船舶污水一体式处理系统的研究

蔡 军，陈 勇

(陆军军事交通学院镇江校区，江苏 镇江 212003)

0 引 言

船舶污水主要指船舶油污水和生活污水，船舶污水必须经过处理达标后方可排放，其处理方式为在船舶设置油水分离器和生活污水处理装置，在处理方法上，前者为物化处理，后者为生化处理。船舶污水采用2套独立系统进行处理，设备及运行成本较高，船员的维护管理工作量大；近年来，用生物方法处理船舶油污水或混合船舶污水（油污水+生活污水）越来越引起广大科研工作者的关注[1–3]。基于此，本文提出用一体式处理系统处理船舶污水，即将高浓度的油污水经物理化学方法预处理，使其油份浓度降低后，再进入生物处理装置，与生活污水一同混合处理。船舶污水一体式处理，一方面减少了设备数量，降低了成本，减轻了船员工作量；另一方面生活污水的加入，提高了油污水的B/C，补充了营养元素，改善了油污水的生化性能，采用经济节能的生物法处理船舶污水，有利于提高污水处理的效益。

1 材料与方法

1.1 实验装置

目前船舶污水的生物处理装置主要采用活性污泥法和生物接触氧化法，曝气生物滤池的使用并不多见，而在城市生活污水、含油工业废水等处理方面，采用曝气生物滤池处理的实例、研究较多，且取得较好的处理效果[4–9]，故实验装置采用陶粒曝气生物滤池（CBAF），如图1所示，其直径70 mm，高300 mm，有效容积0.6 L，管1#作为反冲洗进水管、排水管、放空管，管2#作为反冲洗出水管，顶部进水，底部曝气；填料为约40目的陶粒，装柱高90 mm。陶粒空隙率高，表面积较大，化学性能稳定，吸附效果好，能够适应各类复杂的水体，去除石油类物质的效率高，并且再生方便，有资料显示陶粒曝气生物滤池除油效率可达90%以上[10]。CBAF置于恒温培养箱内，并用气体流量计控制曝气量，用温度计、pH计适时检测温度、pH值，装置间歇运行。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental equipment

1.2 进水水质及反应条件

进水为城市生活污水，用柴油、葡萄糖调节油份浓度使 C油=50～88 mg/L， COD=701.65～1 000 mg/L。系统的反应条件（曝气量Q，pH，温度T等）对污水的处理效果有较大的影响，在前期条件实验中，采用曝气生物滤池处理模拟船舶生活污水，在Q=0.4 L/min，pH=8.5，T=30℃，HRT=90 min，进水COD=792.57 mg/L，NH3-N=58.94 mg/L，出水COD=34.53 mg/L，HN3-N=16.37 mg/L，两者去除率近乎最佳，分别为95.64%和72.23%。基于该研究，CBAF运行条件设为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；油份浓度C油：采用紫外分光光度法。

1.4 曝气生物滤池的驯化培养

将上述处理模拟船舶生活污水的CBAF中，加入浓度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℃条件下，每24 h沉淀后排出上清液，重新补充上述污水。3 d后，进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的条件下，间歇运行10个周期后，两者去除率达85%和80%以上，至此认为对混合污水的驯化工作完成[11–12]。继续运行数个周期，开展实验。

2 结果与讨论

2.1 HRT的确定

进水COD=701.65 mg/L，C油=63.70 mg/L， Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，间歇取样分析。由图2可见，反应初始（0～30 min），由于较高的底物浓度和陶粒较强的吸附性，油份浓度迅速下降，表现为较高的去除速率；随着反应进行（30～120 min），出水油份浓度下降较为缓慢，与时间近呈线性关系（见拟合曲线），其主要原因为此阶段陶粒对油份吸附与污油的生物降解两者趋于动态平衡，故去除速率近为恒定，约为0.112 mg/min（拟合曲线斜率）；根据拟合曲线（C油=–0.112t+17.46），反应时间t=156 min时，油份可完全降解，理论浓度趋于0。综合考虑油污水的达标排放、处理成本以及进水油份浓度的波动，确定CBAF的HRT=90 min。

图2 滤池中油份浓度的变化曲线Fig.2 Change curve of oil in CBAF

2.2 底物油份浓度对出水的影响及两者的相关性

进水COD=701.65 mg/L，C油=55.85 mg/L，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min，调节油份浓度，探讨进水底物浓度对油份去除的影响。由图3可见，出水油份浓度随着进水底物浓度的增加，其变化趋势分2个阶段。第1阶段，当进水底物浓度在55.85～72.62 mg/L时，出水油份浓度C油＜10 mg/L（去除率≥87.66 mg/L），近呈线性关系，即线性变化阶段；第2阶段，当进水底物浓度达88.21 mg/L时，出水油份浓度急剧增大，达44.51 mg/L（去除率仅为49.54%），即超限突变阶段。

图3 底物浓度对出水油份的影响Fig.3 Effect of substration concentration on oil of effluent

由此可知，为保证油份浓度的达标排放，该CBAF具有最大进水油份浓度，另一方面CBAF本身也有最大耐受浓度。关于生物膜处理装置中进出水底物浓度的相关性，刘雨提出S0-Se模型[13]：

式中：S0为进水油份浓度，mg/L；Se为出水油份浓度，mg/L；So,c为临界进水油份浓度，即理论最大进水油份浓度，mg/L；Sen为污水中非生物降解的油份浓度，mg/L，由实验证明，当反应时间足够长时，出水油份浓度趋于0（见图2拟合曲线），故Sen=0；K为浓度系数。将式（1）两边取倒数，得

用该模型拟合1/S0-1/Se关系如图4所示，其中K=2.09，So,c=90.07 mg/L。

图4 S0-Se关系曲线Fig.4 Relationship between S0 and Se

当进水油份浓度过高，负荷大于污油去除能力，如果增加单位进水油份浓度就会引起出水水质变化，故式（2）的稳定性可以用边界条件来满足：

此时的进水油份浓度S0被称为实际临界进水油份浓度（即CBAF实际所能承受的最大进水油份浓度），由此得：

将所得的K=2.09，So,c=90.07 mg/L代入式（4），得：该装置实际所能承受的最大进水油份浓度=76.35 mg/L。这可以解释图3中现象：当进水油份浓度较小（S0＜76.35 mg/L），去除率较为平缓；当进水油份浓度超过临界值（S0＞76.35 mg/L），去除率突降。由此可见，该CBAF的最大耐受进水油份浓度约为76.35 mg/L，另一方面，当进水油份浓度为76.35 mg/L时，根据图3中的拟合曲线（C出油=0.340 4C进油-15.795），反应90 min，出水油份浓度约为10.19 mg/L，实现油污水达标排放。

2.3 对比实验

为了验证生活污水的存在对油污水处理的促进作用，设置了对比实验，即向CBAF中分别进油污水和混合污水（生活污水+油污水），在Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min的情况下，结果见表1。生活污水对油污水的处理具有较好的促进作用，提高了油污水的生化性能，且能保证COD达标排放。由此可见，与现有船舶污水处理系统相比，一体式污水处理系统具有明显优势。

表1 油污水和混合污水处理对比实验Tab.1 Contrast experiment of oily sewage treatment and mixed sewage treatment

3 一体式污水处理系统构建

基于上述实验成果，结合船舶油污水和生活污水的特性和排放要求，构建一体污水处理系统如图5所示。该系统由油污水预处理系统、生物处理系统、末端处理系统组成。

3.1 油污水预处理系统

油污水预处理系统主要由油污水预处理装置、油污水浓度检测装置，阀件（电磁阀VS1，VS2，见图5）组成。预处理装置对油污水进行预处理，使其低于后继生物处理最大进水油份浓度，从船舶油污水处理装置的使用现状看，其预处理方法主要采用重力分离、聚结分离、过滤分离等，或采用2种以上方法的组合形式[14–16]；检测装置在线检测预处理出水的油份浓度，当出水油份浓度高于调定值（视油污水和生活污水的比例而定）时，启动报警装置，并关闭电磁阀VS2，开启电磁阀VS1实现污水回流再处理，反之开启电磁阀VS1，关闭电磁阀VS2进入下一级处理。

图5 一体式污水处理系统流程图Fig.5 Process of integrated sewage treatment system

3.2 生物处理系统

生物处理系统主要实现油污水和生活污水的生物处理，由一体式污水处理装置和精处理装置组成。

1）一体式污水处理装置，采用CBAF，在油份浓度低于允许值76.35 mg/L的情况下，Q=0.4 L/min，T=30℃，pH=8.5，HRT=90 min时实现污油份和有机物的高效处理。有机物的去除，避免了其对后继硝化反应的抑制，为生物脱氮创造了条件。

2）2012年10月IMO MEPC 64次会议上通过了MEPC 227（64）决议，该决议对船舶生活污水中的排放提出了明确的要求，精处理装置主要实现N、P的处理，以及进一步对油份处理，保证油份的达标排放，甚至零排放。精处理装置可采用目前船舶生活污水处理较为经典的生物接触氧化法，也可采用曝气生物滤池，其填料可选择对N，P有一定吸附能力的沸石或陶粒等。从生物脱氮处理的基本原理出发，其运行方式可采用好氧-厌氧-好氧间歇模式[17–18]。好氧过程主要实现氮的硝化；厌氧过程主要实现磷的释放和硝化产物的反硝化，该过程需要外碳源的加入，一方面反硝化细菌是异样菌，需要碳源，另一方面富足的碳源，有利于聚磷菌释放磷酸盐，从经济角度出发，将一部分生活污水中引入精处理装置中，利用生活污水中的有机物作为外加碳源；再次好氧过程主要实现磷和反硝化过剩有机物的去除。

3.3 末端处理系统

末端处理系统主要由膜分离装置和消毒装置组成，膜分离装置实现污水的泥水分离；消毒装置保证系统中大肠菌群的达标排放。

4 结 语

本文构建了以CBAF为主体的一体式船舶污水处理系统，并用CBAF处理模拟船舶污水（油污水经预处理），研究表明：

1）船舶污水一体式生物处理具有可行性，当进水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，两者去除率高达93.89%和90.04%。

2）该CBAF对油份的耐受浓度约为76.35 mg/L，在此浓度内，能保证油份浓度的达标排放。

3）在实验基础上构建了一体式污水处理系统，从理论上阐述了该系统的合理性，为后期实际船舶污水运行得中试实验、运行参数研究，以及船舶污水处理系统的改进、开发提供理论依据。