海上石油平臺受環(huán)境的限制，要求工藝簡練、設(shè)備占地空間小。 很多陸地成熟應(yīng)用的技術(shù)工藝，如A2O、氧化溝等并不適于海上平臺。 因此，需開發(fā)占地面積小、處理性能高的工藝及成套設(shè)備。 其中電催化氧化一體化設(shè)備因占地較小、 處理效果較高成功替代了原有生化系統(tǒng)， 但對于海上平臺仍期望體積和占地面積繼續(xù)下降。 這就要求提高設(shè)備單位體積降解 COD 的效率。 電催化氧化技術(shù)(ECO)是在電場作用下產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基或其他自由基，將污水中的有機物完全分解為無害的 H2O 和CO 。 光-電耦合催化氧化技術(shù)(PECO)不僅具有電催化氧化作用，還可減少光生電子和空穴的復合，從而提高有機物的降解效率。 筆者采用光-電耦合催化氧化技術(shù)降解 COD，達到相同處理效率條件下減小占地面積和設(shè)備空間的目的。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗用水及儀器
試驗用水為南海某平臺生活污水，為黑水和灰水混合物。 黑水主要是沖廁水，含有大腸桿菌;灰水包括廚房廢水、洗衣廢水及洗澡廢水， 含有大量油污和難降解的表面活性劑。 其水質(zhì)為 COD 500~800 mg/L，pH 6.5~9.5，電導率 2 000~4 000 μS/cm。 為調(diào)節(jié)電導率須同步添加海水，海水取自該平臺所處海域。儀器：PB-10 型標準 pH 計，賽多利斯;HH-6 型化學耗氧量測定儀、DR800 便攜式分光光度計，美國哈希;DHG-9240A 恒溫干燥箱， 上海博訊事業(yè)有限公司。 ECO 反應(yīng)器和 PECO 反應(yīng)器均為自制。
ECO 反應(yīng)器〔2〕見圖 1，有效尺寸 100 cm×100 cm× 65 cm，有效容積 650 L。 采用高效 DSA 陽極板，石墨陰極板為配套陰極板，極板尺寸 100 cm×65 cm，陰、陽極板共設(shè) 15 組， 極板間距設(shè) 2 cm， 有效板面積0.65 m2(單塊陽極板)，陽極總有效面積 9.75 m2。
圖 1 ECO 反應(yīng)器
PECO 反應(yīng)器見圖 2， 有效尺寸 80 cm×80 cm× 90 cm， 有效容積 576 L。 陰、陽極板與 ECO 反應(yīng)器一致， 極板尺寸 80 cm×65 cm， 陰、陽極板共設(shè) 15組，極板間距為 2 cm，有效板面積 0.52 m2(單塊陽極板)， 陽極總有效面積 7.8 m2。 反應(yīng)器底部設(shè) 2 支 275 nm 紫外燈。
1—光電催化單元；2—光源系統(tǒng)；3—極板；4—電源控制系統(tǒng)。圖 2 PECO 反應(yīng)器
1.2 分析方法
COD 采用 GB/T 11914—1989 測定。 IMO.MEPC.227(64)規(guī)定達標出水COD 應(yīng)≤125 mg/L。
1 試驗部分
1.1 電催化氧化處理
用 ECO 處理生活污水，總處理水量 100 L，選取陽極電流密度、 海水添加比例、 電解時間為研究參數(shù)，設(shè)計 3 因素 4 水平正交試驗。其中陽極電流密度分別為 200、400、600、800 A/m2， 單塊有效陽極板面積為 0.65 m2，對應(yīng)電流分別為 130、260、390、520 A;按 50%、60%、70%、80%比例添加海水，保持電導率在 9 300、11 500、13 400、15 100 μS/cm; 電解時間分別為 0.5、1、1.5、2 h。測定裝置出水 COD，并記錄各電流對應(yīng)不同海水比例時的電壓，結(jié)果見表 1、表 2。
電流和電解時間決定了總電荷量， 即電催化氧化過程中產(chǎn)生氧化劑的量及污水處理效果。 添加海水主要是為增加污水電導率， 降低運行電壓及工藝電耗。 用 Minitab 軟件對表 1 結(jié)果進行極差分析，影響排序為電解時間>陽極電流密度>海水添加比例
電解時間與電流密度接近。 在 16 組試驗中，最優(yōu)組合為電流密度 800 A/m2、海水添加比例 50%、電解時間 2 h，此時出水 COD 為 80 mg/L，電流為 520 A，電壓為 7.65 V。
1.1 光-電耦合催化氧化處理
海水中含有一定量 COD，雖然提高海水比例會增加電導率及降低反應(yīng)器的運行電壓，但添加更多海水會增加 COD 總量和處理總水量，因此 PECO 實驗中直接選取 50%為最佳海水添加比例。 以陽極電流密度、紫外光輻照強度、電解時間為研究參數(shù)，設(shè)計 3 因素 4 水平正交試驗。 陽極電流密度和電解時間的設(shè)定條件同 ECO， 由于 PECO 有效陽極板面積為0.52 m2， 因此對應(yīng)電流分別為 104、208、312、416 A，輻照強度條件為 50、100、150、200 μW/cm2， 試驗結(jié)果見表 3。
由表 3 可見，16 組試驗中有 5 組達標(<125mg/L)。 影響因素排序為陽極電流密度>電解時間>輻照強度。 隨輻照強度的增大，COD 處理性能少量增加。 考慮到電流密度和輻照強度越低，電耗越低。 因此，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為電流密度 600 A/m2、紫外光輻照強度 50 μW/cm2、電解時間 1.5 h，此時出水 COD為 87 mg/L，電流為 312 A，電壓為 6.69 V。
噸水電耗為整套系統(tǒng)的總耗電量， 包括反應(yīng)器及各電氣組件。 耗電量以現(xiàn)場電度表顯示為準，ECO工藝噸水電耗 41.8 kW·h，PECO 工藝噸水電耗 43.4kW·h。 電極板費用方面，PECO 電極板有效面積為7.8 m2，維護周期為 3 a，1 m2 費用 1 000 元，每年維護費用為 2 600 元;ECO 電極板有效面積 9.75 m2， 更換周期為 1.5 a，每年維護費用為 6 500 元。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
綜上可見，PECO 裝置處理出水 COD 在 125mg/L以下時的最佳運行條件優(yōu)于 ECO 裝置。 PECO的電流更低、反應(yīng)器停留時間短。 因此，處理相同水量時PECO 反應(yīng)器的裝置體積可設(shè)計更小(體積比1∶1.18)，電極板的使用壽命更長，維護費用更低。 雖然加入紫外燈導致 PECO 裝置的整體電耗升高， 但海上平臺電力自發(fā)，有盈余，即使整體耗電量增加也不影響該技術(shù)的使用。 PECO 裝置電極板和紫外燈等每年的更換費用合計也低于 ECO 裝置。
2.4 連續(xù)運行出水穩(wěn)定性
開發(fā)了 24 m3/d 規(guī)模的 PECO 中試裝置， 對進水進行預處理， 以降低色度、濁度對后續(xù)光電催化氧化處理效率的影響。 裝置運行參數(shù)：電流密度為 600 A/m2、運行電流為 940 A，紫外光輻照強度為 50μW/cm2，電解時間為 1.5 h，電壓為 6.8 V。 中試裝置以南海某平臺生活污水為處理對象，連續(xù)運行 60 d。每天各取裝置進水和出水 1 次，結(jié)果表明，該時段內(nèi)進水 COD 在 560～750 mg/L， 出水 COD 最低為 51mg/L， 最高 108 mg/L， 穩(wěn)定低于 125 mg/L， 達到排放指標要求。
3 結(jié)論
(1) ECO 處理達標時的最佳條件為電流 520 A，海水添加比例 50%，電解時間 2 h。 PECO 處理達標時的最佳條件為海水添加比例 50%，電流 312 A，電解時間 1.5 h，紫外光輻照強度 50 μW/cm2。
(1) ECO 運行費用為 41.8 kW·h/t，PECO 運行費用為 43.4 kW·h/t，PECO 的電耗略高。 紫外燈比電極板的造價低很多，PECO 的維保費用遠低于 ECO。 平臺不考慮電耗，因此從運行費用、占地面積和總運行成本角度分析，PECO 更具應(yīng)用前景。
(1) PECO 中試裝置的運行參數(shù)： 電流密度 600A/m2，運行電流 940 A，紫外光輻照強度 50 μW/cm2，電解時間 1.5 h，電壓為 6.8 V。 經(jīng)過 60 d 連續(xù)運行，出水 COD 穩(wěn)定低于 125 mg/L，達到排放指標要求。(來源：中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司)
