南山終端中水回收系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)措施及效果

安海重（中海石油（中國(guó)）有限公司崖城作業(yè)公司）

1 現(xiàn)狀

城13-1氣田南山終端位于海南省三亞市以西約40 km的海岸上，其主要功能是接收處理海上氣田采出的部分天然氣和全部凝析油。在建廠20多年的歷史中，南山終端嚴(yán)格遵守國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)的要求，秉持“零污染”的環(huán)保理念，推進(jìn)建設(shè)綠色工廠，并把生活污水排放減量化、無(wú)害化和資源化作為重點(diǎn)工作之一。積極采用新工藝、新技術(shù)促進(jìn)生活污水處理工藝向深度處理工藝轉(zhuǎn)型和升級(jí)，設(shè)計(jì)和安裝了一套中水回收系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)中水系統(tǒng)），以達(dá)到提高用水效率及節(jié)約用水的目的[1-2]。該系統(tǒng)的核心工藝是厭氧好氧工藝法（簡(jiǎn)稱(chēng)AO法，A是厭氧段，用于脫氮除磷；O是好氧段，用于除水中的有機(jī)物），主要由沉淀池、厭氧池、好氧池、半透膜池（簡(jiǎn)稱(chēng)MBR池）、消毒罐、蓄水池組成，處理能力為2 m3/h。廠區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的生活污水通過(guò)污水管網(wǎng)收集在沉淀池，經(jīng)靜置后從沉淀池上部出水口流出，通過(guò)8 in（1 in=2.54 cm）管線從厭氧池底部進(jìn)入，在厭氧條件下由多種微生物共同作用，使有機(jī)物分解消化；經(jīng)厭氧處理后的污水從厭氧池底部由轉(zhuǎn)水泵轉(zhuǎn)入好氧池，好氧池底部安裝有曝氣管，由羅茨風(fēng)機(jī)提供空氣，為好氧微生物提供生長(zhǎng)代謝反應(yīng)所需要的氧氣，好氧微生物消耗污水中的有機(jī)物，同時(shí)將水中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的NO3

-等其它形式的含氮離子，在好氧階段污水COD降解率可達(dá)70%；經(jīng)好氧處理后的污水從好氧池中上部溢流進(jìn)入MBR池，通過(guò)產(chǎn)水泵的真空抽吸，污水從MBR外側(cè)抽至內(nèi)側(cè)，并在膜內(nèi)側(cè)收集后排出，在此過(guò)程中MBR起到將活性污泥和大分子有機(jī)物質(zhì)有效截留以達(dá)到固液分離的作用，同時(shí)使得污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分開(kāi)得以控制，增大污水凈化能力；經(jīng)MBR凈化后，污水成為中水半成品，由產(chǎn)水泵轉(zhuǎn)入消毒罐，進(jìn)行殺菌消毒；經(jīng)消毒后的水由中水泵轉(zhuǎn)入蓄水池儲(chǔ)存，如果化驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2002），則可用于廠區(qū)綠化澆灌等雜用水。在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行階段，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行效果未達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化改造及運(yùn)行管理優(yōu)化后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水質(zhì)量完全滿(mǎn)足要求，順利投入使用。

2 中水系統(tǒng)存在的問(wèn)題

試運(yùn)行初期，中水系統(tǒng)存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、氨氮濃度偏高、回收率偏低、運(yùn)行成本偏高等問(wèn)題，影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。經(jīng)分析主要原因如下：

1）中水系統(tǒng)缺少進(jìn)水量控制調(diào)節(jié)。生活污水產(chǎn)生量大約22 m3/d，但卻是間歇性的，一天24 h中00:00～18:00時(shí)段期間產(chǎn)生的污水量約0.32 m3/h，小于系統(tǒng)處理能力，而18:00～00:00污水產(chǎn)生比較集中約2.7 m3/h，大于系統(tǒng)處理能力，嚴(yán)重影響回收利用效率。

2）中水系統(tǒng)缺少轉(zhuǎn)水過(guò)濾裝置。沉淀池過(guò)多的懸浮固體通過(guò)出水口進(jìn)入?yún)捬醭兀⒅鸪亓鬓D(zhuǎn)，造成厭氧池、好氧池、MBR池的雜質(zhì)和淤泥累積過(guò)快，轉(zhuǎn)水泵及管線頻繁堵塞，MBR膜絲污染、壽命縮短，影響系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3）污水在厭氧池內(nèi)的滯留時(shí)間短，厭氧分解不充分及反硝化作用弱。進(jìn)料直接被轉(zhuǎn)水泵送到好氧池，厭氧池內(nèi)微生物分解有機(jī)物時(shí)間不足，反硝化脫氮效果差，沒(méi)有起到調(diào)節(jié)CNP（碳氮磷）比例的作用。

4）系統(tǒng)耗電量、耗水量偏大。系統(tǒng)安裝電動(dòng)機(jī)共6臺(tái)，每年耗電量約5.6×104kWh；同時(shí)反洗MBR需要使用清潔的淡水，系統(tǒng)每運(yùn)行1 h自動(dòng)反洗2 min，每年消耗淡水量約1440 m3。

3 工藝優(yōu)化改造

3.1 改進(jìn)轉(zhuǎn)水方式

為了減少生活污水懸浮雜質(zhì)進(jìn)入處理系統(tǒng)，避免水泵及管線堵塞，同時(shí)使中水系統(tǒng)運(yùn)行處理流量平穩(wěn)，對(duì)沉淀池的出水口及厭氧池的轉(zhuǎn)水進(jìn)行了改造[4-5]。

改造主要從三個(gè)方面進(jìn)行，一是在將出水口由原來(lái)的0.2 m2擴(kuò)大至1.0 m2，并加裝插板式粗濾網(wǎng)（1目），既能過(guò)濾沉淀池的懸浮雜質(zhì)，又不會(huì)使沉淀池出水口頻繁發(fā)生堵塞。二是在出水口加裝一個(gè)流量控制閥，將出水流量控制在約0.9 m3/h，污水產(chǎn)生高峰期時(shí)段，未處理的污水存在沉淀池澄清待處理；污水產(chǎn)生低谷期時(shí)段，沉淀池內(nèi)待處理的污水逐步流入系統(tǒng)處理。三是停用厭氧池至好氧池的轉(zhuǎn)水泵，在厭氧池上部設(shè)置一個(gè)0.08 m2的出水口，并加裝插板式細(xì)濾網(wǎng)（12目）。這種底部進(jìn)水、上部出水的方式相比底部進(jìn)水、底部出水的方式，既增加污水在厭氧池中的停留時(shí)間，增強(qiáng)厭氧處理效果，也避免了厭氧池底部淤泥堵塞管線導(dǎo)致污水處理中斷。改進(jìn)后轉(zhuǎn)水方式如圖1所示。

圖1 改進(jìn)中水系統(tǒng)轉(zhuǎn)水方式示意圖

3.2 硝化與反硝化同步工藝

原設(shè)計(jì)在O段設(shè)置有硝化工藝，通過(guò)1臺(tái)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的循環(huán)泵，將好氧池底部的活性污泥循環(huán)至好氧池頂部使污泥均勻懸浮在好氧池中。在好氧條件下，通過(guò)亞硝酸鹽菌和硝酸鹽菌的作用，污水中的氨氮（）被氧化為，如化學(xué)反應(yīng)方程式（1）所示，氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮減少了需氧量而降低污水COD。硝化反應(yīng)方程式：

但是，在好氧條件下硝化菌工作、反硝化菌處于抑制狀態(tài)，僅靠硝化工藝并不能有效將污水脫氮。根據(jù)反硝化作用的原理，在缺氧條件下反硝化菌能將NO3

-還原成N2，如化學(xué)反應(yīng)方程式（2）所示，如果在中水系統(tǒng)中增加反硝化工藝，不僅可使NO3

-被還原，而且還可使污水中的甲醇等有機(jī)底物氧化分解。反硝化反應(yīng)方程式：

綜上所述，如果能在同一處理池中使同一污泥中的兩類(lèi)不同性質(zhì)的菌群（硝化菌和反硝化菌）同時(shí)工作，形成同步硝化反硝化，則脫氮工藝將得到簡(jiǎn)化而效能卻大為提高。

根據(jù)現(xiàn)有工藝流程，將硝化工藝的循環(huán)泵出口管線分成兩路，第一路繼續(xù)將好氧池底部的活性污泥循環(huán)至好氧池頂部，不影響硝化工藝的正常運(yùn)行；第二路將好氧池底部的活性污泥循環(huán)至厭氧池，使其進(jìn)行反硝化反應(yīng)。并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一、二兩路的閥門(mén)開(kāi)度，控制進(jìn)入好氧池、厭氧池的循環(huán)污泥比例，使中水系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。

另外，厭氧池中的絲狀菌對(duì)活性污泥絮粒的聚集有阻礙作用，從而引起系統(tǒng)活性污泥流失，影響厭氧池反硝化處理效果，同時(shí)絲狀菌的聚集作用一定程度上增加了系統(tǒng)剩余污泥量。為了避免厭氧池內(nèi)污泥菌群比例失調(diào)，提高厭氧池反硝化處理效果，進(jìn)入?yún)捬醭氐难h(huán)管線設(shè)置位于池中部，并在末端安裝帶有均勻分布出水孔的管排，如圖2所示。厭氧池內(nèi)厭氧分解及反硝化脫氮均可充分進(jìn)行，起到調(diào)節(jié)CNP比例的作用。

圖2 中水系統(tǒng)同步硝化與反硝化工藝示意圖

采用同步硝化反硝化工藝后，厭氧池及好氧池內(nèi)微生物的含量處于最佳濃度，反應(yīng)速度快，使有機(jī)物得到深度氧化，系統(tǒng)產(chǎn)出中水氨氮含量約0.2 mg/L，滿(mǎn)足綠化雜用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 節(jié)電節(jié)水優(yōu)化措施

原設(shè)計(jì)中水系統(tǒng)主要機(jī)電設(shè)備清單，如表1所示。

表1 中水系統(tǒng)主要機(jī)電設(shè)備清單

中水系統(tǒng)作為節(jié)能環(huán)保設(shè)備，如果其需要消耗大量的水、電，是違背其建造初衷的。在優(yōu)化轉(zhuǎn)水方式時(shí)已停用轉(zhuǎn)水泵，為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)耗電量、減少淡水消耗量，從三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，如圖3所示。一是停用空氣壓縮機(jī)，接入工廠風(fēng)帶動(dòng)循環(huán)泵運(yùn)行；二是停用中水泵，重新設(shè)計(jì)消毒罐的排水管線，使之即可保持消毒罐保持所需的液位，又可以使中水通過(guò)重力自流穩(wěn)定轉(zhuǎn)入蓄水池；三是設(shè)置一根管線將消毒罐中的中水引至反洗泵入口，使用經(jīng)消毒處理合格的中水代替淡水，用于反洗MBR，同時(shí)在反洗泵出口安裝一個(gè)能過(guò)濾3 μm雜質(zhì)的袋式過(guò)濾器，防止MBR受污染影響其使用壽命。

經(jīng)改造調(diào)整后，中水系統(tǒng)處理工藝及設(shè)備布置更加合理，系統(tǒng)操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)耗電量下降了10.6%、每年耗電量約4.9×104kWh，淡水消耗量降低至0。

3.4 運(yùn)行管理

科學(xué)合理的管理可使中水系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，提高污水處理效率及效果[6-7]，經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐，南山終端探索出了1套高效的運(yùn)行管理方式，主要有以下幾方面：

1）MBR間歇產(chǎn)水控制。當(dāng)MBR池液位高于最低液位，產(chǎn)水泵每運(yùn)行8 min，停止運(yùn)行2 min。產(chǎn)水泵停止運(yùn)行期間，MBR池底鋪設(shè)的曝氣裝置將繼續(xù)進(jìn)行，通過(guò)氣水振蕩清洗，緩解MBR周邊的污泥濃度累積，保持MBR表面的清潔。

2）在線水反洗控制。與產(chǎn)水系統(tǒng)剛好相反，通過(guò)自動(dòng)切換產(chǎn)水電磁閥和反洗電磁閥的開(kāi)閉，MBR按每產(chǎn)水1 h自動(dòng)反洗一次，每次反洗1 min的周期，自動(dòng)進(jìn)行在線反洗。在反洗過(guò)程中，由反洗泵從消毒罐將澄清的中水由MBR膜組件的產(chǎn)水出口打入到中空纖維膜內(nèi)進(jìn)行反向清洗，起到膜孔的沖洗作用，以恢復(fù)膜的水通量。

3）化學(xué)反洗。MBR每運(yùn)行一周進(jìn)行一次化學(xué)反洗，化學(xué)反洗的過(guò)程與在線反洗時(shí)類(lèi)似，不同的是將反洗泵先后切換至次氯酸鈉及氫氧化鈉溶液槽、檸檬酸溶液槽，分別將清洗藥品打入反洗水管內(nèi)。次氯酸鈉有助于去除在膜上的有機(jī)附著物、檸檬酸則有助于去除無(wú)機(jī)結(jié)垢物。

4）定期排出剩余污泥。系統(tǒng)內(nèi)剩余污泥的累積，不但助長(zhǎng)了放線菌的生長(zhǎng)和積聚，產(chǎn)生較多泡沫和浮渣，還降低了好氧池內(nèi)活性污泥的泥齡和濃度，使產(chǎn)水水質(zhì)變差。每個(gè)季度需進(jìn)行一次污泥排出作業(yè)，但不要全部排空，保留一部分泥種。通過(guò)控制系統(tǒng)內(nèi)活性污泥的濃度，可減少產(chǎn)水底物、改善產(chǎn)水水質(zhì)。

圖3 中水系統(tǒng)節(jié)電節(jié)水改造示意圖

通過(guò)科學(xué)合理的運(yùn)行管理，至今該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行五年。水量平衡是中水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，南山終端生活用水平均消耗量約9800 m3/a，中水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)合格，回收生活污水用于廠區(qū)綠化澆灌約8000 m3/a，中水回收率達(dá)到81%。隨著廠區(qū)自動(dòng)噴淋等各項(xiàng)節(jié)水措施的落實(shí)及綠化澆灌面積的不斷增大，最終實(shí)現(xiàn)了生活污水“零”排放，保證了較高的回收利用效率。

4 處理效果及經(jīng)濟(jì)性分析

中水系統(tǒng)投用后近兩年的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表明，各工段處理正常，如圖4所示，COD（藍(lán)實(shí)線）及氨氮（紅虛線）處理效果得到改善。

圖4 中水回收系統(tǒng)改造后各工段處理效果曲線圖

同時(shí)，中水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提高，在保證回收處理效率同時(shí)節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用，如表2所示，表中工業(yè)電平均價(jià)格為0.8元/kWh，市政淡水平均價(jià)格為5.5元/m3。

表2 中水回收系統(tǒng)改造后綜合運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)綜合成本核算，每年僅需多支出0.5萬(wàn)元，即可完成生活污水回收處理，系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本為0.625元/m3，系統(tǒng)運(yùn)行成本較低。因此，根據(jù)工廠的布局條件因地制宜優(yōu)化設(shè)計(jì)中水回收系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上具有很大的發(fā)展空間。

5 結(jié)論

根據(jù)南山終端中水系統(tǒng)試運(yùn)行期間出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)采取有針對(duì)性的改進(jìn)措施，對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，改進(jìn)轉(zhuǎn)水方式、采用硝化與反硝化同步工藝，采取多項(xiàng)措施降低系統(tǒng)的耗電量及淡水消耗量，并優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行管理方式，中水回收率高，產(chǎn)水水質(zhì)合格，解決了系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、氨氮含量偏高、回收率低、運(yùn)行成本偏高等問(wèn)題。措施可操作性較強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了生活污水零排放，既是南山終端持續(xù)推進(jìn)低碳、清潔生產(chǎn)的手段，也是油氣田降本增效的一項(xiàng)重要措施。