稠油开采废水是一种比较特殊、成分复杂和难降解的废水，具有含油量高、粘度大、乳化稳定性强、高有机物含量等特点，并且废水中往往含有大量芳香族类难降解有机物和有毒有害物质，如硫化物、挥发酚等。大多数污染物是有毒的大分子有机物，这降低了生物降解能力，并影响了废水的溶解度。此外，重油精炼厂废水在数量和质量上都有较大的波动，增加了生物处理的难度。开发了一种成本低、产量少的适合于稠油污水处理的生物处理工艺。
关键词：
稠油污水；膜生物反应器；生物处理；石油污染
随着能源需求的增加，世界石油消费量日益增长。稠油作为能源供应的重要组成部分，正受到越来越多的利用。大量的重油精炼厂废水由原油加工产生的。与轻油精炼厂废水相比，重油精炼厂废水含有更多的极性有机物和复杂溶解的不稳定化合物，如环烷酸、杂环化合物、表面活性剂和重矿物油等。
石油废水中的污染物如排放到环境中，会对人体健康产生急性或慢性的直接/间接影响。慢性影响包括窒息，缺氧，发育不良，代谢反应紊乱和生命形式激素不平衡等。急性影响包括急性坏死、低体温、窒息以及食物中毒等。长期的影响包括诸如下颌减少、缺乏色素沉着和未使用的头骨等海洋动物的发育异常。这些影响导致了物种种群或群落的变化，从而导致整个生态系统的变化。原油成分特别是多环芳烃具有诱发恶性肿瘤的潜力，因为它们对RNA、蛋白质和 DNA 等大分子的亲核中心有很大的亲和力，故这些肿瘤主要影响皮肤和其他上皮组织。
中国的大部分油田已经进入三次采油阶段。通过注入大量的水采出轻油或注入蒸汽冲采出重油的方法被认为是油田开发过程中最有效的三次采油技术。然而，随着原油的开采，更多的水被排出。处理好水资源的循环利用，防止污染土地和地下水是亟待解决的问题。
近些年来，通过微生物降解处理油田废水受到越来越多的关注。目前，大多数重油精炼厂废水都采用常规厌氧-好氧处理工艺处理。在厌氧单元中，仅获得了 0.3~0.6 kg COD/(m3·d)的有机加载速率。有可能是污泥沉降能力差导致微生物冲刷和对有毒化合物的抵抗力差，导致生物抑制。其中，活性污泥系统是用于降解工业废水中有机污染物的常用二级好氧系统。然而，这种污泥再循环系统的有效性受到澄清步骤效率低的限制。因此，往往在试图通过增加污泥龄来减少污泥的产生时遇到困难。
当需要高度降解时，固定膜生物反应器具有最大的效率和稳定性。固定膜系统的关键部件是充满专有介质的腔室和许多细小的圆形纤维团。固定膜生物反应器的一个独特之处是可用于微生物附着和生长的介质的巨大表面积。本研究的目的是开发一种有效的、较便宜的生物处理工艺，以减少从重油回收废水中产生的剩余污泥。
1 生物降解石油废水原理
石油烃类污染物可以通过各种途径降解，如终端氧化、亚端氧化、ω氧化和β氧化。微生物降解n -烷烃的可能有很多不同途径。碳氢化合物降解的常见途径包括烷烃氧化后的初始降解，醇的生成，和通过醛脱氢与相应的羧酸进行脱氢，然后由脂肪酸β氧化产生代谢产物。烷烃通常被单端氧化降解。
在此过程中，将分子氧被引入到烃类中，使氧化末端甲基形成醇是这一过程的第一步。最初形成的醇被氧化成醛和脂肪酸。接下来是β氧化，即乙酰辅酶 a 的形成和去除，脂肪酸被缩短为双碳原子化合物。还有其他的氧化途径如二端和次末端氧化。在双端通道中，烷烃分子两端的氧化作用通过 x -羟基化(x 位置代表末端甲基基团)，然后进一步转化为二羧酸并经过β氧化处理。然而，烷烃被氧化成次生醇，然后在亚末端氧化中得到相应的酮和酯。然后，酯水解生成醇和脂肪酸并通过末端氧化途径报告 n -烷烃降解。
2 实验部分
取大庆油田某区块稠油生产废水作为研究对象。该区块处于三次采油阶段，废水中主要污染物为石油和硫化物，其中化学需氧量也很高。废水特性列于表 1。
稠油生产废水中主要污染物浓度的变化：TSS最大值、最小值和平均值分别为 620, 21,190 mg/L，COD 最大、最小、平均值分别为 880, 292,537 mg/L。
（b）最大，最小，平均含油量为 84.7，3.1，29.8 mg/L；亚硫酸盐含量最大、最小、平均值=为 84.7，3.1，29.8 mg/L；苯酚含量最大、最小、平均值为 1.12，0.19，0.45 mg/L。
试验废水处理工艺的示意图如图 1 所示。
装置由许多细尼龙纤维填充的水解酸化池集群和二级氧化槽的圆盘型集群构成。液压流通过重力从罐底流到顶部。水解酸化池内没有空气流动，空气流动是由接触氧化池的空气压缩机提供。两个沉淀池用于分离厌氧污泥和好氧污泥，并保持稳定的生物处理以满足排水标准。处理通量的设计能力为 3 m3/d。
储罐长度、宽度和深度分别为 1 250, 1 000, 1 200mm，有效容积为 1 m3。0.7 m3的高性能生物细尼龙纤维填料被放置在的水解酸化池和接触氧化池中，来维持活性微生物的高浓度，两个工作容积为 0.5m3高效微孔曝气器分别放置在两级接触氧化池底。
在操作过程中，污水在水解酸化池温度为 55 ℃，在接触氧化池温度为 48 ℃。
本实验从大庆油田土壤和水体中分离到四株细菌，这些菌株用细菌鉴定的标准方法鉴定为嗜水气单胞菌属。这些菌株能够利用石油作为其唯一碳源和能源，属于兼性厌氧菌类。初步筛选结果表明，它们在试验温度、盐度和酸度水平下有生存能力。
3 结果与讨论
进入一次沉淀池后，因为进水水质不稳定，故经过处理和过滤处理后，其数量和质量都有差别。因此，两项分离器的目的是在系统稳定运行的前提下，去除悬浮油，减少水解酸化池的有机负荷。考虑到在实际处理过程中废水的数量和质量的波动是非常大的，这个罐是必要的。
在两相分离器将悬浮油分离之后，污水进入水解酸化池中。由于在工程中，维护及应用完全厌氧条件下的水解酸化池困难较为困难，故水解酸化池实际上是一个不完全厌氧环境。因为一些重质原油生产所产生的废水中的有机物难降解，所以设立水解酸化池，来提高这些化合物的生物降解性，从而减少对好氧接触氧化池的工作负荷。
一次沉降池用来将水从水解酸化池中的部分厌氧污泥分离出来。由于在生物膜法与传统活性污泥工艺存在污泥量的明显差异，用沉降池来提高污水处理效果是非常有必要的两段接触氧化池的主要作用是降解那些在经过水解酸化后容易被降解的有机杂质，从而进一步降低废水的 COD。由于在废水中有机物的浓度逐渐减少，该罐的两阶段生物相 有差异。如果污泥在一级降解池没有被完全降解的，二级接触氧化池也可以进一步降解。
稠油废水具有较高的温度（约 60~65 ℃）和高氯离子浓度（约 4 500 mg/L）的特征，因此这类废水较难降解。然而，在这种环境下，存在着能够生存繁殖的微生物。建立有效的生物培养基，对我们识别和培育高效微生物来说是必要的。本研究成功的关键就是在尼龙纤维培养基上培养了较为有效的微生物。
在将污水处理厂的厌氧消化细菌加入后，四株细菌经过 20 多天的培养和驯化，在水解酸化池中形成一个稳定的、高度一致的生物膜。这些细菌在55~60 ℃的温度的二级接触氧化池中存活良好。因为不同的栽培和生长条件的水解酸化池和二级接触氧化池之间，细菌及其降解特性也不同。在稳定运行的中试系统，通量为 100~200 L/h 的条件下，我们不断监测废水中的主要污染物浓度。
如图 1, 2, 3 所示，在厌氧和好氧生物处理后，15 h 水力停留时间（HRT）的固定膜生物反应器 COD降低了 74.8%，总悬浮物（TSS）减少了 90.9%，石油减少了 80.6%，酚和硫化物减少了 100%。本试验研究的结果表明水解酸化接触氧化相结合的可行性。在 3 个月的运行中，试验系统一直非常稳定。
4 结束语
石油废水中的烃类污染物是一种复杂污染物，由于其反应活性较低，因此具有耐降解性。这些持久性有机污染物对人类和环境健康构成严重威胁。生物降解被认为是一种高效、经济和多功能的方法。这种污染物生物降解方法可以利用亲油微生物作为个体有机体或微生物联合体来降解石油废水。
原标题：固定膜生物反应器在稠油开采废水处理的研究
原作者：商 玮
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