生態塘深度處理石化廢水尾水的效果及影響因素

蔣 彬，王新剛，張 超，楊 威

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074； 2.江蘇科技大學生物與環境工程學院；3.中國石化石油化工科學研究院)

生態塘深度處理石化廢水尾水的效果及影響因素

蔣 彬1，王新剛2，張 超3，楊 威1

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074； 2.江蘇科技大學生物與環境工程學院；3.中國石化石油化工科學研究院)

采用由兼氧塘、好氧塘和水生植物塘串聯而成的生態塘系統處理石化廢水尾水，在中型試驗裝置上考察其處理效果及影響因素。結果表明：經處理后，污水的COD降低率為25%～50%，系統出水的COD穩定在40～50 mgL范圍內，達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準中對COD的要求，但石油類物質濃度指標略微超標；溫度是影響生態塘系統處理效果的主要因素，凈水效果呈季節性變化，溫度較高時處理效果較好，其對總氮(TN)去除的影響大于COD和總磷(TP)；光照對COD降低率、TP和TN去除率的影響較為相似，最高去除率均出現在16：00左右，夜間三者均出現一定程度的下降。

生態塘 兼氧塘 好氧塘 石化廢水 尾水

水資源的短缺使工業廢水深度處理及回用日益受到重視。作為用水大戶的石化企業，廢水產生量大，水質成分復雜，即使在經過生化二級處理后，廢水尾水仍可能會造成污染[1]。為有效節約水資源，減少石化企業廢水排放量，有必要對石化廢水尾水進行深度處理。尾水處理技術可采用臭氧-曝氣生物濾池、微波-顆粒活性炭等組合工藝[2-3]，但這些工藝能耗相對較高。而采用生態塘系統對石化廢水尾水進行深度處理，是一種低運行成本技術，符合節能減排的要求。因此，本課題采用生態塘系統深度處理石化廢水尾水，在中型試驗裝置上考察其處理效果及影響因素。

1 實 驗

生態塘中型試驗采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘3級串聯處理工藝，裝置設置于南京某大型石化企業內，處理能力為150 m3d。該地區屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均溫度15.4 ℃。兼氧塘、好氧塘、水生植物塘池容分別為160，60，80 m3，總池容為300 m3；水深分別為1.6，1.2，0.8 m。兼氧塘設置水流推流器和人工介質；好氧塘中設置水流推流器和潛水曝氣機，其開啟視好氧塘內溶解氧(DO)濃度變化而定；水生植物塘分為浮床區、蘆葦區、沉水區。好氧塘和水生植物塘均采用生態混凝土護坡，孔隙率約為47%，護坡孔隙中種植美人蕉和菖蒲；水生植物塘底種植蘆葦等水生植物。

試驗用水為該石化企業二級生化處理后的尾水，污水在系統內的平均水力停留時間(HRT)為2 d，進水水質為：COD 56～90 mgL，石油類物質濃度1.3～1.9 mgL，總氮(TN)濃度9～16 mgL，氨氮濃度1.7～3.5 mgL，總磷(TP)濃度0.6～1.3 mgL。兼氧塘和好氧塘中的水流推流器間歇開啟；好氧塘中的曝氣機在DO濃度低于2 mgL時開啟。

COD、石油類物質濃度、TN濃度、TP濃度等水質指標的分析方法參照《水和廢水監測分析方法》[4]。

2 結果與分析

2.1 水質凈化效果

2.1.1 COD降低效果 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三級串聯系統深度處理石化廢水尾水時，系統出水的COD穩定在40～50 mg/L范圍內，達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準中對COD的要求，生態塘系統的COD月平均降低率如圖1所示。由圖1可知：從總的趨勢來看，污水經生態塘系統處理后COD降低率隨季節變化比較明顯，高溫季節的COD降低率較高，而低溫季節則較低，其變化范圍為25%～50%；1月的氣溫最低，植物生長受到較大影響，污水的COD降低率最低，為25%；7月至10月溫度較高，進水的COD波動較小，生態塘保持較高的COD降低率，均在40%以上，這與Ghrabi 和Mandi等取得的生態塘45%～58%的COD降低率結果相近[5-6]；6月的平均氣溫高于2月至5月，但COD降低率只有29%，低于2月至5月的平均COD降低率，這是由于6月進水的COD較低(平均為67 mg/L)，雖然出水的COD低于50 mg/L，但根據反應動力學，由于生態塘系統的處理能力所限，不能進一步降低COD，故在進水COD較低時COD降低率處于低值；而11月雖然氣溫有所下降，但由于進水的COD最高(平均值約為90 mg/L)，生態塘的平均COD降低率最高，為50%，這從另一方面佐證了前述分析結果。

生態塘不同處理單元的全年平均COD降低情況如圖2所示。由圖2可知：各處理單元對COD降低的效果不同，在進水COD平均值為71.2 mg/L情況下，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的出水COD平均值分別為59.6，50.5，45.3 mg/L，其COD降低貢獻率(以進水的COD平均值為基準)分別為16.3%，12.8%，7.3%，兼氧塘對COD的降低貢獻率最高，其次是好氧塘；而單就某一處理單元來說，兼氧塘、好氧塘、水生植物塘的COD降低率(以前一單元出水的COD平均值為基準)分別為16.3%，15.3%，10.3%，仍然是兼氧塘最高。

圖2 生態塘不同單元的全年平均COD降低效果◆—COD； ■—COD降低貢獻率

兼氧塘降COD的作用主要依靠微生物降解和懸浮有機物的沉降來實現。由于生態塘進水為石化企業二級生化出水，其中仍含有部分在好氧處理過程中難以被降解的有機物，在兼氧塘內COD濃度存在梯度變化，在較長水力停留時間下有利于兼氧菌對其進行水解酸化等降解過程。好氧塘進水的COD較低，水力停留時間較短，其COD降低率低于兼氧塘。水生植物塘對COD降低的效果較差，水生植物的代謝產物會影響COD的降低效率。水生植物塘中浮床區和蘆葦區的COD降低貢獻率分別為3.1%和2.9%，略高于沉水區的COD降低貢獻率(1.3%)。試驗中發現，當進水COD濃度低于60 mg/L時，系統出水COD濃度始終在40 mg/L以上，且保持相對穩定，說明采用此工藝對石化廢水尾水進行深度處理時，其能力存在某個限值。基于以上分析，在實際工程中，可以通過強化兼氧塘處理等措施來提高生態塘的處理效果。

圖3 生態塘不同單元的石油類物質全年平均去除效果■—石油類物質濃度； ■—石油類物質去除貢獻率

2.1.2 石油類物質去除效果 生態塘系統對石油類物質的去除效果如圖3所示。由圖3可知：生態塘進水的石油類物質濃度為1.3～1.9 mg/L，全年平均濃度為1.62 mg/L，出水平均濃度為1.1 mg/L，略高于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中規定的一級A標準值(1 mg/L)，全年平均去除率為32.1%；兼氧塘、好氧塘、水生植物塘出水中石油類物質年平均濃度分別為1.4，1.24，1.1 mg/L，其去除貢獻率分別為13.6%，9.9%，8.6%，其中兼氧塘對石油類物質的去除效果略好，后兩者對石油類去除效果的差異不顯著，其原因可能是石油類在兼氧塘內被人工介質吸附，在附著的兼氧微生物作用下緩慢降解。

2.2 影響因素分析

2.2.1 溫 度 試驗期間生態塘系統進出水的溫度與平均氣溫的變化如圖4所示。由圖4可知：全年氣溫變化范圍為0～32 ℃，其中12月、1月及2月氣溫較低，最低接近0 ℃，而6月至9月氣溫較高；系統進出水溫度明顯高于氣溫，即使在冬季最冷月份其溫度仍然接近20 ℃，為保證生態塘處理效果提供了條件。由于進水溫度較高，塘內水溫隨季節變化趨勢較氣溫變化平緩，延長了塘內水生植物的生長時段，使得生態塘在低溫時仍能保持一定的處理效果。

圖4 試驗期間的氣溫與水溫變化▲—氣溫； ■—進水溫度； ◆—兼氧塘出水溫度； —好氧塘出水溫度； ●—出水溫度

高溫季節(6月至9月)和低溫寒冷季節(12月至次年2月)生態塘不同單元的處理效果對比如圖5～圖7所示。

圖5 高、低溫季節生態塘不同單元的COD降低效果■—低溫時COD； ■—高溫時COD； ■—高溫時COD降低貢獻率； —低溫時COD降低貢獻率

圖6 高、低溫季節生態塘不同單元的TP去除效果■—低溫時TP濃度； ■—高溫時TP濃度； ■—高溫時TP去除貢獻率； —低溫時TP去除貢獻率

圖7 高、低溫季節生態塘不同單元的TN去除效果■—低溫時TN濃度； ■—高溫時TN濃度； ■—高溫時TN去除貢獻率； —低溫時TN去除貢獻率

由圖5可知：高溫季節進水的COD與低溫季節相差不大，但各單元出水的COD低于低溫季節，高溫季節COD平均降低率為41%，而低溫季節下降為29%；溫度對兼氧塘、好氧塘和水生植物塘的COD降低效果均有影響，尤其是水生植物塘，其COD降低貢獻率由高溫季節的11%下降至低溫季節的5%左右。

該企業在11月后調整了運行情況，使生態塘系統進水的TP濃度較高溫季節明顯下降，而由于進水TP中顆粒磷所占的比例有所升高，在兼氧塘內通過沉降方式去除，使兼氧塘中TP的去除率變化較小。由圖6可知：TP的去除大部分是在兼氧塘中完成，好氧塘和水生植物塘的TP去除貢獻率下降較為明顯；低溫對微生物活性及植物生長產生了明顯影響，高、低溫季節生態塘系統出水的TP去除率分別為39%和29%。

由圖7可知：溫度對TN的去除影響明顯，在高溫季節，兼氧塘和水生植物塘是TN去除的主要單元，兼氧塘通過反硝化作用和塘內植物吸收作用進行脫氮，水生植物塘則主要依靠水生植物的吸收作用進行脫氮；在低溫季節，生態塘系統的TN去除率明顯下降，僅為22%，約為高溫季節TN去除率的一半，兼氧塘內溫度稍高，依然保持一定的反硝化作用，TN去除率下降幅度較小，而好氧塘和水生植物塘內溫度較低，水生植物收割后，TN去除率下降明顯，水生植物塘高、低溫季節的TN去除貢獻率分別為13%和6%左右。

溫度對石油類物質的去除效果也有影響，氣溫越高，微生物活性強，水生植物生長旺盛，其去除效果越好，出水中石油類物質濃度最低值可達0.7 mg/L；而低溫時對石油類物質的去除率下降明顯，約為夏季高溫時的50%。

通過對污染物質去除率與溫度進行線性回歸分析可知，溫度對COD 降低和TP去除效果的影響相對較小，而對TN去除效果的影響顯著。冬季進水TP中顆粒磷所占的比例較高溫季節有所升高，使其可以通過沉降方式去除，而顆粒磷的沉降去除削弱了溫度對TP去除效果的影響。TN主要通過塘內微生物的反硝化過程和植物的吸收作用去除，在高溫季節，兼氧塘、水生植物塘對TN的去除貢獻率相近，好氧塘略低；但在冬季低溫季節，兼氧塘TN去除率的降低幅度較小，而水生植物塘內由于植物枯萎休眠，再加上一些植物殘渣腐爛，使得其對TN的去除率明顯下降，導致整個系統TN受低溫的影響較為明顯。溫度通過影響傳質、營養物溶解度、反應速率、生物量合成、微生物選擇、植物生長等途徑，最終影響生態塘系統的處理效率，故生態塘系統的凈水效果呈季節性變化。

2.2.2 光 照 生態塘的熱源之一是太陽輻射，在塘內形成溫度分層現象，表面溫度較高，并隨季節、陽光的強弱而有較大的變化。光照對生態塘系統中植物和藻類的光合作用有直接影響，關系到生態塘最終對營養物質的處理效果。表1為不同光照條件下的污水處理效果。由表1可知，光照對COD降低率、TP去除率和TN去除率的影響較為相似，最高值均出現在16：00左右，夜間三者均出現一定程度的下降，但下降幅度較小。生態塘出水COD、TP濃度和TN濃度的晝夜變化幅度較小，說明該系統有較好的緩沖能力。

雒維國[7]對植物的凈光合速率進行測定的結果表明，植物凈光合速率的峰值出現在12：00到14：00之間，光合作用的增強促使植物根部泌氧效率增加，對應的COD降低率及TP、TN去除率也隨著植物光合速率的變化而出現先增加后降低的趨勢。本試驗過程中生態塘中水溫的晝夜變化幅度小于2 ℃，光照輻射產生的水溫變化影響在試驗系統中不占優勢。光照對系統的影響主要是通過影響水生植物和藻類的光合作用而進行，白天陽光充足，隨著光照的增強，植物光合作用明顯，體內代謝作用加快，根系泌氧顯著，水中溶解氧濃度增高，好氧微生物新陳代謝也加快，加速利用污水中的有機物和營養元素等合成自身的物質，污染物去除率較高；在夜間，植物的光合作用減弱，好氧微生物新陳代謝作用降低，使得污染物去除率有所降低。

表1 不同光照條件下的污水處理效果

3 結 論

(1) 采用兼氧塘-好氧塘-水生植物塘三級串聯系統深度處理石化廢水尾水時，COD降低率為25%～50%，系統出水的COD穩定在40～50 mg/L范圍內，達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準中對COD的要求，但石油類物質濃度指標略微超標，可采用強化兼氧塘處理等措施使出水水質進一步提高。

(2) 溫度是影響生態塘系統處理效果的主要因素，凈水效果呈季節性變化，溫度較高時處理效果較好，其對TN去除效果的影響大于COD和TP。光照對COD降低率、TP和TN去除率的影響較為相似，最高值均出現在16：00左右，夜間三者均出現一定程度的下降，但下降幅度較小。

[1] 劉苗茹，席宏波，周岳溪，等.水解酸化+AO工藝對石化廢水不同分子量有機物去除效果評價[J].環境工程學報，2014，8(7)：2665-2671

[2] 凌珠欽，汪曉軍，王開演.臭氧-曝氣生物濾池工藝深度處理石化廢水[J].應用化工，2008，37(8)：917-920

[4] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002：211-257，491-495

[5] Mandi L，Ouazzani N，Bouhoum K.Wastewater treatment by stabilization ponds with and without saprophytes under arid climate[J].Water Science and Technology，1993，28(10)：177-181

[6] Ghrabi A，Ferchichi M，Drakides C.Treatment of wastewater by stabilization ponds：Application of tunisian conditions[J].Water Science and Technology，1993，28(10)：193-199

[7] 雒維國.潛流型人工濕地對氮污染物的去除效果研究[D].南京：東南大學，2005

TRERTING EFFICIENCY OF TAIL WATER OF PETROCHEMICAL WASTEWATER BY ECO-PONDS AND INFLUENCE FACTORS

Jiang Bin1， Wang Xingang2， Zhang Chao3， Yang Wei1

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforHydraulicandWaterTransportEngineering，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074； 2.SchoolofBiology&EnvironmentalEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology； 3.SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing)

A pilot scale eco-pond system， consisting of facultative pond， aerobic pond and hydrophyte pond， was used to test the efficiency and influence factors of tail water deep treatment of petrochemical wastewater. The results indicate that COD concentration in effluent ranges from 40 mgL to 50 mgL， equivalent to COD reduction rate of 25%—50%， and reaches the A level of class 1 standard for COD in “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant”(GB 18918—2002)， except the concentration index of petroleum substances， which is slightly overweight. Among influence factors， the temperature is the main one. The treatment efficiency changes with seasons. The influence of higher temperature on TN removal is higher than that on COD and TP， while the effect of illumination on COD， TP and TN removal is relatively similar. The highest removal rates for three pollutants occur at about 16：00 pm， and the removal rates decline in a certain degree at night.

eco-pond； facultative pond; aerobic pond； petrochemical wastewater； tail water

2016-04-20； 修改稿收到日期： 2016-06-21。

蔣彬，博士，講師，從事環境污染治理工程設計及相關教學工作。

蔣彬，E-mail：jb340@163.com。

重慶交通大學省部共建水利水運工程教育部重點實驗室開放基金資助項目(SLK2011B03)、重慶市教委資助項目(KJ1400323)。