人工濕地凈化油田污水的機(jī)理及效果研究進(jìn)展
周 丹 (浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000)
摘 要:油田污水高溫高含烴,成分復(fù)雜,可生化性差,普通污水處理法難以達(dá)標(biāo)。人工濕地利用物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化,對復(fù)雜的油田污水有較強(qiáng)的降解能力。近年來,國外已有在凈化油田污水上的成功應(yīng)用。我國部分油田也在嘗試將人工濕地運(yùn)用于油田污水的凈化,對人工濕地凈化油田污水的效果進(jìn)行了研究。綜述了人工濕地處理油田污水的機(jī)理以及國內(nèi)外已有的各個凈化系統(tǒng)取得的處理效果,提出了當(dāng)前人工濕地在油田污水凈化中存在的問題和相應(yīng)的對策。
關(guān)鍵詞:人工濕地 油田污水 石油烴 蘆葦
中圖分類號:X74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)01(c)-0035-03
石油勘探、開采、加工過程中無可避免地產(chǎn)生大量油田污水。油田污水,也稱油田廢水,主要包括采油廢水,鉆井廢水和煉油廢水,很多情況下特指采油廢水,即原油脫出水。由于全國各油田基本都采用注水開發(fā)方式,即對采油廢水多采用的是“隔油—過濾”和“隔油—浮選—過濾”處理工藝(老三套),然后用于油田注水。隨著開發(fā)時間的延長,原油含水率不斷上升,油田采出水量也在迅猛增長。大量油田污水已不能通過回注處理,必須外排。鑒于油田污水會對環(huán)境造成惡劣影響,為了達(dá)到國家環(huán)�？偩值耐馀艠�(biāo)準(zhǔn),油田污水的達(dá)標(biāo)排放成為困擾油田發(fā)展的難題之一。
人工濕地主要由透水性的基質(zhì)(如土壤、砂、礫石等)、流動的水體、植物、動物和 微 生 物 五 部 分 組 成 ,是 一 種 簡 單 、低耗、高效并具有高度環(huán)境友好性的污水處理生態(tài)工程。國外已經(jīng)有不少將人工濕地成功應(yīng)用于油田污水凈化的實(shí)例。我國從80年代末開始了對人工濕地凈化石油污水 的 相 關(guān) 研 究 ,探 索 了 人 工 濕 地 植 物 對污水中各種污染物的凈化效果。人工濕地基于自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對污水的凈化作用。尤其對復(fù)雜有機(jī)物的凈化有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。
1 油田污水特性
油田污水是在石油的勘探、開采、煉制的一系列過程中產(chǎn)生的工業(yè)污水。油田污水以含有大量油類、有機(jī)物為主要特點(diǎn),成份非常復(fù)雜,不同于一般工業(yè)廢水。采油污水主要由浮油、分散油、乳化油、膠體溶解物質(zhì)和懸浮固體等組成。鉆井污水中主要污染物是懸浮物、鉻、酚和油等,且鉆井污水中還含有大量難以處理的COD。煉油廢水其主要污染物由油、硫化物、酚等組成,含油量可高達(dá)數(shù)千(mg/L),低的只有10mg/L左右。
油 田 污 水 的 特 點(diǎn) 如 下:(1)水 溫 高:一般水溫在40℃～60℃;(2)pH值偏堿性:pH值 一 般 在 7.5～ 8.5之 間 ;(3)溶 解 氧 DO含量低,無法滿足生化需求;(4)礦化度高:含鹽量通常在10000～40000mg/L,氯離子通常在3000～20000mg/L;(5)COD高,且難降解。BOD5/COD值異常偏低,可生物處理性差;(6)含一定濃度的硫化物,以及一些其它雜質(zhì)如懸浮物、泥砂及聚合物。
處理后的油田污水檢測指標(biāo)主要有:pH、CODcr、BOD5、石油類、懸浮物、氨氮、揮發(fā)酚、硫化物。通常COD的達(dá)標(biāo)排放是個難點(diǎn)。這是由于在原油開采過程中投加了用以改善采出水性質(zhì)的各種化學(xué)藥劑,且化學(xué)藥劑的投加種類、性質(zhì)和數(shù)量變化非常大,而大部分是生物難降解的,廢水中的各種化學(xué)添加劑十分穩(wěn)定和對難降解COD具有直接貢獻(xiàn)。
對這種廢水通常采用隔油、浮選、過濾等物理化學(xué)方法處理后回注地下或通過二級生化處理達(dá)標(biāo)后排放。但由于油田污水性狀過于復(fù)雜,生化處理(如活性污泥法)有時也難以使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),受經(jīng)濟(jì)條件的限制也難以使用更昂貴的技術(shù)對其進(jìn)行治理,而使用人工濕地則從凈化效果和費(fèi)用成本上較其他現(xiàn)有方法具有優(yōu)勢,可更好地解決采油污水的達(dá)標(biāo)排放問題。
2 人工濕地凈化機(jī)理及國內(nèi)外進(jìn)展
2.1 凈化機(jī)理
人工濕地是由水-基質(zhì)-植物-微生物組成的復(fù)合體系。其凈化作用是物理沉積、化學(xué)反應(yīng)和生化反應(yīng)的綜合作用。含油污水經(jīng)過濕地系統(tǒng)的吸附、過濾、沉降和生物降解,CODcr、BOD5、石油類、硫化物、揮發(fā)酚等主要指標(biāo)的濃度急劇降低,可達(dá)到較高的處理效率。
人工濕地的基質(zhì)層是處理污水的核心部分。自由表面流型一般直接采用土壤和植物根系構(gòu)成基質(zhì)層,地下潛流濕地一般采用礫石填料和土壤或砂構(gòu)成基質(zhì)層�；|(zhì)層的作用有:(1)提供水生植物生長所需的基質(zhì);(2)為污水在其中的滲流提供良好的水力條件;(3)為微生物提供良好的生長載體。
污水一進(jìn)入濕地流速就明顯變緩,首先,SS由基質(zhì)層填料和植物根系的阻截、過濾沉積在濕地中。濕地系統(tǒng)對SS的去除率表現(xiàn)穩(wěn)定,一般在86％左右。隨后,污水凈化的主要過程在基質(zhì)層中進(jìn)行�；|(zhì)層中含有大量的植物根系和微生物,植物根區(qū)是人工濕地發(fā)揮凈化功能的主要場所。早在20世紀(jì)70年代,德國學(xué)者Kickuth提出的根區(qū)法理論認(rèn)為:植物根系可對污水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收、富集,而根區(qū)附近豐富的微生物群落更可以通過其旺盛的代謝活動利用污水中的物質(zhì),將其降解、轉(zhuǎn)化。研究已證明濕地中生長的蘆葦、香蒲等濕生維管束植物能將空氣中的氧氣通過疏導(dǎo)組織輸送到根部,在根區(qū)附近形成局部富氧區(qū)域,利于好氧菌的生長代謝。而在離根系遠(yuǎn)的土壤中溶氧較低,有許多種厭氧菌和兼性菌生存。這就使人工濕地床體成為一個好氧／缺氧／厭氧反應(yīng)器,相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2/O處理單元,它能夠降解去除多種多樣的有機(jī)污染物。這是其他污水處理系統(tǒng)所無法比擬的。
植物根圈與微生物之間存在相互作用。植物滲出的可溶性有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)為微生物生長提供了基質(zhì),使根際微生物的數(shù)量和活性明顯高于非根際帶。植物能提供可利用的補(bǔ)充碳源來促進(jìn)根際微生物的生長,增加土壤微生物的種群總量。而土壤微生物通過在根圈內(nèi)吸收、積累、代謝和生物遷移刺激污染物的去除。這一植物微生物相互作用的結(jié)果尤其對難降解有機(jī)污染物的生物降解具有重要意義。
濕地對有機(jī)物的去除主要是靠微生物的作用。藻類、水生植物、水生動物等都能 夠 一 定 程 度 地 降 解 石 油 烴 ,但 主 要 的降解生物仍是細(xì)菌、真菌等微生物。事實(shí)上,在合適的條件下,微生物幾乎能降解所有的石油烴。在污水處理過程中,人工濕地床體可被視為一個復(fù)雜的微生物反應(yīng)系統(tǒng)。濕地系統(tǒng)成熟后,填料表面和植物根系由于大量微生物的生長而形成生物膜。廢水流經(jīng)生物膜時,不溶性有機(jī)物通過濕地的沉淀、過濾作用,可以很快被微生物利用;可溶性有機(jī)物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。
人工濕地是兼有基質(zhì)過濾、植物吸附、污染物共沉淀、離子交換等物化作用和植物吸收、微生物代謝、植物代謝等生物化學(xué)作用的復(fù)合高效凈化系統(tǒng)。按傳統(tǒng)理論,若原污水BOD5/COD值不足0.3,則很難采用生物法降解,但人工濕地系統(tǒng)在這種情況下仍表現(xiàn)出了對有機(jī)污染物較高的去除率,是由于濕地系統(tǒng)的床體(在其中有物理、化學(xué)和生物學(xué)作用)和植物的共同作用,使各自的凈化效能加合在一起達(dá)到了更高水平的緣故。
2.2 應(yīng)用及凈化效果
2.2.1 國 外 進(jìn) 展
國外許多先進(jìn)工業(yè)國家在八十年代就嘗試用人工濕地對二級處理后的污水進(jìn)一步處理,以滿足再利用的需求,使排放水質(zhì)更好。O.Rambeau等認(rèn)為,適當(dāng)處理的油田污水在食物鏈之外的回用可作為回注以外的另一種處理方法,還可以保護(hù)水源。在含55mg/L油量的進(jìn)水條件下,經(jīng)過2個蘆葦床裝置后,去除石油烴的效率在99%以上。大多數(shù)情況下(83%的樣本)中,都檢測不到石油烴。經(jīng)過4個蘆葦床后,96%的樣本中檢測不到烴。Salmon(1998)證實(shí),在100mg/L含油量的進(jìn)水條件下,石油烴去除率能達(dá)到90%。以下為部分將人工濕地成功應(yīng)用于油田污水處理的實(shí)例。
美國:加利福尼亞州Chevron Rich-mond煉油廠從1989年開始,分兩個階段分別建設(shè)了兩個12.14hm 2 大小的濕地工程,在進(jìn)行煉油廠污水凈化的同時,給各種水禽和岸禽類提供了棲息地。Chevron Rich-mond煉油廠濕地穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于控制污水負(fù)荷,恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行管理是優(yōu)化穩(wěn)定運(yùn)行、提高出水水質(zhì)和能夠提供生物棲息地的關(guān)鍵。
哥倫比亞:Kelt石油公司應(yīng)用以蘆葦為基礎(chǔ)的根區(qū)過濾系統(tǒng)去除采出水中污染物,蘆葦根區(qū)吸收分解污染物,處理后水用于灌溉稻田。該 系 統(tǒng) 建 立 在 河 流 眾多、高地下水位、對污水敏感的Casanare草原地區(qū),得到了生物技術(shù)研究和發(fā)展公司TransForm的幫助。該公司稱:一年后該系統(tǒng)能去除90%的苯酚污染物,三年后發(fā)揮全部效果,并且SS、COD、Phenolics都有不同程度的下降。
蘇 丹 :1/2/4油 田 污 水 處 理 系 統(tǒng) 中 ,油田污水經(jīng)過一級沉降和降溫池以后進(jìn)入一個寬125米,種有6.5萬株蘆葦?shù)闹参锝到獬�。處理后的污水�?jīng)過灌溉池和循環(huán)系統(tǒng),進(jìn)入植物種植區(qū)被用來灌溉植物,處理后的污水指標(biāo)包括CODcr、BOD5、含油量、懸浮物、總?cè)芙恹}量等已經(jīng)完全符合《世界糧農(nóng)組織關(guān)于農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求及蘇丹本國農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
巴 基 斯 坦 :2003年 ,為 了 推 進(jìn) 人 工 濕地在巴基斯坦工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)程 ,開 展 了 一 系 列 評 估 將 人 工 濕 地 應(yīng) 用于凈化煉油廢水的可行性研究。在種植了Phragmites karka(卡開蘆)的垂直流濕地進(jìn) 行 了 一 年 的 處 理 實(shí) 驗 發(fā) 現(xiàn) ,最 初 凈 化效 率 較 低 ,但 隨 著 植 物 的 生 長 和 生 物 膜的形成,凈化效率逐漸提高。
2.2.2 國 內(nèi) 進(jìn) 展
國內(nèi)也在這方面進(jìn)行了不少相應(yīng)的探索。
早在20世紀(jì)80年代,吳玉樹、吳振斌、鄭師章等就已經(jīng)對鳳眼蓮、蘆葦?shù)人参飳κ突U水的凈化能力進(jìn)行了研究,研究表明它們對氨氮、酚、芳烴、油及硫化氫均有較明顯的凈化作用。90年代初,盧顯文等研究發(fā)現(xiàn)利用香蒲、菖蒲建立的濕地系統(tǒng)對煉油污水有很好的凈化能力,指出人工濕地系統(tǒng)是解決煉油廢水深度處理的一種有效途徑。濕地系統(tǒng)對COD的平均去除率為21.0%,全年對COD平均去除率達(dá)31.9%,且香蒲、菖蒲的凈化效果好于鳳眼蓮。
2000年以后,國內(nèi)的應(yīng)用和研究較之前有了進(jìn)一步的深入,有了不少成功將人工濕地在油田應(yīng)用的實(shí)例。
勝利油田樁西采油廠在隔油沉淀池?zé)o法使油田污水出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上,因地制宜,將天然蘆葦濕地改建為蘆葦氧化塘,對外排污水進(jìn)行二級處理。蘆葦氧化塘出口水質(zhì)中主要污染物全部達(dá)標(biāo),CODcr總?cè)コ蕿?4.05%、石油類去除率85.30%、BOD5去除率78.40%、硫化物去除率99.7%,揮發(fā)酚的去除率為42.05%,污染物治理效果比較理想。
新大采油廠采用工廠化處理工藝與人工濕地相結(jié)合的工藝處理路線,即氣浮除油+生物氧化+人工濕地處理的處理模式,COD去除率86.8%,石油類去除率83.8%。該工藝已被證明系統(tǒng)穩(wěn)定可行,具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力,出水達(dá)標(biāo)排放。證明人工濕地是一種經(jīng)濟(jì)可靠的二級處理模式。籍國東等從中試水平對人工濕地對油田污水的凈化效果、機(jī)理以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了一系列探索。研究表明,礦物油向土壤深層遷移對土壤的影響一般不會超過40cm。礦物油對深層濕地土壤理化性質(zhì)無顯著影響。在遼河油田某采油廠采用自由表面流蘆葦濕地處理超稠油廢水的研究中,當(dāng)蘆葦床的水力負(fù)荷為3.33cm/d時,對于超稠油廢水去除率分別為:COD83.18%,石油類94.86%,BOD588.37%,TN88.36%,pH值由7.87降至7.77。處理后的超稠油廢水對土壤的污染并不明顯,對蘆葦?shù)纳L和材質(zhì)指標(biāo)幾乎沒有影響。在遼河油田某采油廠另一人工潛流濕地由3個面積各為900m 2 的蘆葦床組成,平均布水量分布為6m 3 /d、18m 3 /d和30m 3 /d。經(jīng)潛流濕地處理后污染物分別減少了:COD67.25%～80.77 %,BOD580.02%～89.05%,石油類78.00%～88.45%,TN75.32%～82.43%。兩種人工濕地都表現(xiàn)出出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng),被認(rèn)定為是一種經(jīng)濟(jì)有效的油田污水處理方法。
籍國東等的在落地原油的凈化試驗中,蘆葦濕地對不同施入劑量的落地原油都表現(xiàn)了較好的凈化率,在試驗運(yùn)行期內(nèi),蘆葦濕地對礦物油的凈化率高達(dá)88%～96%。落地原油一方面抑制蘆葦?shù)娜~齡指數(shù)和株高生長量,另一方面又能刺激蘆葦?shù)拈L粗、增加蘆葦?shù)纳锪�。冷延慧等的研究表�?如果濕地水體中石油類污染物的濃度 小 于 3mg·L -1 、土 壤 中 石 油 濃 度 小 于500mg·L -1 ,石油會刺激蘆葦?shù)纳L。采用蘆葦濕地生態(tài)工程凈化落地原油是保護(hù)油田開發(fā)地區(qū)土壤環(huán)境和濕地自然保護(hù)區(qū)的有效方法。
另外,何良菊等對遼河油田石油污染的土樣進(jìn)行了細(xì)菌的分離、鑒定研究。研究表明,石油降解菌主要是微球菌(Micrococcussp.)、黃桿菌(Flavobac-terium sp.)、假單胞菌(Pseudomonas sp.)和無色桿菌(Achromobacersp.),研究表明該混合菌降解能力比單株菌好。李科德等通過研究認(rèn)為假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligens)和黃桿菌屬(Flavobacterium)都是快生型細(xì)菌,而且大多含有降解質(zhì)粒,因此推斷它們在有機(jī)污染物的分解代謝中起著十分重要的作用。
3 人工濕地法的優(yōu)勢及存在問題
3.1 優(yōu)勢
利用人工濕地處理油田污水符合污水生態(tài)處理技術(shù),即運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理,采用工程學(xué)方法,使污水無害化、資源化,是污水中污染物治理與水資源利用相結(jié)合的方法。它能對污水中的水、肥資源加以利用,符合循環(huán)再生原理和和諧共生原理。與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比,人工濕地具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)若設(shè)計合理,其處理穩(wěn)定、有效、可靠;(2)投資費(fèi)用低;(3)能耗低,甚至無能耗,運(yùn)行費(fèi)用便宜;(4)適宜對與小流量或間歇排放污水的處理;(5)其外觀優(yōu)美;(6)過剩的蘆葦可作為造紙原料創(chuàng)造收益;(7)還可以作為生物棲息地,兼具生態(tài)效益和景觀效益。
如果把人工濕地和較為常用的微生物 處 理 法 的 經(jīng) 濟(jì) 性 相 比 較 ,以 蘆 葦 氧 化塘 為 例 :蘆 葦 氧 化 塘 的 運(yùn) 行 管 理 費(fèi) 用 僅為 生 物 膜 法 的 1/4～ 1/5,僅 為 普 通 活 性污 泥 工 藝 的 1/4～ 1/2,同 時 ,蘆 葦 塘 系 統(tǒng)中每年的蘆葦收獲也具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益,基本可收回每年的人工費(fèi)用,因此,其運(yùn)行成本更低。
以吉林新大采油廠為例,工廠采用人工濕地處理采油污水,與傳統(tǒng)二級生化處理相比較,盡管占地面積增加100%,節(jié)省一次投資80%、運(yùn)行費(fèi)用92%、人工濕地產(chǎn)量20000～30000kg/hm 2 ,每年濕地可產(chǎn)100t蘆葦,可以抵消低廉的運(yùn)行費(fèi)用。
3.2 問題與策略
(1)高COD是油田污水的特征之一,而COD的去除率與植物長勢關(guān)系密切。一般在植物生長旺期(8月)達(dá)到最高,但如在冬季進(jìn)入高COD污水,則出水水質(zhì)會因為植物的凈化能力減弱而大幅下降。致密的植物可以在冬季寒冷季節(jié)起到保溫作用,減緩濕地處理效率的下降。在華南地區(qū),盡管濕地植物的生長季節(jié)可貫穿全年,但濕地植物也易受降溫和大風(fēng)的侵襲形成寒害。
(2)油田污水溫度高且溶解氧低,在進(jìn)入濕地前最好采取降溫增氧措施,包括降溫明渠、出水回流、曝氣裝置等。
(3)濕地系統(tǒng)被截留的懸浮物在濕地中存在積累現(xiàn)象。另外還有微生物量的增長,二者都會使基質(zhì)層的滲流能力逐漸下降,最終造成堵塞,使?jié)竦靥幚砟芰ο陆�。同時,有機(jī)物的不斷積累會逐漸向濕地出口移動,最終影響出水水質(zhì)。專家建議增加干化期,使污泥通過堆肥作用自行降解。
(4)機(jī)理的復(fù)雜性問題。由于其所涉及機(jī)理的復(fù)雜性和領(lǐng)域的廣泛性,雖然有些機(jī)理研究已經(jīng)得到初步的認(rèn)可,但是仍有許多問題需要進(jìn)一步研究。比如,目前各種污染物的去除反應(yīng)動力學(xué)模型仍未完整地建立起來,現(xiàn)有的模型基本為一些經(jīng)驗?zāi)Ｐ投鵁o法得到廣泛的應(yīng)用。
(5)濕地系統(tǒng)投入使用后缺乏長期連續(xù)的動態(tài)檢測,不能獲得全面可靠的運(yùn)行參數(shù)。而且對系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行管理研究不足,使?jié)竦叵到y(tǒng)的工作效率下降很快,正常工作期限縮短。只有加強(qiáng)對人工濕地后續(xù)運(yùn)行、管理優(yōu)化模式的研究,才能促進(jìn)其健康、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。
(6)加強(qiáng)對濕地植物和微生物等生物因 素 的 研 究 ,有 助 于 確 定 并 提 高 進(jìn) 水 負(fù)荷。如利用基因工程和生物技術(shù),篩選超積累、高耐性修復(fù)植物和具有特異降解功能 的 微 生 物 進(jìn) 入 處 理 系 統(tǒng) ,構(gòu) 成 強(qiáng) 化 式生態(tài)處理系統(tǒng)。
4 展望
人工濕地污水處理技術(shù)是一項非常適合我國國情的技術(shù),在我們這樣地域遼闊、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展水平不高、能源短缺、城鎮(zhèn)環(huán)境污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重的國家,人工濕地有著極其廣闊的應(yīng)用前景。盡管人工濕地在油田污水處理方面應(yīng)用還較少,技術(shù)還不成熟,需要積累運(yùn)行管理經(jīng)驗。作為一種新興的污水生態(tài)處理技術(shù),其高效低耗的優(yōu)勢不容忽視。就目前而言,我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還很低,同時存在能源缺乏的問題,同時,我國擁有大量的次生蘆葦沼澤,在這些地區(qū)建設(shè)蘆葦人工濕地,不僅不存在占地問題,而且是沼澤地合理開發(fā)利用的一種途徑,具有較大的環(huán)境效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。雖然目前人工濕地技術(shù)在我國還一定程度缺乏相應(yīng)的技術(shù)和管理人才,但是經(jīng)過不斷的基礎(chǔ)研究和實(shí)踐積累,人工濕地技術(shù)將更好地在凈化油田污水方面得到推廣應(yīng)用。
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