長輸管道油氣站場是保障油氣安全輸送的重要環節，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較遠，生活污水無市政排水管網可依托，必須在站場內有效處理、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。筆者調查了山東管網站場、西氣東輸贛湘管理處各站場、延長氣田廠前區等24座污水處理設施，其中13座站場采用A/O-MBR工藝，11座為A/O工藝，處理達標后的污水用于站場綠化或外排。調查發現，以上污水處理工藝不能適應站場生活污水水量小、排水間隔大等特點，一體化污水處理設施運維難度大，而站場缺少專業管護人員，不能定期實施膜清洗與設備保養，一體化裝備運行3年左右即出現設備腐蝕老化等現象，嚴重影響出水效果，出水水質很難穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。
針對偏遠小型油氣站場生活污水排放的特點，汲取國內常用污水處理工藝的優點，通過工藝篩選優化，耦合物化、生化、生態三種工藝，形成恒水位厭氧-缺氧/豎向脈沖滴濾/多孔介質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設置1臺提升水泵，系統簡約運行，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，可解決常規生化處理工藝不適應偏遠小型油氣站場生活污水間歇排放、出水很難穩定達標的難題。以東營市魯源管理站生活污水處理工程應用為例，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生間的生活污水，原水水質見表1。設計污水處理規模為5.0m3/d，處理后的中水回用于管理站場區綠化澆灑，多余部分外排至站內雨水溝。處理出水水質需滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920—2020）的綠化用水標準和《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。
1.2 凈化機理
該污水處理系統主要包括3個處理單元：厭氧缺氧池、脈沖滴濾池（好氧）和生態介質濾床，各單元分別以不同的凈化機理協同完成對有機物的去除，最終達到出水水質要求。
①厭氧-缺氧池。
本單元集厭氧池、缺氧池、泵池為一體，具有水質凈化和水量調節作用，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，通過同化作用合成細胞物質，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，因此缺氧池具有異養反硝化同步脫氮除臭功能，總氮主要在缺氧池內去除，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，內設多層復合生物填料，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進水，自動間歇排水，實現干濕交替運行，即當污水量較大時，均勻布水到多層填料，實現脈沖滴濾塔的濕式運行；當污水量間斷時，多孔填料仍能保持一定的潤濕度，填料多孔內微生物不會因缺水而“餓死”，以填料為載體繼續在干式模式下實現對污染物的降解。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，解決了常規生化污水處理方式因水量少、C/N低等而無法達到預期處理效果的難題。本裝置通過多層高效吸附填料對污染物進行截濾吸附，并經氨化、硝化、反硝化作用，將有機氮分解為氨氮，進一步轉化為硝態氮，最后還原成氮氣逸出；在各類微生物的共同作用下，實現脫氮，未被轉化的硝態氮一部分回流至缺氧池進一步脫氮。
③生態介質濾床。
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脫氮功能，吸收氨氮；生態介質濾床的水生植物通過吸收和同化作用將氮、磷轉化為植物的蛋白質、ATP等，再通過植物收割而去除。
1.3 工藝設計
魯源管理站衛生間的生活污水排至室外化糞池，經化糞池初步處理、格柵池截留大顆粒固體雜質后，進入厭氧-缺氧池（提升）—豎向脈沖滴濾池—多孔介質生態濾床—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介質濾床，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，經消毒后用于綠化或外排。
①厭氧-缺氧池。
池體構型為《玻璃鋼化糞池選用與埋設》（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，有效容積為2.0m3，底部50%空間設置彈性填料，上部為水量調節區，泵池區內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，設計脈沖時間為5~8min，水箱內設落水膽，當水箱內水位達到高水位時，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，流經多層復合生物填料層至出水區。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。脈沖水流在流經填料層過程中，依靠脈沖塔式構造拔風，同時實現跌水充氧。
③多孔生態介質濾床。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，節省填料量，相對于傳統的水平潛流濕地，填料層厚度減少50%以上。按照水流方向，依次縱向填充輕質多孔靶向除磷填料、活性沸石、火山巖等，頂部設置厚度為100mm的細砂層作為植物定植層，種植適應北方寒冷地區多年生常綠鳶尾。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，設置進水、缺氧池出口、脈沖滴濾池出口、介質濾床出口等4個采樣點，COD、BOD5、NH4+-N、TN、TP指標的分析方法見《水和廢水監測分析方法》（第4版）。
2、結果與分析
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，注入厭氧-缺氧池后，全回流方式連續運行2d。按污水量為2.0m3/d試運行，每天連續運行5h，回流比控制在300%左右；啟動過程連續30d，觀察到厭氧-缺氧池內彈性填料上附著生物膜后，可作為馴化結束的標志。
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%，外界環境溫度為-2~15℃。污水處理系統自動化運行，水泵根據池內設定的最高、最低水位控制自動運行，脈沖滴濾池與多孔介質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，水質數據見表2。
系統試運行階段，COD、BOD5、NH4+-N、TP等指標均達到設計要求，而出水TN仍然高于40mg/L，與15mg/L的設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%，回流污水攜帶溶解氧進入缺氧池，造成缺氧池內溶解氧>2.0mg/L，在提升總氮去除率的同時，也抑制了反硝化反應強度，可適當降低回流比，保證缺氧環境。系統對TP的去除效果較好，主要是因為脈沖滴濾池和介質濾床靶向除磷填料高效的吸附截留作用；另外，基于水質變化，系統對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使用熱水比例較高，化糞池、厭氧池內的水溫為14~18℃，處理單元受環境溫度影響較小，從而保證了污水處理系統的有效運行。
2.2 穩定運行階段水質變化
系統穩定運行階段于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）。
穩定運行階段系統進水（原水）COD為138~289mg/L，平均值為214mg/L，濾床出水COD均低于50mg/L的設計限值，平均出水COD為31.9mg/L，平均COD總去除率為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，對系統中COD的去除貢獻率為76.0%。脈沖滴濾池和生態介質濾床對系統COD去除貢獻率分別為15.9%和8.1%。從系統結構來看，厭氧-缺氧池/脈沖滴濾池/生態介質濾床協同發揮對有機物的去除作用，從而保證了出水水質達到設計要求。
②NH4+-N去除效果（見圖3）。
穩定運行階段系統進水（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的設計限值。系統流程中對NH4+-N的平均總去除率為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，對系統中NH4+-N去除的貢獻率分別為61.6%和24.4%。脈沖滴濾池實現了對NH4+-N的持續削減，保障了出水水質。從工藝流程NH4+-N縱向濃度變化來看，脈沖滴濾池出水NH4+-N已達到設計要求。
③TN去除效果（見圖4）。
穩定運行階段系統進水（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，站場內生活污水的C/N較低，僅為3.45。本工藝采用自養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同完成。介質濾床出水TN平均值為10.74mg/L，且所有周次的出水TN均在15.0mg/L設計限值附近，而TN平均總去除率為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的設計要求，而介質濾床對TN的去除貢獻率僅為8.5%。
常態化運行階段進水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多孔除磷填料，填料中增加硫鐵礦，20min的持水時間內單質硫和亞鐵離子結合提供電子供體，微生物完成自養反硝化功能，從而強化了脫氮效果。
④TP去除效果（見圖5）。
穩定運行階段，系統進水（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，導致TP偏高，而此時生態介質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》（GB/T18920—2020）的綠化用水標準，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，生態介質濾床植物也隨之生長，充分發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計要求。在常態化運行階段，厭氧缺氧池、脈沖滴濾池和生態介質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濾床是除磷的主要功能區。
3、技術經濟分析
魯源管理站生活污水設計處理水量為5.0m3/d，總占地31.05m2，處理后水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準，同步達到市政綠化用水的水質要求。
①電費。
全流程僅設1臺0.37kW潛水泵，根據液位變化自動啟停，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，污水處理設施周邊5m無異味，累計處理污水量231m3、耗電116.55kW·h，按工業電價為0.65元（/kW·h）計算，污水處理直接運行成本為0.328元/m3。根據工程經驗，常規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。因此在相同處理規模條件下，該工藝運行成本比常規AO-MBR等生化工藝節省約90%。
②運行管理。
該系統動力設備僅1臺潛污泵，不需要常規生化處理設備的定期加藥清洗等復雜的專業管理，操作簡單，維護管理方便，可有效節省人工管理成本。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勢，適于少人值守的油氣站場生活污水處理。
4、結論
①根據東營市魯源管理站的生活污水水量、水質特點，采用恒水位厭氧-缺氧/豎向脈沖滴濾/多孔介質濾床的污水處理工藝，設計處理水量為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，全回流連續運行2d后，按2.0m3/d試運行，回流比控制在300%，啟動過程連續30d，即成功馴化污水處理系統，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穩定運行階段，系統根據原水的水量變化自適應干濕交替運行，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》（GB/T18920—2020）的綠化用水標準和《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。
綜上，該生活污水處理工藝具有運行成本低、管理運維方便、適應性強、出水可穩定達標且節能環保，在長輸管道偏遠油氣站場和鄉鎮企業污水處理領域具有較好的應用前景。（來源：中石化石油工程設計有限公司，勝利油田魯明油氣勘探開發有限公司，東南大學能源與環境學院）
