UASBSMBR工艺处理某油田含油废水的可行性研究

第３４卷第５期２０１４年５月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３４，Ｎｏ．５Ｍａｙ，２０１４基金项目：环境保护部环境公益项目（Ｎｏ．２０１３０９０６３）；中央高校基本科研业务费专项资金（Ｎｏ．２０１４ＭＳ８１）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｕｂｌｉｃＷｅｌｆａｒｅＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．２０１３０９０６３）ａｎｄｔｈｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｓｆｏｒｔｈｅＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ（Ｎｏ．２０１４ＭＳ８１）作者简介：李薇（１９７４—），女，副教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＬＩＷｅｉ（１９７４—），ｆｅｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０１９３李薇，潘力军，刘锋平，等．２０１４．ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ工艺处理某油田含油废水的可行性研究［Ｊ］．环境科学学报，３４（５）：１２４２⁃１２４８ＬｉＷ，ＰａｎＬＪ，ＬｉｕＦＰ，ｅｔａｌ．２０１４．ＴｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｏｆＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｏｉｌｆｉｅｌｄ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３４（５）：１２４２⁃１２４８ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ工艺处理某油田含油废水的可行性研究李薇１，潘力军２，刘锋平２，∗，刘磊１，徐毅３１．华北电力大学区域能源系统优化教育部重点实验室，北京１０２２０６２．中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，北京１０００２１３．环境保护部环境规划院，北京１０００１２收稿日期：２０１３⁃０８⁃２７　　　修回日期：２０１３⁃１１⁃２４　　　录用日期：２０１３⁃１２⁃０５摘要：通过考察某油田含油废水中ＣＯＤ、石油类污染物、悬浮物、氨氮以及挥发酚等污染物的浓度变化，评估了ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ组合工艺处理油田含油废水的可行性以及聚四氟乙烯膜的抗油污性能．实验结果表明该工艺对含油废水中ＣＯＤ、石油类污染物、悬浮物、氨氮以及挥发酚等各类污染物质的平均去除率均在９６％以上，工艺出水水质满足国家污水综合排放标准．膜污染的加重使得膜透水率逐渐降低，但在化学清洗之后透水率恢复到９５％以上．关键词：含油废水；膜生物反应器；聚四氟乙烯；膜污染文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１４）０５⁃１２４２⁃０７　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＴｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｏｆＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｆｒｏｍｏｉｌｆｉｅｌｄ　ＬＩＷｅｉ１，ＰＡＮＬｉｊｕｎ２，ＬＩＵＦｅｎｇｐｉｎｇ２，∗，ＬＩＵＬｅｉ１，ＸＵＹｉ３１．ＭＯＥＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｇｉｏｎａｌＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｙｓｔｅｍｓＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＨｅａｌｔｈａｎｄＲｅｌａｔｅｄＰｒｏｄｕｃｔＳａｆｅｔｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＣｅｎｔｅｒｆｏｒＤｉｓｅａｓｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２１３．ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｆｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｌａｎｎｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２７Ａｕｇｕｓｔ２０１３；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２４Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１３；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ５Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１３Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｂｉｎｉｎｇＵＡＳＢａｎｄＳＭＢＲｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｏｐｅｒａｔｅｄｆｏｒｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｒｏｍｏｎｅｏｉｌｆｉｅｌｄ．ＢｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＣＯＤ，ｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｏｌｌｕｔａｎｔ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄ，ＮＨ３⁃Ｎａｎｄｖｏｌａｔｉｌｅｐｈｅｎｏｌ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．ＳｐｅｃｉａｌａｔｔｅｎｔｉｏｎｗａｓｐａｉｄｏｎｏｂｓｅｒｖｉｎｇｔｈｅｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＴＦＥｍｅｍｂｒａｎｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆＣＯＤ，ｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｏｌｌｕｔａｎｔ，ＳＳ，ＮＨ３⁃Ｎａｎｄｖｏｌａｔｉｌｅｐｈｅｎｏｌｗｅｒｅａｌｌａｂｏｖｅ９６％，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｅｗａｇｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔａｎｄａｒｄ．Ｍｅｍｂｒａｎｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｔｅｎｄｅｄｔｏｄｒｏｐｏｆｆａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇ，ｂｕｔｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｕｌｄｂｅｒｅｓｔｏｒｅｄａｂｏｖｅ９５％ａｆｔｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｃｌｅａｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒ；ＭＢＲ；ＰＴＦＥ；ｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）工业化发展程度的不断提高使得油品的使用量越来越大，产生的含油废水也越来越多．大量的含油废水被直接排放到环境中，不仅会浪费有限的水资源，还会造成严重的水污染问题（肖文胜等，２００５；黄霞等，２００８），因此对含油废水的处理势在必行．含油废水中的漂浮油和溶解油一般可以通过隔油、气浮等工艺除去，但是以乳化态存在的乳化油，油滴粒径分布从数微米至数毫米，体系比较稳定，很难将其去除（马自俊，２００６；ＪｕｄｄａｎｄＪｕｄｄ，２００６）．传统工艺已经不能满足本行业快速发展的需５期李薇等：ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ工艺处理某油田含油废水的可行性研究求．而膜生物反应器具有固液分离效率高、占地少、运行费用低、管理方便、出水水质好等优点（ＨｕａｎｄＳｃｏｔｔ，２００７；岳峻等，２００９；陈斌等，２０１１；Ｐｅｎｄａｓｈｔｅｈｅｔａｌ．，２０１１），在污水处理领域已经得到了广泛的应用，但膜污染问题始终制约着膜生物反应器的进一步推广，尤其是对有机废水的处理（肖丙雁等，２００７；ＤｈａｏｕａｄｉａｎｄＭａｒｒｏｔ，２００８；ＰｅｎｇａｎｄＴｒｅｍｂｌａｙ，２００８）．由日本住友电工生产的聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）中空纤维膜（Ｓｏｌｔａｎｉｅｔａｌ．，２００７；Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１０；杨奇等，２０１２）膜表面经过特殊的化学键技术亲水改性，具有高通量、抗污染等优点，本研究就是利用这种膜与好氧生物反应器构成的浸没式膜生物反应器来处理含油废水，通过考察含油废水中ＣＯＤ、石油类污染物、氨氮、挥发酚、浊度等污染物质的去除效率来评估膜生物反应器处理含油废水的可行性，同时分析膜的抗油污性能．考虑到含油废水的可生化性差，来水水质不稳定的特点，本研究采用厌氧消化过程作为好氧生物反应的预处理（黄琳琳等，２００９）．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验用水含油废水中主要含有大量的油类、挥发酚、氨氮、悬浮物等污染物质（肖文胜等，２００５；马自俊，２００６）．本实验是在分析某油田含油废水的基础上，采用实验室人工模拟的乳化含油废水．实验室中模拟含油废水的合成步骤为：首先量取一定量的柴油倒入盛有自来水的三角瓶（５００ｍＬ）中，加入十二烷基硫酸钠作为乳化剂，在六联电动搅拌器上以３０００ｒ·ｍｉｎ－１的转速持续搅拌３６ｈ；接着再称取适量的葡萄糖、ＮＨ４Ｃｌ，ＫＨ２ＰＯ４，ＣａＣｌ２，ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ，（ＮＨ４）２Ｆｅ（ＳＯ４）２，ＭｎＳＯ４·Ｈ２Ｏ等营养物质和无机盐，保持碳氮磷之比约为１００∶５∶１，将之溶解，配制成溶液．然后添加一定量的硅藻土和苯酚分别构成模拟废水的浊度和挥发酚，再将这些溶液倒入配水桶（２００Ｌ）中，在潜水搅拌泵的作用下使之充分混合．最后用ＮａＯＨ和ＨＣｌ溶液调节混合液的ｐＨ至７􀆰０左右．模拟废水水质如表１所示．表１　乳化含油废水的水质情况Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｙｎｔｈｅｔｉｃｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒ水质指标ＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＢＯＤ５／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ３⁃Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）挥发酚／（ｍｇ·Ｌ－１）石油类污染物／（ｍｇ·Ｌ－１）浊度／ＮＴＵｐＨ范围３４１．３～９１４．８１５．９２～３３６．９９１４．５～４６．５７２．８～１４８．０８３．９～３３３．８８６．７～２６７６．２１～９．０３均值５９６．３４１０４．３４３４．４８１３５．４２０１．９４１６４７．５２２．２　实验用品本研究使用的中空纤维膜丝是由日本住友电气工业株式会社生产并提供，膜丝的材质为聚四氟乙烯，内外径分别为１．３ｍｍ和２．３ｍｍ，膜的公称孔径为０．１～０．２μｍ，开孔率在７５％～８５％．实验用的膜组件是在实验室自行加工而成，有效过滤面积为０．２ｍ２，外压式过滤．实验中所使用的药品均是分析纯级的，其中葡萄糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６·Ｈ２Ｏ）、氢氧化钠（ＮａＯＨ）购自北京化工厂；苯酚（Ｃ６Ｈ６Ｏ）、氯化铵（ＮＨ４Ｃｌ）、磷酸二氢钾（ＫＨ２ＰＯ４）、硫酸镁（ＭｇＳＯ４·７Ｈ２０）、十二烷基苯磺酸钠（Ｃ１８Ｈ２９ＮａＯ３Ｓ）、柠檬酸（Ｃ６Ｈ８Ｏ７·Ｈ２Ｏ）均购自国药集团化学试剂公司；硫酸锰（ＭｎＳＯ４·Ｈ２０）、次氯酸钠（ＮａＣｌＯ）购自西陇化工股份有限公司．另外，硅藻土、柴油（０＃）、硫酸亚铁铵（（ＮＨ４）２Ｆｅ（ＳＯ４）２·６Ｈ２Ｏ）、无水氯化钙（ＣａＣｌ２）分别购自北京创清源、中国石化、天津化工、浙江城南等．２．３　装置图及操作过程本研究采用的ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ工艺如图１所示．全过程分为配制废水、厌氧消化、好氧生物降解、膜过滤和渗透出水５个阶段．乳化含油废水在配水桶中搅拌均匀之后由蠕动泵送入厌氧消化阶段，厌氧消化采用升流式厌氧污泥床（ＵＡＳＢ）（颜智勇和胡勇有，２００７；Ｃｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１１），在水解和酸化菌作用下水中的固体、大分子和不易生物降解的有机物被降解为易于生物处理的小分子有机物，提高废水的可生化性．ＵＡＳＢ的上清液流入好氧生物反应器中，好氧阶段（赵颖等，２００８）进行微孔曝气，同时控制温度、溶解氧、氧化还原电位等参数；大部分的污染物被微生物降解利用．膜生物反应器采用浸没式，膜组件下方曝气造成水流的紊动，不断切向冲刷膜表面，从而使污染物质不易在膜表面沉积，保持较高的通量．最后在隔膜计量泵的负压抽吸作用下，渗透液透过膜流入清水池．实验运行条件如表２所示．３４２１环　　境　　科　　学　　学　　报３４卷图１　ＵＡＳＢ⁃ＳＭＢＲ工艺实验装置图（１．潜水搅拌器（Ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｍｉｘｅｒ）；２．进料箱（Ｆｅｅｄｉｎｇｔａｎｋ）；３．进料泵（Ｆｅｅｄｉｎｇｐｕｍｐ）；４．ＵＡＳＢ反应器（ＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ）；５．温度控制仪（Ｔｅｍｐｅｒｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）；６．电加热带（Ｅｌｅｃｔｒｉｃｈｅａｔｅｄｂａｎｄ）；７．缓冲罐（Ｂｕｆｆｅｒｔａｎｋ）；８．膜生物反应器（Ｍｅｎｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）；９．空气压缩机（Ａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）；１０．气体流量计（Ｇａｓｆｌｏｗｍｅｔｅｒ）；１１．微孔曝气管（Ｍｉｃｒｏ⁃ｐｏｒｏｕｓａｅｒａｔｏｒ）；１２．膜组件（Ｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅ）；１３．电热棒（