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污水生化处理技术在涠洲终端的应用研究
摘要：中海油湛江分公司涠洲终端处理厂与桂林工学院合作研究，采用“厌氧+好氧+过滤”组合工艺对终端厂含油污水进行处理。从根本上解决了终端厂旧有污水处理设施处理量不足的问题，使终端厂污水排放指标达到了国家和当地环保部门的要求，取得了很好的和环保效益。
关键词: 化学需氧量；生化处理；序批式活性污泥法；折流式厌氧反应器
0 引言
中海石油（）有限公司湛江分公司涠洲终端处理厂于1998年8月正式建成投产，是中海油湛江分公司第一个自营综合性油气处理终端。涠洲终端厂原有的电解法污水处理工艺在除油、脱硫、悬浮物等方面有较好的处理效果，曾一度满足了小排量污水COD（化学需氧量）处理的要求。但是旧的COD电解处理方法存在处理量少（日处理量80立方米左右）、维修工作量大、维修成本高、操作不方便等缺陷。随着油气田不断地勘探开发生产和油田综合含水的上升，生产污水量也逐年增加（2005年已达1000立方米），原来的COD电解处理工艺已满足不了实际生产的需要,对污水处理系统进行扩容和寻求新的处理技术势在必行。
1 终端污水特性的试验研究
污水生物处理技术是利用污水中的细菌、真菌以及原生动物、后生动物等微生物的作用，分解污水中的污染物，从而实现污水净化。按照污水生物处理的条件，又可分为：厌氧生物处理和好氧生物处理两种。
中海油湛江分公司与桂林工学院于2002年7月22日签定了关于“涠洲终端处理厂污水CODCr环保达标研究”的合同。桂林工学院资源与环境工程系随后成立了研究项目组，并根据合同的要求立即开展工作。经过多次采集涠洲终端处理厂污水，分析化验、在实验室完成了多项实验后，又在现场开展了两个多星期的试验。为获得更加全面、准确的资料，研究项目组于2004年先后3次采集涠洲终端处理厂污水，系统研究了温度和厌氧处理时间对污水处理效果的影响。研究表明：
（1）涠洲终端处理厂污水COD为150～400mg/L，并具有盐度高，含硫化物高，水质水量均变化较大的特点。
（2）污水中BOD/CODcr的比值为0.38，具较好的可生化性，通过对微生物的驯化，可 以用生化法处理污水。但单一的厌氧生化处理和好氧生化处理均不能达标。而厌氧—好氧联合处理后的出水CODcr为15～85mg/L，完全可以实现CODcr达标。
（3）化学混凝可去除20%的COD，化学混凝—活性碳吸附联合处理可去除44%的COD，但处理后的出水均不能达标。
（4）在30-50度的范围内，温度对厌氧处理效果无明显影响。
2 污水处理技术方案的对比研究
厌氧+好氧组合工艺目前广泛的应用于中高浓度、难降级的有机废水。目前国内外厌氧反应器应用的主要类型有厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧折流板反应器（ABR）、厌氧颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）等。好氧反应器主要有接触氧化池、SBR反应器、氧化沟。曝气生物滤池等。鉴于本设计的水质水量特征，设计初步确定两个处理方案，并通过实验运行，评价其处理效果。
（1）方案一：UASB＋SBR组合工艺处理含油废水
UASB反应器和SBR反应器串连运行。升流式厌氧污泥床反应器是荷兰的Lettinga教授研究开发的一种高效厌氧生物处理反应器，其上部设置气、固、液三相分离器，下部为污泥悬浮层区和污泥床区，废水用泵连续或脉冲由反应器底部均匀进入污泥床区，与厌氧颗粒污泥充分接触反应，有机物被厌氧微生物分解成沼气。液体、气体与固体形成混合液流上升至装配式三相分离器，使三者很好地分离，颗粒污泥回流到污泥床内，沼气通过导管流入沼气柜，处理过的水由出水槽排走。反应过程约80％以上的有机物被转化为沼气，完成废水处理过程
序批式活性污泥法（简称为SBR工艺）是近年来引起国内外广泛重视、研究和应用日趋增多的好氧生化工艺之一。其工作核心是SBR反应池，该池集水质均化、初次沉淀、生物降解、二次沉淀等功能于一体，整个工艺简洁，运行操作可通过自动控制装置完成，管理简单，投资省。
SBR工艺的序批式包含两层含义：一是运行操作在空间上按序列、间歇的方式进行，由于污水大都是连续或半连续排放，处理系统中至少需要两个或多个反应器交替运行，因此，从总体上污水是按顺序依次进入每个反应器，而各反应器相互协调作为一个有机的整体完成污水净化功能，但对每一个反应器则是间歇进水和排水；二是每个反应器的运行操作分阶段、按时间顺序进行，典型的SBR工艺的一个完整的运行周期由五个阶段组成，即进水阶段、反应阶段、沉淀阶段、排水阶段和闲置阶段，从第一次进水开始到第二次进水开始称为一个工作周期。
进水阶段是反应池在短时间内接纳需要处理的污水，同时起到调节和均质的作用，此阶段可曝气或不曝气。反应阶段是停止进水后的生化反应过程，根据需要可在好氧和缺氧条件下进行，也可两种条件下交替进行，但一般以好氧为主。沉淀阶段停止曝气，进行泥水分离。经过一定时间的沉淀，进入排水阶段，利用排水装置将上清液排出反应池。排水结束到第二次进水的时间间隔为闲置阶段，这一阶段曝气或不曝气均可，此时通常不进水，而是通过内源呼吸作用使微生物的代谢速度和吸附能力得到恢复，为下一个周期创造良好的初始条件。在每一个运行周期内，各阶段的运行参数都可以根据污水水质和出水指标进行调整，并且可根据实际情况省去其中的某一阶段，还可以把反应期与进水期合并，或在进水阶段同时曝气等，系统的运行方式十分灵活。
（2）方案二：ABR＋SBR组合工艺处理含油废水。
厌氧挡板式反应器和SBR反应器串连运行。折流式厌氧反应器（Anaerobic Baffled Reactor）是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器。厌氧挡板式反应器内部垂直于水流方向设多块挡板来保持反应器内较高的污泥浓度以减少水力停留时间。挡板把反应器分为若干个上向流室和下向流室。上向流室比较宽，便于污泥聚集，下向流室比较窄，通往上向流的导板下部边缘处加 60°的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持较高的污泥浓度。当污水COD浓度高时，为避免出现挥发性有机酸浓度过高，减少缓冲剂的投加量和减少反应器前端形成的细菌胶质的生长，处理后的水进行回流，使进水COD稀释至大约5～10g/L，当污水COD浓度较低时，不需进行回流
虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB反应器的简单串联，但工艺上与单个UASB有显著不同。UASB可近似地看作是一种完全混合式反应器，而ABR则更接近于推流式工艺。与Lettinga提出的SMPA[1]工艺对比，可以发现ABR几乎完美地实现了该工艺的思路要点。首先，挡板构造在反应器内形成几个独立的反应室，在每个反应室内驯化培养出与该处的环境条件相适应的微生物群落。例如ABR用以处理葡萄糖为基质的废水时，第一格反应室经过一段时间的驯化，将形成以酸化菌为主的高效酸化反应区，葡萄糖在此转化为低级脂肪酸（VFA），而其后续反应室将先后完成各类VFA到甲烷的转化。通过热力学分析可知，细菌对丙酸和丁酸降解只有在环境H2分压较低的情况下才能进行[2]，而有机物酸化阶段是H2的主要来源，产甲烷阶段几乎不产生H2。与单个UASB中酸化和产甲烷过程融合进行不同，ABR反应器有独立分隔的酸化反应室，酸化过程产生的H2以产气形式先行排除，因此有利于后续产甲烷阶段中丙酸和丁酸的代谢过程在较低的H2分压环境下顺利进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各个反应室中的微生物相是随流程逐级递变的，递变的与底物降解过程协调一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。其次，同传统好氧工艺相比，厌氧反应器的一个不足之处是系统出水水质较差，通常需要经过后续处理才能达标排放。而ABR的推流式特性可确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。值得指出的是，ABR推流式特点也有其不利的一面，在同等的总负荷条件下与单级的UASB相比，ABR反应器的第一格不得不承受远大于平均负荷的局部负荷。以拥有五格反应室的ABR为例，其第一格的局部负荷为其系统平均负荷的5倍，如何降低局部负荷过载的不利影响还有待于深入探讨。
ABR的工艺特性与其水力特性紧密相关。对于ABR的水力学特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey和天津大学的郭静[3]研究表明：ABR反应器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低。反应死区可以分为生物死区和水力死区，生物死区来源于污泥所占的体积以及污泥对水力条件的改变；水力死区则可通过改善反应器构造设计而减小。在单个反应室内，水力特性接近于完全混合式，而从整体效果上看，则近似于推流式。由于ABR的水力特性较复杂，二者均未能就其流态提出一个较好的数学模型。其水力死区的借用了化学反应工程中反应器的流态模型，其合理性尚待进一步考证。
关于ABR的工艺特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人所做。ABR反应器运行时污泥床层（常为颗粒污泥）处于流化状态，废水中基质的降解和微生物代谢产物的排除均须经由颗粒污泥表面通过扩散作用完成。试验中ABR的负荷可高达36gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey[4]研究了ABR的启动特性，结果表明，固定进水基质浓度而逐步缩短HRT的启动方式优于固定HRT而逐渐增大进水基质浓度的启动方式。另外，ABR对水力负荷冲击响应迅速但恢复却快于浓度负荷冲击。在高水力负荷条件下，反应器内的短流现象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey[5]研究了以葡萄糖为基质的ABR在稳定状态和冲击负荷情况下的运行特性，系统分析了酸化过程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中间产物在不同运行状态下沿流程的分布积累状况。与其它反应器在冲击负荷条件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的受体。此外，无论是在水力或是在浓度负荷冲击下，ABR均表现出良好的稳定性能，因此有可能适用于废水处理。
根据涠州终端处理厂污水平流式厌氧处理实验报告，UASB+SBR联合处理含油废水实验结果，ABR+SBR联合处理实验结果
对比UASB+SBR组合工艺、ABR+SBR组合工艺处理含油废水实验结果，从工艺的运行管理，处理效果、耐冲击负荷等方面对两个方案进行比较。比选方案的主要区别在厌氧处理反应器的选择上，两种不同厌氧反应器比较如下：
①构筑物结构：UASB池体结构较复杂，其三相分离器对设计要求较高，且单反应器存在明显的床体水流沟流的现象；ABR反应器采用多格室结构代替单室反应器结构，无专用的气固液分离系统，结构简单。
②反应启动时间：UASB污泥驯化期40天以上，不宜间歇运行，污泥床破坏后重新启动困难；ABR污泥驯化期在20天左右，各隔室的微生物随流程逐级递变，可间歇运行。
②设计、运行管理：UASB的三相分离器对设计和运行的要求较高，处理低浓度污水时，有机物浓度低，产气量少，污泥间无良好的间隙性，有机物和污泥的传质作用较差，处理效率受到一定限制，且为使UASB布水均匀，反应需设搅拌器使泥水充分接触，这在实际工程中较难控制。ABR不需要专门的布水系统，也不需要设置专用三相分离器，其运行管理简单。
④成本及运行费用：根据有关资料显示，在处理相同负荷的有机废水，UASB与ABR相比，一次性成本和常年运行费用均较高。
综合以上分析研究成果及现场试验，虽然实验结果说明UASB+SBR组合工艺、ABR+SBR组合工艺都能有效地处理本设计含油废水，但厌氧段宜采用处理原理和效果相似，且运行管理方便的ABR反应器。最后确定了处理的最佳方案为：原水→调节池→厌氧生化→好氧生化→沉淀（过滤）→出水。其中，反应体系中，厌氧生化处理采用了平流式厌氧处理法。
3 污水生化处理系统工艺原理
根据涠州终端处理厂污水处理小试、中试报告，污水通过采用化学混凝法处理、好氧处理、厌氧+好氧组合工艺对比实验确定污水处理以生物处理技术为主体，采用“厌氧+好氧＋过滤”工艺，污水首先进入厌氧池进行厌氧处理，厌氧池设计采用“折流板式厌氧反应器”（ABR），该反应器的设计水力停留时间为36小时，原污水利用厌氧微生物（主要是厌氧菌）将废水中的可溶性的高分子有机物和不溶性有机物降解为低分子的有机酸、醇及二氧化碳、氨、硫化氢等气体，并放出细菌生长、活动所需的能量。污水中的有机物得到降解的同时废水的可生化性得到改善，COD去除率为20%～30%。厌氧出水再泵入“序批式生物反应器”（SBR）内进行好氧生化处理，SBR设计的运行周期为12h（进水1h，曝气8h，沉淀2h，排水1h）。剩余污泥进入浓缩池浓缩处理后经过脱水处理后将泥饼外运填埋处理。SBR处理出水通过滗水装置排入过滤池，经过滤池的滤料层后截留了SBR池出水中可能残留的悬浮颗粒。过滤池处理后出水经储水池后达标排放
（1） 本工艺采用生化（ABR+SBR）组合工艺对污水进行处理。污水进入厌氧池进行厌氧处理，再泵入SBR池内好氧生化处理，污泥回流至厌氧反应池，多余污泥进入浓缩池浓缩处理后经过脱水处理后将泥饼外运填埋处理。处理后出水经贮水池后达标排放。
（2）工艺采用了处理技术工艺成熟，所设各构筑物的功能明确，组合合理，处理过程中运行稳定，操作简单，便于管理，通过各构筑物的综合处理，相关指标可达到国家污水综合排放的一级标准。
（3）SBR反应池特点：SBR反应池设置多个反应池，其运行操作在空间上按序列、间歇的方式进行，污水采用连续处理排放；反应池运行灵活，在一个运行周期内，各阶段的运行参数都可以根据污水水质和出水指标进行调整。
（4）ABR反应池特点：采用多格室结构代替单室反应器结构，无专用的气固液分离系统，结构简单；不需要专门的布水系统，也不需要设置专用三相分离器，其运行管理简单；反应启动时间，ABR污泥驯化期在50天左右，各隔室的微生物随流程逐级递变，可间歇运行。
（5）成本及运行费用：根据有关资料显示，在处理相同负荷的含油有机废水，SBR＋ABR工艺，一次性成本和常年运行费用均较低。
4 污水处理效果分析
涠洲终端污水处理项目于2005年8月1日正式开工建造，2006年4月28日全面竣工投用，采用的“厌氧 + 好氧 ＋ 过滤” 处理含油污水工艺，是集各成熟、高效处理单元的合理组合，经过三年时间的运行证明，本污水处理流程耐冲击负荷、操作简便、运行稳定。同旧的污水处理装置相比较，污水处理量满足了现场的实际需要，节约了大量的电力资源、减轻了操作难度、减少了大量的设备维修和维修成本。经当地环境监测站的多次监测结果表明，经过生化处理后的污水水质达到设计排放标准，符合国家一级排放标准的指标要求。
:
[1]Grobicki A,Stuckey D C.Hydrodynamic Characteristics of the Anaerobic Baffled Reactor.1991.
[2]Perter N Hobson,Andrew D Wheatley.Anaerobic Digestion—Modern Theory and Practice.1994.
[3]郭静，李清雪，马华年等.ABR反应器的性能及水力特性研究?给水排水，1997.
[4]William P Barber,David C Stuckey.Startup strategies for anaerobic baffled reactors treating a synthetic sucrose feed.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997
5 Grobicki A,Stuckey D C.Performance of the anaerobic baffled reactor under steady-state and shock loading conditions.Biotech and Bioeng,1991.
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