內(nèi)河船舶生活污水一體化處理設(shè)備小型化研究

趙小飛 陳晴空 龍?jiān)娙A 易姝祺 胡明俊 李亞斌 譚家萬(wàn)

摘 要：云南省瀾滄江航道發(fā)展迅速，200-300噸級(jí)小型船舶受艙位空間限制（不足1m3），生活污水處理存在空有國(guó)家層面排污標(biāo)準(zhǔn)管理規(guī)定，而無(wú)可供實(shí)際適合云南省內(nèi)河船舶使用的生活污水處理裝置的尷尬局面。本研究以內(nèi)河小型貨船為研究對(duì)象，開(kāi)展內(nèi)河船舶生活污水處理一體化設(shè)備小型化的技術(shù)研究。結(jié)果表明：船舶生活污水處理裝置理論設(shè)計(jì)總體積為2.03m3，在保證達(dá)到《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB3552-2018）表2限值處理效果的前提下，經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)后，體積縮小至0.75m3，縮小了63%。研究成果為云南省內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)和環(huán)境保護(hù)方面的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河船舶;生活污水;一體化設(shè)備;小型化

中圖分類號(hào)：U664.9? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0131-04

1前言

云南境內(nèi)河流眾多，水量充沛，水能資源豐富。而云南省作為非水網(wǎng)地區(qū)，絕大部分船舶噸位小，艙室容積小，無(wú)法滿足現(xiàn)有生活污水處理設(shè)備的安裝空間，再加上費(fèi)用和港口設(shè)施落后等原因，造成了云南省船舶生活污水處理落后的現(xiàn)狀[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外船舶生活污水處理技術(shù)主要分為三類，分別是：收集儲(chǔ)存處理技術(shù)，物理化學(xué)處理技術(shù)和生物處理技術(shù)，這也是當(dāng)前污水處理領(lǐng)域的三大基本處理技術(shù)[3]。表1對(duì)比了物理法、化學(xué)法和生物法的技術(shù)特點(diǎn)。

內(nèi)河大、中型船舶由于空間大，上述技術(shù)用于內(nèi)河大、中型船舶的生活污水處理不存在太大的困難，但在小型船舶上，艙室容積小、空間緊張是阻礙上述技術(shù)大面積推廣的主要因素之一[5]。從表1可以看出，不管是物理法，化學(xué)法，還是生活污水處理應(yīng)用廣泛的生物法，這些產(chǎn)品和技術(shù)普遍存在自身的不足[6]。如果追求體積小，就要以犧牲處理效果為代價(jià);如果追求處理效果好，就會(huì)出現(xiàn)構(gòu)筑物的體積大、二次投藥化學(xué)處理成本高、能耗高等不足。因此，單獨(dú)采取上述某一處理技術(shù)，無(wú)法滿足云南小型內(nèi)河船舶生活污水的處理要求[7]。此外，從表1中也可看出，相比于單一的物理法、化學(xué)法和生物法，組合法的優(yōu)勢(shì)非常突出[8]。結(jié)合近年小型污水處理裝置研究趨勢(shì)，探索一種體積小、效率高、運(yùn)行成本低、無(wú)二次污染、不依賴港口接受處理系統(tǒng)的船舶生活污水處理設(shè)備成為研究重點(diǎn)。

本研究以云南省瀾滄江水域內(nèi)河貨船作為研究對(duì)象，進(jìn)行內(nèi)河船舶生活污水處理一體化設(shè)備小型化的技術(shù)研究，打破目前存在的空有國(guó)家層面的管理規(guī)定，而無(wú)可供實(shí)際適合云南省內(nèi)河船舶使用的生活污水處理裝置的尷尬局面，使云南省內(nèi)河船舶生活污水和垃圾處理技術(shù)有突破性解決方案，為云南省內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)和環(huán)境保護(hù)方面的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

2一體化處理裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概況

據(jù)調(diào)查，云南瀾滄江小型貨輪按船上核定工作人員約為16人，按照人均生活污水產(chǎn)生量為70L/d[9]，考慮污水綜合變動(dòng)系數(shù)為1.6，則生活污水產(chǎn)生量約1.75m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)：pH=7.5±0.5，CODcr=500±200mg/L，BOD5=250±200mg/L，SS=500±300 mg/L，大腸菌群數(shù)為2×107個(gè)/L，總氯為0.001mg/L。出水水質(zhì)滿足《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB3552-2018）表2限值：pH=6-8.5，COD=125mg/L，BOD=25mg/L，SS=35mg/L，大腸菌群數(shù)<1000個(gè)/L，總氯<0.5mg/L[10-11]。

2.2 工藝流程及理論設(shè)計(jì)結(jié)果

本研究設(shè)計(jì) “三級(jí)處理，六道工序”的處理工藝，具體包括：

（1）一級(jí)處理（物理法）。“格柵”作為一級(jí)處理的主要構(gòu)筑物，起攔截船舶生活污水懸浮物的作用，大量降低懸浮固體廢物（SS），避免后續(xù)工藝的堵塞。一級(jí)處理主要大量去除污水中的SS。

（2）二級(jí)處理（生物法）。根據(jù)上述必選論證分析，MBR工藝可以保證污水達(dá)標(biāo)排放，但是從長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的角度，僅依靠MBR工藝存在不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)[12]。因此，仍然需要合理搭配傳統(tǒng)處理技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)生活污水的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。因此，二級(jí)處理將采用“生物接觸氧化法”作為二級(jí)處理的第一道處理工序，該工藝既具備傳統(tǒng)活性污泥法處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備耐沖擊負(fù)荷和體積較小的優(yōu)點(diǎn)，能夠保證船舶生活污水進(jìn)入處理設(shè)備即可做到污染物的快速去除?！吧锝佑|氧化”處理后出水，將通過(guò)“沉淀過(guò)濾室”第二道處理工序，此處設(shè)計(jì)將采用“沉淀過(guò)濾室”替代傳統(tǒng)大規(guī)模污水處理廠中的“沉淀池”?！俺恋磉^(guò)濾室”不僅具備污水沉淀和穩(wěn)流的功能，同時(shí)由于含有大量濾料還具備生物膜附著的能力，起到污水同步沉淀和凈化的效果?！俺恋磉^(guò)濾室”的出水污染物負(fù)荷已經(jīng)得到大量降低，然后進(jìn)入本研究采用的核心MBR工藝進(jìn)行第三道處理工序，MBR工藝是保證污水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。其主要原因是MBR采用了能夠大量節(jié)省占地空間的膜組件替代傳統(tǒng)工藝的二沉池，起到良好的泥水分離效果。在膜組件不損壞和不堵塞的情況下，都能夠保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。二級(jí)處理主要去除污水中大量的COD，BOD，氨氮和少量SS。

（3）三級(jí)處理（物理化學(xué)法）。為了進(jìn)一步保證出水達(dá)標(biāo)，三級(jí)處理將采用物理化學(xué)法，共包括2道工序。第一道工序，主要依靠具備物理吸附和化學(xué)吸附雙重功能的活性炭過(guò)濾裝置，對(duì)污水SS和其它離子雜質(zhì)做進(jìn)一步去除。第二道工序，采用紫外線消毒裝置，對(duì)出水中病原菌（尤其是排放標(biāo)準(zhǔn)中控制的耐熱大腸菌群）做殺菌消毒處理，由于船舶生活污水量小，紫外消毒技術(shù)無(wú)需外加化學(xué)藥劑，不產(chǎn)生二次污染，因此，紫外消毒裝置非常適合船舶生活污水消毒工序。三級(jí)處理主要去除污水中的少量SS，離子雜質(zhì)和病原菌。處理工藝流程如圖1所示。

該工藝將物理法、生物法和物理化學(xué)法有機(jī)地結(jié)合于一體，其中6道工序循序漸進(jìn)，逐級(jí)降污，以最新的MBR技術(shù)作為保障出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的核心技術(shù)，組建成適用于船舶生活污水生化處理的新型工藝，上述組合工藝命名為“船舶生活污水新型一體化處理工藝”，簡(jiǎn)稱為“New integrated treatment process for marine sewage，（NITP-MS）”。 該工藝流程也是開(kāi)發(fā)船舶生活污水小型一體化處理裝置的核心技術(shù)支撐。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016版）[13]對(duì)各構(gòu)筑物單元進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

綜上分析，NITP-MS理論設(shè)計(jì)總體積為2.03m3。經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，云南瀾滄江貨運(yùn)船舶可提供的污水處理空間非常有限，僅為1m3左右。NITP-MS設(shè)備如果按照理論設(shè)計(jì)進(jìn)行加工安裝，該體積遠(yuǎn)大于云南瀾滄江貨運(yùn)船舶可提供的污水處理空間，是明顯不切合實(shí)際的。基于上述考慮，本研究必須根據(jù)理論設(shè)計(jì)，對(duì)工藝和設(shè)備進(jìn)行小型化研究。

3 裝置小型化研究

3.1 工藝改進(jìn)及小型化設(shè)備參數(shù)

小型化研究按照貨輪艙位實(shí)際預(yù)留空間進(jìn)行重新設(shè)計(jì)：

（1）格柵池簡(jiǎn)化：格柵池簡(jiǎn)化為管道式格柵篩網(wǎng);

（2）主體工藝一體化：“沉淀過(guò)濾室”緊挨曝氣設(shè)備，因此可升級(jí)為“曝氣生物濾池”，二級(jí)處理三道工序 “生物接觸氧化法+ 曝氣生物濾池+MBR膜生物處理工藝”一體組裝成型;

（3）回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)改為渦輪增氧機(jī)，以減少占地面積;

（4）“活性炭吸附池”修改為“活性炭吸附室”，采用管道式，縮小體積;

（5）紫外消毒器購(gòu)買外置一體化裝置，外掛于主體設(shè)備旁，不占用主體處理工藝的有效體積;

（6）出水池簡(jiǎn)化：取消出水池，采用三通開(kāi)關(guān)，取樣時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)即可。小型化設(shè)計(jì)后的工藝流程見(jiàn)圖2，各處理單元參數(shù)見(jiàn)表3。

從表3可以看出，一體化設(shè)備經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)后，體積從2.03m3縮小至0.75m3，縮小了63%，滿足200-300噸級(jí)小型貨輪的裝船要求。

3.2 污染物去除效果分析

將NITP-MS小型一體化裝置用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)采用人工配制的方式模擬實(shí)際船舶生活污水。試驗(yàn)共運(yùn)行50天。設(shè)備啟動(dòng)后20天時(shí)，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，表明反應(yīng)器啟動(dòng)成功。之后每隔10天于進(jìn)出口分別取樣一次，每次取3個(gè)平行樣品。測(cè)試指標(biāo)包括pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數(shù)、總氯。各指標(biāo)的去除效果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，pH在進(jìn)出水口分別穩(wěn)定在7.5左右，波動(dòng)較小，均處于標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定的6-9范圍內(nèi);CODcr，BOD5，SS經(jīng)過(guò)NITP-MS小型一體化裝置后，出水濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)值;大腸菌群總數(shù)進(jìn)水濃度為2×107，經(jīng)過(guò)紫外線消毒裝置后，降低至20個(gè)/L，低于標(biāo)準(zhǔn)值1000個(gè)/L，表明本設(shè)計(jì)采用的紫外消毒裝置效果良好;總氯進(jìn)口濃度為0.001mg/L，出口未檢出，均低于標(biāo)準(zhǔn)值0.5 mg/L，這是由于本工藝采用紫外消毒法，未采用加氯消毒法，不僅保證總氯指標(biāo)達(dá)標(biāo)，還可以防止投加次氯酸藥劑等產(chǎn)生二次污染。

綜上表明，小型化設(shè)計(jì)不會(huì)影響出水水質(zhì)，經(jīng)檢測(cè)，pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數(shù)、總氯6項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)排放。

4結(jié)論

本研究得到以下結(jié)論：

（1）基于MBR設(shè)計(jì)的“三級(jí)處理，六道工序”的新型一體化處理技術(shù)能夠滿足內(nèi)河小型船舶生活污水處理要求。

（2）一體化設(shè)備經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)后，體積從2.03m3縮小至0.75m3，縮小了63%，滿足200-300噸級(jí)小型貨輪的裝船要求。

（3）小型化設(shè)計(jì)不會(huì)影響出水水質(zhì)，經(jīng)檢測(cè)，pH、CODcr、BOD5、SS、大腸菌群數(shù)、總氯6項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)排放。

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基金項(xiàng)目：云南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目，合同編號(hào)（云交科2015（B）10）