海上油气平台/船舶生活污水处理技术进展与趋势探讨

皮新燕

(天津亿利科能源科技发展股份有限公司，天津 300384)

海洋油气资源勘探开发利用技术的应用和发展，在成为人类重要经济支柱的同时，也因其可能对周边海域造成的环境影响问题而日益引起人们的关注。随着我国海上油气勘探开发平台/船舶数量的逐年递增，除了海上油气泄漏对海洋产生的环境污染问题受到密切关注以外，海上作业平台/船舶生活污水的处理处置也逐渐成为开发和管理单位重点关注的问题之一。

1 海上平台/船舶生活污水的界定

由于海上运输、作业等船舶的应用远早于海上石油平台的应用，故国内外海上平台生活污水处理技术和装置多是借鉴于船舶生活污水的处理技术和装备。现有的FPSO上有关设备的制造、验证也是按照船舶的相关标准执行。

目前，国际上船舶生活污水处理装置的制造、污水排放主要参照和沿用了国际海事组织(IMO)1978年制定的国际公约《经1978年议定书修改的1973年国际防止船舶污染公约》(简称《MARPOL73/78公约》)中《附则Ⅳ防止船舶生活污水污染规则》。该规则中，将生活污水定义为“任何型式的厕所、小便池和厕所排水孔的排出物和其他废弃物；医务室(药房、病房等)的洗手池、洗澡盆和这些处所排水孔的排出物；装有活着的动物的处所的排出物；或上述定义的排出物的其他废水”[1]。通常意义上将生活污水中的冲厕污水简称为“黑水”，而将餐厨废水、洗浴废水、洗涤废水等总称为“灰水”。

但由于国家标准GB-T 10833-1989《船用生活污水处理设备技术条件》中3.2条款只将“生活污水”定义为“黑水”[2]。故早期国内船用及平台生活污水处理设备多数是依据此标准设计制造，只对“黑水”进行处理。

随后，在2009-05实施的国家标准GB4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》中，明确将海上平台生活污水定义为“由海上钻井平台、油气生产设施区的厨房、洗手间排出的含有洗涤剂的污水，厕所排出的含有粪、尿的污水以及医务室排出的污水”[3]。

而2015-12实施的新标准GB/T 10833-2015《船用生活污水处理设备技术条件》保留了3.2条款“生活污水”的定义和范围，并新增了3.3“灰水”的定义，新标准出台后，陆续有制造商将原来只处理“黑水”的生活污水处理装置改造升级为综合处理“黑水”和“灰水”。并结合海上平台空间设计、人员流动情况等特殊工况，逐步进行了整体生活污水处理技术的迭代升级。

目前，国内海上平台生活污水的通用处理方法是经过平台上的固定污水处理装置对生活污水进行处理，达到排放标准后直接排海，并将处理后的残渣随平台垃圾或由专业设备维护单位随维护物资一并运回陆地处置。应用较多的主要是MBR法和电解法，个别平台处理后的水实现了冲厕回用或者达标后并入生产水回注系统回注地层的功能。

2 海上平台/船舶生活污水排放标准

为了防止生活污水排放对海洋的污染，在排放标准上，海上船舶方面，多数国家主要参照了《MARPOL73/78公约》中《附则Ⅳ防止船舶生活污水污染规则》的相关规定，即COD排放指标≤125 mg/L。我国国家标准GB4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》，对海洋石油勘探开发过程中产生的排海生活污水中的COD排放要求和限值做了具体规定，要求固定式和移动平台及其他海上钻井设施排放的生活污水的COD指标，一、二级海域≤300 mg/L，三级海域≤500 mg/L。目前海上平台生活污水处理装置排放指标都是遵照这一标准实施。

而国标GB/T 10833-2015《船用生活污水处理设备技术条件》(适用于各类船舶及水上固定或移动工作平台的生活污水处理设备)也依据MEPC.159(55)决议的要求，增加了4.2.4“化学需氧量”的要求，规定船用生活污水处理设备试验期间采集的排放水试样，几何平均值不应大于125 mg/L[4]。

3 海上平台生活污水处理技术简介

由于海上平台所处海洋环境类似于海上船舶所处环境，故国内海上平台/船舶生活污水处理技术，多数都借鉴了船舶生活污水处理工艺及技术。国外关于船舶生活污水处理工艺及技术的研究，始于20世纪60年代末期，以美国和日本为代表，沿用了陆地和城市生活污水处理技术。国内的相关研究始于20世纪70年代末期，以中船重工研究所为代表[5]。主要采用的技术方法有物化法、生化法、生物膜法(MBR)、电解法等。

3.1 物化法

物理化学方法(简称物化法)，是国内海上平台最早应用的生活污水处理技术之一，2010年起随着海上平台常驻和流动人员增加、设备老化以及新标准的实施，该项技术已逐步被MBR法和电解法等设备替代。

物理化学处理法是废水处理方法之一，主要是运用物理和化学的综合作用，通过添加相应化学药剂加速形成固、液、气相的凝聚、沉淀、分离，使废水得到净化的方法，海上平台最早的物理化学污水处理装置是作为单独处理系统运行的，主要是将几级沉淀过滤做在一个整撬内，先用粉碎泵对污水中的大块物质进行粉碎，减少污水中的杂质，然后加入消毒药剂对污水进行消毒，在消毒之后通过几级沉淀将污水进行分离，或者通过加药剂加速沉淀分离过程处理成澄清水和污泥，澄清水直接排除，污泥积累到一定量后，用移动设备定期从平台上返回陆地进行集中处理。其工艺的选择取决于废水水质、排放或回收利用的水质要求、处理费用等。

由于该技术运行时需要一定的物理和化学反应时间和空间，同时为了加速反应，缩短停留时间，需要一定的药剂辅助，故单独采用物化法，需要的设备空间较大，若采用自动加药，势必还会增加加药设备，又会占据部分空间，而采用人工加药，则会增加人员工作量，因此，在空间、人员有限的海上平台上，适应性并不强，后期已逐步演变为生物/膜/电解主处理单元的预处理/后续处理单元。

3.2 生化法

生物化学方法(简称生化法)，是将生物和化学方法综合运用处理废水的一种方法，兴起于19世纪末，现主要应用于城市生活污水和工业废水的污水治理。也是海上平台最早应用的生活污水处理技术之一。生化法通过人为创造有利于微生物大量繁殖的环境，利用微生物的氧化、还原、合成等作用，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物转化为无害的物质，从而达到净化污水的目的。参与污水处理的微生物主要以细菌为主，细菌通过细胞壁将污水中的有机物吸收进入体内，然后通过自身的生命活动将吸收的一部分有机物氧化成简单的无机物，并释放出细菌生长活动所需的能量；同时，另一部分有机物则被转化为生物体必须的原生质，从而分裂产生出更多的细菌。

根据微生物的呼吸类型，可以将处理方式分为好氧生物处理和厌氧生物处理两种。好氧生物处理的特点是反应速度较快，所需的反应时间短，处理过程中散发的臭气较少，所需的处理构筑物的容积较小，目前对中、低浓度的有机废水基本上采用好氧生物处理法。好氧生物处理法主要为活性污泥法和生物膜法。厌氧生物处理的特点是能耗大大降低，而且还可以回收生物能，污泥产量很低，厌氧微生物可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解，反应过程复杂，目前，对于有机污泥和高浓度有机废水可采用厌氧生物处理法。两者对比如表1。

表1 好氧与厌氧生物处理对比Tab.1 Comparison of aerobic and anaerobic treatment

生化法由于需要一定的有机质来维持细菌的繁殖与生存，故而更多用于处理“黑水”。首先，生化法运行时同样也需要一定的反应停留时间及空间，而使得设备整体占用空间难以满足现场紧凑的要求；其次，海上平台人员的不固定，使得污水水量、水温、组成成分变化较大，对细菌微生物的繁殖和生存有一定冲击；此外，污泥的驯养、定期的活化污泥更新以及若采用人工加药，都在一定程度上增加了海上人员的工作量。因此，海上平台单独采用生化法，定期维护很重要，如无定期维护，很难保证设备的长期稳定运行。

3.3 MBR法

MBR污水处理技术，是采用膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)将生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新技术，是现代污水处理的一种常用方式，20世纪70年代在美国、日本、南非和欧洲许多国家就已开始将膜生物反应器用于污水和废水处理的研究工作。可处理生活污水(如淋浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、厕所排水等)和冷却水。

MBR工艺可以高效地进行固液分离，得到直接使用的稳定中水。又可在生物池内维持高浓度的微生物量，工艺剩余污泥少，可有效地去除氨氮，出水悬浮物和浊度很低，出水中细菌和病毒被大幅度去除。具有分离工艺简单，占地少，出水水质好；可有效防止各种微生物菌群的流失，在处理单元内维持较高浓度的生物量；使一些大分子难降解的有机物停留时间变长，并充分分解等优点。正逐步取代生化法/物化法或者与其他技术工艺组合，在海上平台实施应用。MBR法生活污水处理装置简易流程如图1。

3.4 电解法

废水的电解法处理，是应用电解的机理，使原本废水中有害物质通过电解过程在阴、阳两极上分别发生氧化和还原反应转化成为无害物质以实现废水净化的方法。通常海上应用较多的是通过电解海水产生次氯酸钠而起到杀菌并防止海生物附着的功能；其次，因电解水的作用，可分别在阴极和阳极产生氢气和氧气，除了氧化还原作用，还能同时产生细小的气泡，使絮凝物或油附在气泡上浮升至液面以利于排除，而起到浮选作用；若增加铁或铝制金属阳极，通过电解水解，还可以产生氢氧化亚铁或氢氧化铝等絮凝剂促进污染物的积聚、沉淀、分离处理。絮凝作用还可吸附废水中呈胶体状态或溶解状态的染料分子，而氧化还原作用可破坏生色基团，取得脱色效果。由此可见，电解装置(加海水电解)的引入可以实现氧化还原、电浮选、电絮凝及杀菌等功效，分别以各自的作用替代原有生活污水处理装置中的部分混凝、沉淀和杀菌设备/药剂，以去除废水中的污染物。

图1 MBR法生活污水处理装置简易流程图Fig.1 Simple flow chart of MBR domestic sewage treatment device

国内海上平台最早应用的电解法设备多是在合作开发油田区块，占比较大的是Severn Trent 公司的OMNIPURE和MARINER OMNIPURE系列产品。

OMNIPURE系列产品的主要流程是：首先，将一定量的海水引入序批处理罐，同时，在自动混合罐内用水稀释高聚物待用。待处理污水通过泵打入序批处理罐后，海水和污水的混合物循环通过电解槽进行氧化和杀菌处理，杀菌处理的同时还会在液体表面产生电浮选。而后预混的高聚物进入混合池进行絮凝、沉淀，将上层清液排海，下层固体进入固体储罐待后续处置。

目前，海上平台更新换代的主要为国内科研院所和各船用生活污水处理装置或水处理公司通过各种组合方式开发的新型电解法装置。

对比目前国内外几家已在海上平台应用的电解法设备，基本流程大体有以下三种：

(1) 物化+电解方式：→预处理(混凝/沉淀/电絮凝)→(分离罐)→电解接触柜→(清水罐/活性炭罐)→外排；

(2) 生化+电解方式：污水收集罐(缓冲调节罐)→生物反应器→过滤器→电解接触柜→外排；

(3) MBR法+电解方式：污水收集罐(缓冲调节罐)→(电絮凝)→内置膜过滤器→电解接触柜→外排。

就整体应用效果而言，单纯的电解法并不能完全满足平台生活污水处理的需要，因此，新技术的发展主要是融合了电解法和其他几种污水处理技术的优势。相比较而言，MBR法和电解法结合，其运行较为稳定，处理效果良好。这种工艺下，平台黑水及洗浴废水直接进入污水缓冲调节柜，餐厨废水经过撇油器再进入污水缓冲调节柜。污水缓冲调节柜主要起水量调节及水质、水温均衡的作用，避免由于水量、水质、水温随时间分布不均匀而对后续处理单元造成的冲击影响。然后由传输泵将污水缓冲调节柜内污水转移至电絮凝柜，对生活污水进行初步预处理，絮凝沉降部分污染物，减轻后续电解单元处理压力。电絮凝沉淀处理并经膜生物反应器后送到电解槽进行电解处理，处理后的水再经过消解分离沉降达到排放标准，出水可直接排海。MBR法+电解法生活污水处理装置简易流程图如图2。

图2 MBR法+电解法生活污水处理装置简易流程图
Fig.2 Simple flow chart of MBR domestic sewage treatment device

4 几种海上平台生活污水处理技术对比

考虑到海上平台空间有限；设备受环境温度、湿度及气象条件等影响较大；出海作业相比陆地受时间、空间、气候等条件制约；以及操作难易程度和经济性等因素，主要从设备体积、重量；一次性投资及日常维护；关键部件维修更换；处理效果等方面进行了技术的简要对比，具体内容见表2。

从表2可以看出，物化法更适合于前端的预处理和尾端的后处理单元，以提高后续单元的处理效果，减轻处理压力；生化法主要通过生物分解降低污泥量，对降低BOD、COD指标作用比较明显；MBR法中膜的应用增强了过滤效果、使出水水质更稳定；而电解法日常运行操作和后期维护都较为简便。因此，目前海上平台生活污水处理采用的技术都不是单一的物化、生化、电解方法，通常是两种甚至三种技术的优势组合。

表2 各种平台生活污水处理技术(装置)对比Tab.2 Comparison of domestic sewage treatment technologies and installations on various platforms

5 海上平台生活污水处理技术未来发展方向探讨

随着海上平台/船舶的增加，以及国家对海洋污染治理重视程度的提高，我国有关海上平台/船舶生活污水处理装置的选型、设计、制造等相关标准也在不断完善，并逐步与国际相关标准靠拢。尤其是2018-01-04，国家海洋局印发了《关于率先在渤海等重点海域建立实施排污总量控制制度的意见》，同时配套印发了《重点海域排污总量控制技术指南》，首次从污染物总量控制上突出了国家对于海洋环保治理的重要部署和决心。各种规范标准的完善和实施将促使未来海上平台生活污水处理装置更加趋向于轻便、高效、易操作、维护简单、耐用、绿色环保等特点。尤其是作为污染控制设备，海上平台/船舶生活污水处理今后的主要技术方向和考核指标必将以环保为首位考虑因素。