長輸管道油氣站場是保障油氣安全輸送的重要環(huán)節(jié)，也是油氣加壓、分輸（清管）和站場管理人員工作與生活的重要場所。長輸管道站場一般距離城鎮(zhèn)較遠，生活污水無市政排水管網(wǎng)可依托，必須在站場內(nèi)有效處理、尾水資源化利用。站場管理人員一般為10~50人，生活污水水量較少，排放比較集中。筆者調(diào)查了山東管網(wǎng)站場、西氣東輸贛湘管理處各站場、延長氣田廠前區(qū)等24座污水處理設(shè)施，其中13座站場采用A/O-MBR工藝，11座為A/O工藝，處理達標(biāo)后的污水用于站場綠化或外排。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以上污水處理工藝不能適應(yīng)站場生活污水水量小、排水間隔大等特點，一體化污水處理設(shè)施運維難度大，而站場缺少專業(yè)管護人員，不能定期實施膜清洗與設(shè)備保養(yǎng)，一體化裝備運行3年左右即出現(xiàn)設(shè)備腐蝕老化等現(xiàn)象，嚴重影響出水效果，出水水質(zhì)很難穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。
針對偏遠小型油氣站場生活污水排放的特點，汲取國內(nèi)常用污水處理工藝的優(yōu)點，通過工藝篩選優(yōu)化，耦合物化、生化、生態(tài)三種工藝，形成恒水位厭氧-缺氧/豎向脈沖滴濾/多孔介質(zhì)濾床的污水處理組合工藝處理油氣站場生活污水，采用干濕交替運行，全流程僅在缺氧池內(nèi)設(shè)置1臺提升水泵，系統(tǒng)簡約運行，管理簡單方便，適用于偏遠油氣站場少人或無人值守的運行模式，可解決常規(guī)生化處理工藝不適應(yīng)偏遠小型油氣站場生活污水間歇排放、出水很難穩(wěn)定達標(biāo)的難題。以東營市魯源管理站生活污水處理工程應(yīng)用為例，介紹了工藝流程、凈化機理及處理效果，可為類似油氣站場生活污水處理工程提供參考。
1、工程概況、凈化機理及工藝設(shè)計
1.1 工程概況
該工程位于東營市魯勝油公司魯源管理站，處理對象為站場洗滌和衛(wèi)生間的生活污水，原水水質(zhì)見表1。設(shè)計污水處理規(guī)模為5.0m3/d，處理后的中水回用于管理站場區(qū)綠化澆灑，多余部分外排至站內(nèi)雨水溝。處理出水水質(zhì)需滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920—2020）的綠化用水標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 凈化機理
該污水處理系統(tǒng)主要包括3個處理單元：厭氧缺氧池、脈沖滴濾池（好氧）和生態(tài)介質(zhì)濾床，各單元分別以不同的凈化機理協(xié)同完成對有機物的去除，最終達到出水水質(zhì)要求。
①厭氧-缺氧池。
本單元集厭氧池、缺氧池、泵池為一體，具有水質(zhì)凈化和水量調(diào)節(jié)作用，水力停留時間以1~2d為宜。厭氧池保持恒水位運行，厭氧微生物與污水中的有機質(zhì)充分接觸，使得大部分有機污染物得到降解。厭氧池出水進入缺氧池，同時脈沖滴濾池好氧段的硝化液也回流至缺氧池。在缺氧條件下，反硝化細菌利用NO2-和NO3-作為電子受體，將硝酸鹽還原成氮氣，同時部分微生物利用硝酸鹽作為氮素營養(yǎng)，通過同化作用合成細胞物質(zhì)，而缺氧池利用回流液的剩余溶解氧氧化污水中的還原性致臭物質(zhì)，因此缺氧池具有異養(yǎng)反硝化同步脫氮除臭功能，總氮主要在缺氧池內(nèi)去除，而對氨氮的削減主要靠回流稀釋作用。隨著回流比增大，缺氧池的溶解氧含量升高，破壞了缺氧環(huán)境，對反硝化脫氮起到抑制作用，對總氮的去除率會逐漸下降。硝化液回流比一般控制在200%~300%。
②脈沖滴濾池。
脈沖滴濾池作為好氧單元，內(nèi)設(shè)多層復(fù)合生物填料，集有機物降解和生物脫氮除磷功能為一體。在自然充氧條件下持續(xù)進水，自動間歇排水，實現(xiàn)干濕交替運行，即當(dāng)污水量較大時，均勻布水到多層填料，實現(xiàn)脈沖滴濾塔的濕式運行；當(dāng)污水量間斷時，多孔填料仍能保持一定的潤濕度，填料多孔內(nèi)微生物不會因缺水而“餓死”，以填料為載體繼續(xù)在干式模式下實現(xiàn)對污染物的降解。因此，本裝置具有較高的抗沖擊負荷能力，在站場污水少甚至斷水的條件下，仍能正常運行，解決了常規(guī)生化污水處理方式因水量少、C/N低等而無法達到預(yù)期處理效果的難題。本裝置通過多層高效吸附填料對污染物進行截濾吸附，并經(jīng)氨化、硝化、反硝化作用，將有機氮分解為氨氮，進一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，最后還原成氮氣逸出；在各類微生物的共同作用下，實現(xiàn)脫氮，未被轉(zhuǎn)化的硝態(tài)氮一部分回流至缺氧池進一步脫氮。
③生態(tài)介質(zhì)濾床。
主要通過填料物理截濾、吸附和鈣磷沉淀去除氮、磷；微生物通過硝化和反硝化作用實現(xiàn)脫氮功能，吸收氨氮；生態(tài)介質(zhì)濾床的水生植物通過吸收和同化作用將氮、磷轉(zhuǎn)化為植物的蛋白質(zhì)、ATP等，再通過植物收割而去除。
1.3 工藝設(shè)計
魯源管理站衛(wèi)生間的生活污水排至室外化糞池，經(jīng)化糞池初步處理、格柵池截留大顆粒固體雜質(zhì)后，進入?yún)捬?/span>-缺氧池（提升）—豎向脈沖滴濾池—多孔介質(zhì)生態(tài)濾床—出水至清水池，工藝流程見圖1。其中脈沖滴濾池部分出水至后端的多孔生態(tài)介質(zhì)濾床，其余出水回流至缺氧池進一步脫氮除臭；清水池暫存處理后的中水，經(jīng)消毒后用于綠化或外排。
①厭氧-缺氧池。
池體構(gòu)型為《玻璃鋼化糞池選用與埋設(shè)》（14SS706）中YJBH-3-Ⅱ改進型化糞池，有效容積為6.0m3，前兩格間采用上部溢流，保持恒水位運行，容積為4.0m3，填充Ø150mm的彈性立體填料，填充率為80%。第三格為泵區(qū)，有效容積為2.0m3，底部50%空間設(shè)置彈性填料，上部為水量調(diào)節(jié)區(qū)，泵池區(qū)內(nèi)潛污泵將水提升至脈沖滴濾池頂部脈沖水箱。
②豎向脈沖滴濾池。橫截面平面尺寸為1.5m×1.5m，脈沖水力負荷為6.3m3（/m2·d）。頂部脈沖水箱容積為40L，設(shè)計脈沖時間為5~8min，水箱內(nèi)設(shè)落水膽，當(dāng)水箱內(nèi)水位達到高水位時，落水膽打開，水量脈沖至填料上部布水板，靠重力均勻布水至填料層，流經(jīng)多層復(fù)合生物填料層至出水區(qū)。填料層高度為1.65m，自下而上依次為5~10mm粒徑生物活性沸石層、2~3mm粒徑活性鎂鋁吸附填料、50~80mm粒徑輕質(zhì)多孔緩釋鈣源除磷填料。為進一步強化脫氮效果，除磷填料中另增加硫鐵礦。通過填料粒徑配置，保持濾料層持水時間為10~20min。脈沖水流在流經(jīng)填料層過程中，依靠脈沖塔式構(gòu)造拔風(fēng)，同時實現(xiàn)跌水充氧。
③多孔生態(tài)介質(zhì)濾床。填料總厚度為0.60m，選擇高吸附性能的生物填料和合理的級配，特別是輕質(zhì)多孔靶向除磷填料，生成鈣磷沉淀而固定下來，由植物吸收去除，大大提高截污吸附效果和去污能力，節(jié)省填料量，相對于傳統(tǒng)的水平潛流濕地，填料層厚度減少50%以上。按照水流方向，依次縱向填充輕質(zhì)多孔靶向除磷填料、活性沸石、火山巖等，頂部設(shè)置厚度為100mm的細砂層作為植物定植層，種植適應(yīng)北方寒冷地區(qū)多年生常綠鳶尾。濾床有效平面尺寸為5.0m×2.0m，表面水力負荷為0.50m3（/m2·d）。
該工程于2021年10月建成并投入試運行，馴化完成后進入運行階段。每周采樣1次，設(shè)置進水、缺氧池出口、脈沖滴濾池出口、介質(zhì)濾床出口等4個采樣點，COD、BOD5、NH4+-N、TN、TP指標(biāo)的分析方法見《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）。
2、結(jié)果與分析
2.1 馴化與試運行階段
魯源管理站生活污水裝置于2021年10月15日啟動。接種污泥取自東營市基地南污水處理廠的二沉池，注入?yún)捬?/span>-缺氧池后，全回流方式連續(xù)運行2d。按污水量為2.0m3/d試運行，每天連續(xù)運行5h，回流比控制在300%左右；啟動過程連續(xù)30d，觀察到厭氧-缺氧池內(nèi)彈性填料上附著生物膜后，可作為馴化結(jié)束的標(biāo)志。
2021年11月15日進入試運行階段，實際運行水量為2.0~5.0m3/d，脈沖滴濾池回流比控制在200%~300%，外界環(huán)境溫度為-2~15℃。污水處理系統(tǒng)自動化運行，水泵根據(jù)池內(nèi)設(shè)定的最高、最低水位控制自動運行，脈沖滴濾池與多孔介質(zhì)濾床采用干濕交替運行模式。啟動期分別于2021年11月26日與12月3日采集水樣，水質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。
系統(tǒng)試運行階段，COD、BOD5、NH4+-N、TP等指標(biāo)均達到設(shè)計要求，而出水TN仍然高于40mg/L，與15mg/L的設(shè)計限值還有較大差距，分析原因是脈沖滴濾池回流比為200%~300%，回流污水?dāng)y帶溶解氧進入缺氧池，造成缺氧池內(nèi)溶解氧>2.0mg/L，在提升總氮去除率的同時，也抑制了反硝化反應(yīng)強度，可適當(dāng)降低回流比，保證缺氧環(huán)境。系統(tǒng)對TP的去除效果較好，主要是因為脈沖滴濾池和介質(zhì)濾床靶向除磷填料高效的吸附截留作用；另外，基于水質(zhì)變化，系統(tǒng)對TN以外的污染物均有較好的去除效果，分析原因是冬季室內(nèi)使用熱水比例較高，化糞池、厭氧池內(nèi)的水溫為14~18℃，處理單元受環(huán)境溫度影響較小，從而保證了污水處理系統(tǒng)的有效運行。
2.2 穩(wěn)定運行階段水質(zhì)變化
系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段于2022年3月1日開始，每周采集一次水樣，分析指標(biāo)包括COD、NH4+-N、TN、TP，共采集15次水樣分析對污染物的去除率。
①COD去除效果（見圖2）。
穩(wěn)定運行階段系統(tǒng)進水（原水）COD為138~289mg/L，平均值為214mg/L，濾床出水COD均低于50mg/L的設(shè)計限值，平均出水COD為31.9mg/L，平均COD總?cè)コ蕿?/span>85.1%。從COD變化可以看出，厭氧-缺氧池是COD去除的主要單元，COD平均削減量為138.6mg/L，對系統(tǒng)中COD的去除貢獻率為76.0%。脈沖滴濾池和生態(tài)介質(zhì)濾床對系統(tǒng)COD去除貢獻率分別為15.9%和8.1%。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，厭氧-缺氧池/脈沖滴濾池/生態(tài)介質(zhì)濾床協(xié)同發(fā)揮對有機物的去除作用，從而保證了出水水質(zhì)達到設(shè)計要求。
②NH4+-N去除效果（見圖3）。
穩(wěn)定運行階段系統(tǒng)進水（原水）NH4+-N為36.7~58.2mg/L，平均值為42.7mg/L，與市政生活污水相比，NH4+-N相對較高。濾床出水的NH4+-N平均值為4.29mg/L，所有周次的出水氨氮均低于8.0mg/L的設(shè)計限值。系統(tǒng)流程中對NH4+-N的平均總?cè)コ蕿?/span>90.0%。從NH4+-N變化可以看出，厭氧-缺氧池、脈沖滴濾池是去除氨氮的主要單元，厭氧-缺氧池對NH4+-N的平均削減量為26.3mg/L，脈沖滴濾池對NH4+-N的削減量為10.4mg/L，對系統(tǒng)中NH4+-N去除的貢獻率分別為61.6%和24.4%。脈沖滴濾池實現(xiàn)了對NH4+-N的持續(xù)削減，保障了出水水質(zhì)。從工藝流程NH4+-N縱向濃度變化來看，脈沖滴濾池出水NH4+-N已達到設(shè)計要求。
③TN去除效果（見圖4）。
穩(wěn)定運行階段系統(tǒng)進水（原水）TN為51.3~78.1mg/L，平均值為62.3mg/L，TN相對較高，相對于市政污水來說，站場內(nèi)生活污水的C/N較低，僅為3.45。本工藝采用自養(yǎng)反硝化與生物膜的生化反硝化同步脫氮，可提升TN去除效果。對總氮的去除主要由厭氧-缺氧池和脈沖滴濾池協(xié)同完成。介質(zhì)濾床出水TN平均值為10.74mg/L，且所有周次的出水TN均在15.0mg/L設(shè)計限值附近，而TN平均總?cè)コ蕿?/span>82.6%。從TN變化可以看出，脈沖滴濾池出口的TN均已低于15.0mg/L的設(shè)計要求，而介質(zhì)濾床對TN的去除貢獻率僅為8.5%。
常態(tài)化運行階段進水TN較高，厭氧-缺氧池反硝化的TN去除率大幅提升，TN削減貢獻率為78.8%。脈沖滴濾池對TN的去除貢獻率為12.7%，但該處理單元對TN的去除率達到30.1%，由于脈沖滴濾池采用輕質(zhì)多孔除磷填料，填料中增加硫鐵礦，20min的持水時間內(nèi)單質(zhì)硫和亞鐵離子結(jié)合提供電子供體，微生物完成自養(yǎng)反硝化功能，從而強化了脫氮效果。
④TP去除效果（見圖5）。
穩(wěn)定運行階段，系統(tǒng)進水（原水）TP為3.20~5.81mg/L，平均值為4.42mg/L，濾床出水TP平均值為0.53mg/L，TP平均去除率為88%。從TP變化可以看出，前4周進水TP偏高，由于總排水量較少，大量洗滌廢水匯入，導(dǎo)致TP偏高，而此時生態(tài)介質(zhì)濾床植物為換茬過渡期，植物對磷的吸收受到影響，出水TP保持在1.0mg/L以下，滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920—2020）的綠化用水標(biāo)準(zhǔn)，可全部用于綠化，不需要外排。隨著用水量的增加，進水TP有所下降，生態(tài)介質(zhì)濾床植物也隨之生長，充分發(fā)揮了吸收和同化作用，第5周以后濾床出口的總磷濃度均滿足設(shè)計要求。在常態(tài)化運行階段，厭氧缺氧池、脈沖滴濾池和生態(tài)介質(zhì)濾床對總磷的去除率分別為45.7%、49.5%和56.6%，可見以凈水填料為主的脈沖滴濾池和生態(tài)濾床是除磷的主要功能區(qū)。
3、技術(shù)經(jīng)濟分析
魯源管理站生活污水設(shè)計處理水量為5.0m3/d，總占地31.05m2，處理后水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，同步達到市政綠化用水的水質(zhì)要求。
①電費。
全流程僅設(shè)1臺0.37kW潛水泵，根據(jù)液位變化自動啟停，由于水量較小，水泵出水部分回流以滿足脈沖濾池的運行水量要求。運行15周，污水處理設(shè)施周邊5m無異味，累計處理污水量231m3、耗電116.55kW·h，按工業(yè)電價為0.65元（/kW·h）計算，污水處理直接運行成本為0.328元/m3。根據(jù)工程經(jīng)驗，常規(guī)AO-MBR工藝整機功率約5.5kW，每天運行5~10h（按5h計），耗電27.5kW·h/d，污水處理直接運行成本為3.575元/m3。因此在相同處理規(guī)模條件下，該工藝運行成本比常規(guī)AO-MBR等生化工藝節(jié)省約90%。
②運行管理。
該系統(tǒng)動力設(shè)備僅1臺潛污泵，不需要常規(guī)生化處理設(shè)備的定期加藥清洗等復(fù)雜的專業(yè)管理，操作簡單，維護管理方便，可有效節(jié)省人工管理成本。綜上，該工藝在直接運行成本和維護管理方面具有較大的優(yōu)勢，適于少人值守的油氣站場生活污水處理。
4、結(jié)論
①根據(jù)東營市魯源管理站的生活污水水量、水質(zhì)特點，采用恒水位厭氧-缺氧/豎向脈沖滴濾/多孔介質(zhì)濾床的污水處理工藝，設(shè)計處理水量為5.0m3/d，總占地面積為31.05m2，運行成本為0.328元/m3。
②馴化與試運行階段，厭氧-缺氧池投加二沉池活性污泥，全回流連續(xù)運行2d后，按2.0m3/d試運行，回流比控制在300%，啟動過程連續(xù)30d，即成功馴化污水處理系統(tǒng)，但缺氧反硝化脫氮單元由于受溫度影響，馴化周期相對較長。
③穩(wěn)定運行階段，系統(tǒng)根據(jù)原水的水量變化自適應(yīng)干濕交替運行，出水COD、NH4+-N、TN、TP的平均濃度分別為31.9、4.29、10.74和0.53mg/L，滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920—2020）的綠化用水標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。
綜上，該生活污水處理工藝具有運行成本低、管理運維方便、適應(yīng)性強、出水可穩(wěn)定達標(biāo)且節(jié)能環(huán)保，在長輸管道偏遠油氣站場和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)污水處理領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。（來源：中石化石油工程設(shè)計有限公司，勝利油田魯明油氣勘探開發(fā)有限公司，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院）
