船舶污水一體式處理系統(tǒng)的研究

蔡 軍，陳 勇

(陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

船舶污水主要指船舶油污水和生活污水，船舶污水必須經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后方可排放，其處理方式為在船舶設(shè)置油水分離器和生活污水處理裝置，在處理方法上，前者為物化處理，后者為生化處理。船舶污水采用2套獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行處理，設(shè)備及運(yùn)行成本較高，船員的維護(hù)管理工作量大；近年來，用生物方法處理船舶油污水或混合船舶污水（油污水+生活污水）越來越引起廣大科研工作者的關(guān)注[1–3]?；诖?，本文提出用一體式處理系統(tǒng)處理船舶污水，即將高濃度的油污水經(jīng)物理化學(xué)方法預(yù)處理，使其油份濃度降低后，再進(jìn)入生物處理裝置，與生活污水一同混合處理。船舶污水一體式處理，一方面減少了設(shè)備數(shù)量，降低了成本，減輕了船員工作量；另一方面生活污水的加入，提高了油污水的B/C，補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)元素，改善了油污水的生化性能，采用經(jīng)濟(jì)節(jié)能的生物法處理船舶污水，有利于提高污水處理的效益。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

目前船舶污水的生物處理裝置主要采用活性污泥法和生物接觸氧化法，曝氣生物濾池的使用并不多見，而在城市生活污水、含油工業(yè)廢水等處理方面，采用曝氣生物濾池處理的實(shí)例、研究較多，且取得較好的處理效果[4–9]，故實(shí)驗(yàn)裝置采用陶粒曝氣生物濾池（CBAF），如圖1所示，其直徑70 mm，高300 mm，有效容積0.6 L，管1#作為反沖洗進(jìn)水管、排水管、放空管，管2#作為反沖洗出水管，頂部進(jìn)水，底部曝氣；填料為約40目的陶粒，裝柱高90 mm。陶粒空隙率高，表面積較大，化學(xué)性能穩(wěn)定，吸附效果好，能夠適應(yīng)各類復(fù)雜的水體，去除石油類物質(zhì)的效率高，并且再生方便，有資料顯示陶粒曝氣生物濾池除油效率可達(dá)90%以上[10]。CBAF置于恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，并用氣體流量計(jì)控制曝氣量，用溫度計(jì)、pH計(jì)適時(shí)檢測(cè)溫度、pH值，裝置間歇運(yùn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental equipment

1.2 進(jìn)水水質(zhì)及反應(yīng)條件

進(jìn)水為城市生活污水，用柴油、葡萄糖調(diào)節(jié)油份濃度使 C油=50～88 mg/L， COD=701.65～1 000 mg/L。系統(tǒng)的反應(yīng)條件（曝氣量Q，pH，溫度T等）對(duì)污水的處理效果有較大的影響，在前期條件實(shí)驗(yàn)中，采用曝氣生物濾池處理模擬船舶生活污水，在Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃，HRT=90 min，進(jìn)水COD=792.57 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，出水COD=34.53 mg/L，HN3-N=16.37 mg/L，兩者去除率近乎最佳，分別為95.64%和72.23%。基于該研究，CBAF運(yùn)行條件設(shè)為Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃。

1.3 分析方法

COD：采用密封消解分光光度法；油份濃度C油：采用紫外分光光度法。

1.4 曝氣生物濾池的馴化培養(yǎng)

將上述處理模擬船舶生活污水的CBAF中，加入濃度COD=1 000 mg/L，C油=100 mg/L的混合污水，在Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃條件下，每24 h沉淀后排出上清液，重新補(bǔ)充上述污水。3 d后，進(jìn)C油=60 mg/L，COD=701.65 mg/L的混合污水，在 Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=6 h的條件下，間歇運(yùn)行10個(gè)周期后，兩者去除率達(dá)85%和80%以上，至此認(rèn)為對(duì)混合污水的馴化工作完成[11–12]。繼續(xù)運(yùn)行數(shù)個(gè)周期，開展實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT的確定

進(jìn)水COD=701.65 mg/L，C油=63.70 mg/L， Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，間歇取樣分析。由圖2可見，反應(yīng)初始（0～30 min），由于較高的底物濃度和陶粒較強(qiáng)的吸附性，油份濃度迅速下降，表現(xiàn)為較高的去除速率；隨著反應(yīng)進(jìn)行（30～120 min），出水油份濃度下降較為緩慢，與時(shí)間近呈線性關(guān)系（見擬合曲線），其主要原因?yàn)榇穗A段陶粒對(duì)油份吸附與污油的生物降解兩者趨于動(dòng)態(tài)平衡，故去除速率近為恒定，約為0.112 mg/min（擬合曲線斜率）；根據(jù)擬合曲線（C油=–0.112t+17.46），反應(yīng)時(shí)間t=156 min時(shí)，油份可完全降解，理論濃度趨于0。綜合考慮油污水的達(dá)標(biāo)排放、處理成本以及進(jìn)水油份濃度的波動(dòng)，確定CBAF的HRT=90 min。

圖2 濾池中油份濃度的變化曲線Fig.2 Change curve of oil in CBAF

2.2 底物油份濃度對(duì)出水的影響及兩者的相關(guān)性

進(jìn)水COD=701.65 mg/L，C油=55.85 mg/L，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min，調(diào)節(jié)油份濃度，探討進(jìn)水底物濃度對(duì)油份去除的影響。由圖3可見，出水油份濃度隨著進(jìn)水底物濃度的增加，其變化趨勢(shì)分2個(gè)階段。第1階段，當(dāng)進(jìn)水底物濃度在55.85～72.62 mg/L時(shí)，出水油份濃度C油＜10 mg/L（去除率≥87.66 mg/L），近呈線性關(guān)系，即線性變化階段；第2階段，當(dāng)進(jìn)水底物濃度達(dá)88.21 mg/L時(shí)，出水油份濃度急劇增大，達(dá)44.51 mg/L（去除率僅為49.54%），即超限突變階段。

圖3 底物濃度對(duì)出水油份的影響Fig.3 Effect of substration concentration on oil of effluent

由此可知，為保證油份濃度的達(dá)標(biāo)排放，該CBAF具有最大進(jìn)水油份濃度，另一方面CBAF本身也有最大耐受濃度。關(guān)于生物膜處理裝置中進(jìn)出水底物濃度的相關(guān)性，劉雨提出S0-Se模型[13]：

式中：S0為進(jìn)水油份濃度，mg/L；Se為出水油份濃度，mg/L；So,c為臨界進(jìn)水油份濃度，即理論最大進(jìn)水油份濃度，mg/L；Sen為污水中非生物降解的油份濃度，mg/L，由實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，出水油份濃度趨于0（見圖2擬合曲線），故Sen=0；K為濃度系數(shù)。將式（1）兩邊取倒數(shù)，得

用該模型擬合1/S0-1/Se關(guān)系如圖4所示，其中K=2.09，So,c=90.07 mg/L。

圖4 S0-Se關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between S0 and Se

當(dāng)進(jìn)水油份濃度過高，負(fù)荷大于污油去除能力，如果增加單位進(jìn)水油份濃度就會(huì)引起出水水質(zhì)變化，故式（2）的穩(wěn)定性可以用邊界條件來滿足：

此時(shí)的進(jìn)水油份濃度S0被稱為實(shí)際臨界進(jìn)水油份濃度（即CBAF實(shí)際所能承受的最大進(jìn)水油份濃度），由此得：

將所得的K=2.09，So,c=90.07 mg/L代入式（4），得：該裝置實(shí)際所能承受的最大進(jìn)水油份濃度=76.35 mg/L。這可以解釋圖3中現(xiàn)象：當(dāng)進(jìn)水油份濃度較?。⊿0＜76.35 mg/L），去除率較為平緩；當(dāng)進(jìn)水油份濃度超過臨界值（S0＞76.35 mg/L），去除率突降。由此可見，該CBAF的最大耐受進(jìn)水油份濃度約為76.35 mg/L，另一方面，當(dāng)進(jìn)水油份濃度為76.35 mg/L時(shí)，根據(jù)圖3中的擬合曲線（C出油=0.340 4C進(jìn)油-15.795），反應(yīng)90 min，出水油份濃度約為10.19 mg/L，實(shí)現(xiàn)油污水達(dá)標(biāo)排放。

2.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證生活污水的存在對(duì)油污水處理的促進(jìn)作用，設(shè)置了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即向CBAF中分別進(jìn)油污水和混合污水（生活污水+油污水），在Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min的情況下，結(jié)果見表1。生活污水對(duì)油污水的處理具有較好的促進(jìn)作用，提高了油污水的生化性能，且能保證COD達(dá)標(biāo)排放。由此可見，與現(xiàn)有船舶污水處理系統(tǒng)相比，一體式污水處理系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 油污水和混合污水處理對(duì)比實(shí)驗(yàn)Tab.1 Contrast experiment of oily sewage treatment and mixed sewage treatment

3 一體式污水處理系統(tǒng)構(gòu)建

基于上述實(shí)驗(yàn)成果，結(jié)合船舶油污水和生活污水的特性和排放要求，構(gòu)建一體污水處理系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)由油污水預(yù)處理系統(tǒng)、生物處理系統(tǒng)、末端處理系統(tǒng)組成。

3.1 油污水預(yù)處理系統(tǒng)

油污水預(yù)處理系統(tǒng)主要由油污水預(yù)處理裝置、油污水濃度檢測(cè)裝置，閥件（電磁閥VS1，VS2，見圖5）組成。預(yù)處理裝置對(duì)油污水進(jìn)行預(yù)處理，使其低于后繼生物處理最大進(jìn)水油份濃度，從船舶油污水處理裝置的使用現(xiàn)狀看，其預(yù)處理方法主要采用重力分離、聚結(jié)分離、過濾分離等，或采用2種以上方法的組合形式[14–16]；檢測(cè)裝置在線檢測(cè)預(yù)處理出水的油份濃度，當(dāng)出水油份濃度高于調(diào)定值（視油污水和生活污水的比例而定）時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置，并關(guān)閉電磁閥VS2，開啟電磁閥VS1實(shí)現(xiàn)污水回流再處理，反之開啟電磁閥VS1，關(guān)閉電磁閥VS2進(jìn)入下一級(jí)處理。

圖5 一體式污水處理系統(tǒng)流程圖Fig.5 Process of integrated sewage treatment system

3.2 生物處理系統(tǒng)

生物處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)油污水和生活污水的生物處理，由一體式污水處理裝置和精處理裝置組成。

1）一體式污水處理裝置，采用CBAF，在油份濃度低于允許值76.35 mg/L的情況下，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min時(shí)實(shí)現(xiàn)污油份和有機(jī)物的高效處理。有機(jī)物的去除，避免了其對(duì)后繼硝化反應(yīng)的抑制，為生物脫氮?jiǎng)?chuàng)造了條件。

2）2012年10月IMO MEPC 64次會(huì)議上通過了MEPC 227（64）決議，該決議對(duì)船舶生活污水中的排放提出了明確的要求，精處理裝置主要實(shí)現(xiàn)N、P的處理，以及進(jìn)一步對(duì)油份處理，保證油份的達(dá)標(biāo)排放，甚至零排放。精處理裝置可采用目前船舶生活污水處理較為經(jīng)典的生物接觸氧化法，也可采用曝氣生物濾池，其填料可選擇對(duì)N，P有一定吸附能力的沸石或陶粒等。從生物脫氮處理的基本原理出發(fā)，其運(yùn)行方式可采用好氧-厭氧-好氧間歇模式[17–18]。好氧過程主要實(shí)現(xiàn)氮的硝化；厭氧過程主要實(shí)現(xiàn)磷的釋放和硝化產(chǎn)物的反硝化，該過程需要外碳源的加入，一方面反硝化細(xì)菌是異樣菌，需要碳源，另一方面富足的碳源，有利于聚磷菌釋放磷酸鹽，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，將一部分生活污水中引入精處理裝置中，利用生活污水中的有機(jī)物作為外加碳源；再次好氧過程主要實(shí)現(xiàn)磷和反硝化過剩有機(jī)物的去除。

3.3 末端處理系統(tǒng)

末端處理系統(tǒng)主要由膜分離裝置和消毒裝置組成，膜分離裝置實(shí)現(xiàn)污水的泥水分離；消毒裝置保證系統(tǒng)中大腸菌群的達(dá)標(biāo)排放。

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了以CBAF為主體的一體式船舶污水處理系統(tǒng)，并用CBAF處理模擬船舶污水（油污水經(jīng)預(yù)處理），研究表明：

1）船舶污水一體式生物處理具有可行性，當(dāng)進(jìn)水COD=720.21 mg/L，C油=65.87 mg/L，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min，出水COD=44.00 mg/L，C油=6.56 mg/L，兩者去除率高達(dá)93.89%和90.04%。

2）該CBAF對(duì)油份的耐受濃度約為76.35 mg/L，在此濃度內(nèi)，能保證油份濃度的達(dá)標(biāo)排放。

3）在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上構(gòu)建了一體式污水處理系統(tǒng)，從理論上闡述了該系統(tǒng)的合理性，為后期實(shí)際船舶污水運(yùn)行得中試實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行參數(shù)研究，以及船舶污水處理系統(tǒng)的改進(jìn)、開發(fā)提供理論依據(jù)。