未检出，每100 g混合出水中大肠杆菌为4个，pH为7.3，BOD5为6 mg/L，达到了IMO. MEPC227（64）规定的排放标准：COD≤125 mg/L，SS≤35 mg/L，余氯≤0.5 mg/L，每100 g水中大肠杆菌≤100个，pH为6～8.5，BOD5≤25 mg/L。

2.4MBR耦合ECO处理生活污水成本分析

MBR耦合ECO工艺处理海上平台生活污水的成本核算如表3所示。

表3　MBR耦合ECO工艺每日运行成本

成本核算按每天运行24 h进行，每天处理海水混合灰水7.8 t，处理淡水混合黑水3.12 t，工业用电价格为每度电0.71元。试验中MBR每天共耗电7.9 kW·h，用电成本为5.62元；ECO每天共耗电73.4 kW·h，用电成本为52.14元。膜组件运行100 d后用清洗剂TS-1清洗1次，其用量为0.05 t，折合每天成本3.4元；ECO电解槽运行100 d后用清洗剂TS-2清洗1次，其用量为0.1 t，折合每天成本2.5元；TS-3用量折合每天成本4.3元。综上，MBR耦合ECO技术处理海上平台生活污水每天运行总成本为67.96元，折合吨水成本6.22元。

3　结论

（1）MBR处理生活污水中黑水的最佳处理条件：MLSS为7 000 mg/L，DO为2～4 mg/L，温度为20～25℃，HRT为12 h，淡水加入比例为60%，混合液的平均电导率为16 000 μS/cm，生物处理出水、系统最终出水的COD分别为336、208 mg/L，相应去除率分别为79%、87%。（2）ECO处理生活污水中灰水的最佳处理条件：极板间距2 cm，电流为52 A，海水添加比例为50%，电解时间为2 h，吨水电耗为3.6 kW·h。（3）MBR处理出水与ECO处理出水混合后停留1 h，向该混合出水加入1.57～15.69 mg/L除氯剂TS-3。消除余氯后混合出水的COD为110 mg/L，SS为0.5 mg/L，余氯未检出，每100 g混合出水的大肠杆菌为4个，pH为7.3，BOD5为6 mg/L。（4）MBR耦合ECO工艺每天运行24 h，处理污水10.92 t，运行成本为67.96元/d，吨水处理成本6.22元。

［1］刘光成.电催化氧化法处理海上平台生活污水的现场应用［J］.工业水处理，2014，34（7）：77-78.

［2］张重德，闫肃，滕厚开，等.ECO一体化反应器处理海上平台生活污水试验研究［J］.工业水处理，2014，34（5）：73-75.

［3］高光才.海上平台生活污水处理技术及处理设备［J］.中国海上油气：工程，2002，14（3）：5-8.

［4］孟凡然.海上平台生活污水一体化装置的现场应用［J］.广东化工，2015，42（8）：156-157.

［5］伍波，李鹏，张波，等.负载型粒子电极电催化氧化苯酚的研究［J］.中国环境科学，2015，35（8）：2426-2432.

［6］Feng Y J，Li X Y.Electro-catalytic oxidation of phenol on several metal-oxideelectrodesinaqueoussolution［J］.WaterResearch，2003，37（10）：2399-2407.

［7］王罗春，蒋爱国，闻人勤.隔膜电解法处理EDTA废水技术综述及其应用前景［J］.上海电力学院学报，2007，23（4）：349-353.

［8］于德爽，李津，陆婕.MBR工艺处理含盐污水的试验研究［J］.中国给水排水，2008，24（3）：5-8.

［9］高艳玲，马达.污水生物处理新技术［M］.北京：中国建材工业出版社，2006：105-107.

［10］FengJianren，HoukLL，JohnsonDC，etal．Electrocatalysisofanodic oxygen-transfer reactions：the electrochemical incineration of benzoquinone［J］．Electrochemical Society，1991，138（11）：3328-3337.

［11］Comninellis C.Electrocatalysis in the electrochemical conversion/ combustion of organic pollutants for wastewater treatment［J］．Electrochemical Acta，1994，39（11/12）：1857-1862.

——————

Research on the technology of MBR coupled ECO for treating domestic sewage on the offshore oil drilling platform

Huang Yanfeng1，Li Hongtao1，Duan Jingyao1，Li Yong1，Teng Houkai2，Qin Wei2
（1.Caofeidian Operation Co.，CNOOC（China）Ltd.，Tianjin 300461，China；2.CenerTech Tianjin Chemical Research&Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300131，China）

Domestic sewage on offshore platforms can be classified into graywater and blackwater.MBR device has been used for treating the blackwater whose best conditions are as follows：MLSS is 7 000 mg/L，DO 2-4 mg/L，temperature 20-25℃，HRT 12 h，the proportion of fresh water added is 60%，the average electrical conductivity of mixed liquid 16 000 μS/cm.By biological treatment，the system final effluent COD are 336 mg/L and 208 mg/L respectively，the biological removing rate and the system final effluent removing rate are 79%and 87%respectively. ECO device has been used for treating the graywater，whose best conditions are as follows：the plate clearance is 2 cm，electric current 52 A，the proportion of seawater added 50%，electrolysis time 2 h，and power consumption per ton of water 3.6 kW·h.Adding 1.57-15.69 mg/L of NaHSO3to the mixed effluent water，the COD is 110 mg/L，SS 0.5 mg/L，residual chlorine not detected，Escherichia coli value 4/100g，pH 7.3，BOD56 mg/L，and the whole process operation cost CNY67.96 per day.The effluent water can meet the requirements for the discharge standard specified in IMO. MEPC227（64）.

offshore platform；domestic sewage；membrane bioreactor；electro-catalytic oxidation

X703

A

1005-829X（2016）08-0028-04

黄彦锋（1970―），工程师。E-mail：Huangyanfeng2007@ 163.com。通讯作者：秦微，E-mail：274881782@qq.com。

2016-07-11（修改稿）