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现阶段我国大部分污水处理厂尾水已达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A的出水标准，但其作为生态补给水直接排入受纳水体，仍会导致地表水体水质恶化，甚至产生富营养化等一系列水环境问题[1-2]。因此，探索经济可行的尾水深度处理技术对于保护水环境具有重要意义。
目前针对污水处理厂尾水的深度处理，常用的方法有凝聚沉淀法[3-4]、臭氧化法[5-6]、反渗透法[7-8]、生物脱氮法[9-10]、人工湿地法[11-13]等。深度处理的基建费与运行费用大多均较高，使得以常规建设为主的深度处理技术应用受到一定限制。而人工湿地作为污水处理厂尾水深度处理工艺，不仅价格低廉、运维成本低，还可以兼具景观价值，故有关人工湿地在污水处理厂尾水深度处理的研究及相关应用推广研究已成为热点[14-19]。例如，王琳娜等[20]利用传统的水平潜流湿地处理不同浓度的污水处理厂尾水，出水均能达到景观回用水水质要求。虽然传统潜流湿地对有机物和悬浮物去除效果较好，但其对氮、磷的去除能力有限。为提升人工湿地尾水净化效果，复合式人工湿地得到广泛应用[21]。杨立君等[22]将垂直流人工湿地与强化型前处理系统相结合，对污水处理厂尾水COD、BOD5、
NH+4 -N、TP的去除效果较好，而且大大降低了运营维护的难度，同时也大幅节省了投资。杨长明等[23]研究了组合人工湿地对无锡城北污水处理厂尾水处理效果，出水基本可以达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ或Ⅳ类水标准。然而，湿地系统低温期净化效果难以保障、处理负荷低、占地面积大、基质堵塞等问题仍是人工湿地技术应用的难点。王翔等[24]采用组合式人工湿地对清潩河沿岸污水处理厂尾水进行了深度处理，出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类水标准，但其水力负荷仅达到0.43 m3·(m2·d)−1。孙亚平等[19]研究了水力负荷对改良型垂直流人工湿地降解污水处理厂尾水效果的影响，发现水力负荷在0.25~0.5 m3·(m2·d)−1时运行效果最佳。高奇英等[25]研究了高水力负荷下人工湿地对污水处理厂尾水净化效果的影响，发现在水力负荷0.5 m3·(m2·d)−1时对污染物的去除效果最优。目前研究尾水人工湿地系统的最佳水力负荷普遍未突破传统尾水人工湿地水力负荷范围，这使得湿地系统在土地资源紧张的经济发达地区应用存在困难。因此，高负荷复合式人工湿地推广应用需进一步探索。基于上述情况， 本研究选择江心洲污水处理厂建设的高负荷复合式人工湿地系统开展实验研究。该系统由浅池单元、双向横流过滤单元、折流式潜流单元、水平潜流单元和表流湿地单元构成，处理规模为1 200 m3·d−1，水力负荷约为0.67 m3·(m2·d)−1。通过对该系统在污水处理厂低温期净化效果的研究，旨在分析和研究低温条件下仍能保障净化效果的新型湿地系统，并提出一种利用湿地高负荷优势降低治理综合成本的新模式。
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本项目位于南京市江心洲污水处理厂内，人工湿地处理规模为1 200 m3·d−1，占地面积约1 800 m2，水力负荷约为0.67 m3·(m2·d)−1，HRT为23 h。系统原水为江心洲污水处理厂尾水，出水水质近《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅳ类水标准，如表1所示。
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建设的人工湿地系统的工艺流程如图1所示。尾水经过1次提升后采用重力流进行系统配水。首先，尾水运输至浅池单元进行高位配水，初步调节水质水量；出水自流进入7座并联的双向横流过滤单元(A-H)，实现有机物和悬浮物的高效去除，并进行氮、磷的初级去除；后依次经过折流式潜流湿地单元和水平潜流湿地单元，进行悬浮物和有机物的强化去除且进行氮、磷的深度去除；出水进入表流湿地单元，从而进一步降低水体浊度，保障出水水质，最终出水进入中水回用系统。其中，双向横流过滤单元、折流式潜流单元、水平潜流单元剖面图如图2所示。
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复合式人工湿地系统由浅池单元、双向横流过滤单元、折流式潜流单元、水平潜流单元和表流湿地单元5部分组成，各单元具体设计参数见表2。
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图3中红色标记为湿地系统的6个采样点，分别为各单元进出水口，其中编号a~f依次代表进出水口在系统中上下游的相对位置。取得水样500 mL分装于聚乙烯瓶，立即于实验室进行水质指标检测，或于4 ℃低温冷藏保存，在48 h内测定水质指标。
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水质指标测定方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》。COD采用重铬酸钾法测定；TN采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法测定。
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复合式人工湿地系统对COD的去除效果如图4所示。由图4(a)可知，进水耗氧有机污染物质量浓度(以COD计)为18.00~29.00 mg·L−1，平均出水质量浓度为16.60 mg·L−1，且在湿地沿程方向，COD值总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元的处理效果来看，双向横流过滤单元处理效果最为显著，COD去除率达13%。该处理单元前段好氧有利于有机物分解，后段缺氧有利于反硝化脱氮的进行，且倒换水流方向，位于池体后段生物膜为反硝化提供内生碳源，表明其特殊的功能结构营造了较好的物化和生化反应条件，可实现对COD的有效去除。由图4(b)可看出，系统在进水COD较低的情况下，COD平均去除率可达到25%。12月中下旬，COD去除率有所下降。这与水平潜流湿地单元植物未及时收割，有机质腐烂并释放进入水体，使水中有机物含量升高有关。直到1月份植物收割后，COD去除率才回升。
总体来说，COD的去除率较低是由于尾水中碳源含量较低，可生化性较差[26]，湿地对有机物的生化降解能力相对减弱，COD去除主要是依靠植物根系吸收和基质吸附作用[27]。并且冬季低温条件下，植物凋零、休眠，造成植物根系泌氧能力下降，微生物活性较差。湿地系统对COD去除率的降低是植物、微生物、溶解氧等易受环境温度影响的多种因素共同作用的结果。
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复合式人工湿地系统对TN的去除效果如图5所示。由图5(a)可知，进水TN质量浓度6.82~11.90 mg·L−1，平均出水质量浓度为7.17 mg·L−1，湿地沿程方向TN质量浓度总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元的处理效果来看，折流式潜流单元对TN的去除效果最佳，最高去除率可达26%，其次为双向横流过滤单元及浅池单元。折流式潜流单元通过竖向折流进水方式使污水与填料之间充分接触，其布水方式有助于单元均匀配水，而饱和流有助于营造缺氧环境，实现反硝化脱氮。此外，该单元丰富的植物群落能直接吸收污水中氮、磷类污染物，从而提高净化效果。由图5(b)可看出，TN平均去除率为24%，从11月中下旬起，TN去除率有所下降。这与冬季气温降低，周围环境温度低于反硝化菌的适温范围(20~35 ℃)，硝化菌的正常生长繁殖受限有关。同时，湿地系统碳源不足在一定程度上制约了微生物反硝化作用，TN去除效果也受到一定影响[27]。此外，植物未及时收割，造成一部分氮、磷的释放进入水体。自1月初起，TN去除率先降低后升高，直到逐步稳定，这可能与进水水质波动有较大关系。例如，何媛媛等[28]的研究表明，当进水TN小于60 mg·L−1时，TN去除率随进水浓度增加而增大。
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复合式人工湿地系统对
NH+4 -N的去除效果如图6所示。由图6(a)可知，进水NH+4 -N质量浓度0.60~1.80 mg·L−1，平均出水质量浓度为0.52 mg·L−1，虽然进水水质波动较大，但出水较为平稳，明显优于《地表水环境质量标准》中的Ⅳ类水质标准。湿地沿程方向，NH+4 -N质量浓度总体呈下降趋势。从人工湿地各个单元处理效果来看，对其去除起主要作用的是浅池单元和双向横流过滤单元。浅池单元高位配水和两级跌水充氧为好氧硝化菌提供有利环境条件，利于硝化反应进行。而双向横流过滤单元前端氧气充足以硝化反应为主，好氧硝化菌将NH+4 -N转化为NO−3 -N，并沿水流方向DO浓度逐渐降低，其后段缺氧环境有助于反硝化脱氮反应进行。如图6(b)所示，NH+4 -N平均去除率可达到44%，尽管进水波动较大，但出水质量浓度均可以维持在0.30~0.70 mg·L−1，且去除率随进水质量浓度增大而增大，表明该系统耐冲击负荷能力强，对NH+4 -N去除效果佳。 -
复合式人工湿地系统对TP的去除效果如图7所示。由图7(a)可知，进水TP质量浓度0.03~0.06 mg·L−1，平均出水质量浓度为0.03 mg·L−1，沿水流方向，TP质量浓度总体呈下降趋势。由图7(b)可看出，TP平均去除率达到34%，表明系统在冬季低温不利条件下仍保持较高的TP去除率。湿地中磷去除主要通过基质物理吸附和化学沉降实现，其次为水生植物根系对溶解性磷的吸收及微生物的作用。但在冬季低温低碳源条件下，微生物活性弱，植物生长缓慢，对磷的去除主要是依靠自然沉降、填料吸附等作用，导致湿地除磷效果较差[27]。
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1)微生物群落结构丰富度和多样性。复合式人工湿地中双向横流过滤湿地单元(A)、折流式潜流湿地单元(B)、水平潜流湿地单元(C)微生物群落结构丰富度和多样性结果如表3所示。样品覆盖率为92%，测序结果较为稳定。
由表3可知，样品的覆盖率最低为98%，说明此次测序的结果能够准确完整的反应微生物样品的真实状况。3个微生物样品中ACE指数和Chao指数以折流式潜流湿地单元最高，Shannon 指数以双向横流过滤单元最高，但水平潜流湿地单元中ACE指数、Chao指数和Shannon 指数为较高，说明该湿地单元微生物的物种总数、菌落丰富度和多样性程度相对较高。
2)微生物群落结构组成。图8是微生物在门分类水平下的群落组成。由图8可知，不同样品在门分类水平上具有较高的多样性。系统中的优势菌门主要包括变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、厚壁菌门(Firmicutes)等，并以变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)为主，五者的总和约占总测序序列的75%~85%。有研究[29]表明，人工湿地基质优势菌种以变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门为主，所占比例为高于80%，这与本实验的结果相似。
人工湿地中含氮污染物的去除机理主要有硝化作用、反硝化作用以及氨氧化作用等[30]，与之相关的微生物主要有氨氧化真菌/细菌、硝化细菌(Nitrifying bacteria)和反硝化细菌(Denitrifying bacteria)[31]。有研究者指出，变形菌门(Proteobacteria) 在生物脱氮除磷等其他污染物降解中具有核心作用[32]。由图8可知，变形菌门(Proteobacteria)在3个样品中分别占总测序序列的47%、51%和57%，因此，说明该复合式人工湿地在低温期仍具有较好的脱氮除磷效果，这与2.2~2.4节水质分析结果一致。拟杆菌门(Bacteroidetes)在3个样品中占总测序序列的15%左右，能够代谢碳水化合物，降解有机物，与放线菌门(Actinobacteria)共同担负污染物的有效去除[33]。硝化螺旋菌门(Nitrospirae)在双向横流过滤单元(A)中所占比例最高，由于双向横流过滤单元可实现正反向进水，前端氧气充足，故有利于硝化细菌生长，因此，该单元对总氮和氨氮去除效果较优。
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为适应长期的水渍环境，会在湿地植物体内部形成强大的通气组织，为气体交换和储存提供内部通道，将光合作用产生的氧气输送到根际基质中，从而增强根际周围微生物活性，进而加强有机物好氧降解和硝化作用[34]，最终提高污水净化效果。双向横流过滤单元为复合式人工湿地的核心单元，对冬季低温期湿地稳定运行起主要作用。表4为双向横流过滤单元湿地植物的生长状况、根系特征和泌氧速率。由表4可知，冬季植物进入衰亡期，1月份植株干枯，地上部分生物量较12月份有所下降。这与冬季植物叶片脱落腐败，以及营养元素向根部转移有关，亦与刘臣[35]的研究结果相似。与此同时，随冬季气温骤降，植物根系也逐渐进入冬眠状态，湿地植物的根孔隙度随之降低。然而，植物内部通气组织性能的减弱，导致第2年1月份再力花根系泌氧速率极低，而3种植物中根孔隙度最大的芦竹根系泌氧速率也仅达到5.14 μmol·(d·g)−1。总而言之，在冬季低温条件下，由于植物凋零、休眠、腐败造成植物泌氧能力下降，故微生物活性较差，从而影响了湿地的处理效果。因此，及时对湿地植物进行收割，做好维护管理也是保证其稳定运行的重要条件。
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1)本研究中的复合式人工湿地系统水力负荷可高达0.67 m3·(m2·d)−1，较我国大多数尾水人工湿地提升了30%以上，极大提高了湿地处理能力，缩小了湿地的建设面积。
2)该湿地系统在低温条件下仍能保证一定的净化效果，对COD、TN、
NH+4 -N、TP的平均去除率分别为25%、24%、44%、34%，日均去除负荷量分别为3 688.88、1 509.47、272.38、10.30 mg·(m2·d)−1， 出水水质可稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)近Ⅳ类水质标准。3)3个不同湿地单元的填料样品优势菌门分别以变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌门和硝化螺旋菌门为主，其中变形菌门在各样品中均占较大的丰度比例，平均丰度比例高达50%。
4)在12月中下旬时，湿地各项污染物指标的去除率均有所下降。这主要是由于植物在入冬时活性较低甚至发生腐烂，这一现象在植物收割后有明显缓解。
高负荷复合式人工湿地对污水处理厂尾水低温期的净化效果
Performance of a high loading hybrid constructed wetland on wastewater treatment plant effluent purification in low temperature period
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摘要: 选择江心洲污水处理厂规模为1 200 m3·d−1的“浅池单元+双向横流过滤单元+折流式潜流单元+水平潜流单元+表流湿地单元”高负荷复合式人工湿地系统，考察了其对污水处理厂尾水低温期的净化效果。结果表明：在秋冬低温条件下，该湿地系统对COD、TN、
NH+4 -N、TP的平均去除率分别可达25%、24%、44%、34%。出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)近Ⅳ类水质标准。进一步结合微生物群落和湿地植物泌氧作用结果，分析了低温期湿地效果保障机制。以上结果表明，该人工湿地系统在低温期对污水处理厂尾水具有较好的净化效果，可为大型尾水湿地的建设提供参考。-
关键词:
- 高负荷复合式人工湿地 /
- 城市污水处理厂尾水 /
- 低温期 /
- 微生物群落
Abstract: A 1200 m3·d−1 hybrid constructed wetland (HCW) in Jiangxinzhou Wastewater Treatment Plant (WWTP), being composed with shallow pond, bidirectional cross flow filter, baffled subsurface flow CW, horizontal subsurface flow CW and free surface flow CW, was used to purify WWTP effluent in low temperature period, and its performance was studied. The results showed the average removal rates of COD, TN,NH+4 -N, and TP under low temperature conditions in autumn and winter were 25%, 24%, 44%, and 34%, respectively. The water quality of HCW effluent could stably meet with Class IV of the Surface Water Environmental Quality Standard (GB 3838-2002) of China. Furthermore, microbial community and plants oxygen release analysis were also used to demonstrate the effect guarantee mechanism of wetland in low temperature. Overall, the HCW had a good performance on purification of wastewater treatment plant effluent. The findings provide technical support for the full scale HCW construction. -
我国大部分油田已进入高含水开采期。油田在生产开发过程中产生大量的采出水，而热采工艺需要消耗大量的蒸汽，蒸汽的水源主要是自来水，导致采出水处理量和回注量逐年增加[1]，同时也消耗了大量的淡水资源。为了解决这一难题，近年来对采出水资源化进行了较多的研究[2]。
资源化利用的关键是解决采出水中含油量、悬浮物、矿化度、硬度过高的问题[3]。目前，较为成熟的技术是MVR[4-5]和反渗透工艺。MVR工艺的优点是产水率高，适用于高矿化度水质，但由于其成本较高、核心技术不易掌握，限制了推广范围，而反渗透工艺在一定程度上克服了这些缺点。反渗透膜不仅能有效去除有机物、降低COD，而且具有优异的脱盐效果[6]。采出水进行反渗透处理前通常需要利用超滤工艺进行预处理，超滤的主要作用是为了去除水中的悬浮物和细菌，以达到保护反渗透膜的目的。超滤工艺之前也需要进行预处理，主要是为了减轻采出水中原油对超滤膜的污染问题，以延长超滤膜的使用寿命。常用的超滤预处理工艺有混凝沉降、多介质过滤、生化，其中生化工艺对原油的去除较为彻底，能耗较低，是一种较为理想的超滤预处理工艺。油田采出水利用生化双膜工艺制备锅炉用水技术尚未大规模推广，笔者[7-8]通过近2年的生化超滤工艺和7个月的生化双膜工艺研究发现，油田采出水利用生化双膜工艺制备锅炉用水，实现采出水的资源化利用是非常有前景的，既具有经济效益，又具有社会效益。
在之前的研究[9]中已对预处理及生化工艺进行了详细介绍。本研究重点研究了超滤进水悬浮物与超滤膜污染之间的关系，分别考察了反渗透进水压力、进水温度对产水率、膜通量和透盐率的影响。
1. 水质分析及工艺流程
1.1 水质分析
对采出水的水质进行了多次检测，水质较为稳定：pH=7.55、温度为48 ℃、SS为50 mg∙L−1、含油量为127 mg∙L−1、COD为376 mg∙L−1、BOD为125 mg∙L−1、
HCO−3 为614 mg∙L−1、总硬度为1 400 mg∙L−1、TDS为18 100 mg∙L−1、电导率为30 348 μs∙cm−1。以上结果表明，采出水具有高含油、高矿化度、高COD的特点，将采出水用于锅炉给水必须进行脱盐，脱盐采用的工艺为反渗透，反渗透对进水水质有一定的要求，因此，需要对采出水进行降温、除油、降COD、降悬浮物等预处理。1.2 工艺流程
整套流程包括预处理、生化、超滤、反渗透4个部分，超滤前部分自2018年6月开始运行，2019年10月接入反渗透流程，整套工艺流程如图1所示。
1)预处理包括气浮和降温2个单元。来水首先进行气浮工艺，处理能力为10 m3∙h−1，可去除大部分含油和悬浮物，降低生化部分负荷。风式冷却塔将来水的温度由48 ℃降低到35 ℃以下，为微生物提供合适的生长温度。生化采用的是MBBR工艺，生化池的有效体积为100 m3。加入填料40 m3，材质为HDPE，直径为25 mm，高为10 mm。活性污泥为2 000 mg∙L−1，功能菌种的发酵液为6 m3，初期加入碳源、氮源，7 d后生化运行正常，不再加入碳氮等营养物质。生化曝气采用的是罗茨风机，风量为4 m3∙min−1，沉降采用拉美兰沉降池，停留时间为2 h。连续检测生化后采出水的含油量，并与来水和气浮后对比。
2)超滤采用PVDF管式中空纤维膜，过滤精度为30 nm，过滤方式采用的是死端过滤，超滤综合产水率大于97%。在线检测超滤进水压力、浓水压力、产水压力，并计算跨膜压差。每2 d人工检测1次超滤进水悬浮物，记录同一时间的跨膜压差，分析悬浮物对膜污染的影响。不定期检测超滤产水含油量、悬浮物和pH。
跨膜压差根据式(1)进行计算。
ΔP=(P1+P2)/2−P3 (1) 式中：ΔP为跨膜压差，MPa；P1为进水压力，MPa；P2为浓水压力，MPa；P3为产水压力，MPa。
3)反渗透采用的是陶氏提供的专用反渗透膜。进水泵为固定频率，最高可提供2.3 MPa的进水压力，通过控制浓水阀门调节进水压力。通过调节风式冷却塔和系统进水量调节整个系统水温。在线检测系统的进水压力、进水量、产水量、浓水量、温度、电导率，并计算产水率和膜通量。分析进水压力、进水温度与产水率、膜通量、透盐率的关系。不定期检测反渗透产水的含油量、悬浮物、矿化度、硬度和pH。
反渗透过程中膜通量根据式(2)进行计算。产水率根据式(3)进行计算。
Jw=A(ΔP−ΔPs) (2) 式中：Jw为膜通量，L·(m2·h)−1；A 为纯水渗透系数；ΔP为膜两侧压力差，MPa；ΔPs为膜两侧渗透压差，MPa。
K=0.001JwS/Q (3) 式中：K为产水率；Jw为膜通量，L·(m2·h)−1，S为膜面积，m2；Q为进水量，m3·h−1。
2. 结果与讨论
2.1 采出水经过预处理和生化后含油量的变化
采出水经过气浮和生化后的含油量指标变化如图2所示。来水平均含油量为127 mg∙L−1；气浮出水平均含油量为5.14 mg∙L−1；生化出水平均含油量为0.63 mg∙L−1。
气浮可以去除大部分原油，去除率为96.0%，剩余的4%原油为乳化油和溶解油，均匀分布在采出水中，原油直径小于10 µm，如图3所示。这部分原油利用絮凝和其他常规的方法难以去除，而功能性菌种具有较高的浓度和较大的比表面积，可以比较彻底地降解这部分剩余原油，降解率为3.6%。
2.2 超滤跨膜压差的变化
每2 d取一组跨膜压差，跨膜压差的变化如图4所示。实验总共选取了174组数据，由于来水水源某些参数的变化，导致生化后采出水的悬浮物含量增加。前102组数据为来水水源变化前数据，进水悬浮物平均为13.16 mg∙L−1，ΔP的增加速度为0.000 046 2 MPa·d−1，即每年增加0.016 9 MPa，后72组数据为来水水源变化后数据，悬浮物平均为29.38 mg∙L−1，ΔP的增加速度为0.000 045 9 MPa·d−1，即每年增加0.016 8 MPa。对于生化处理后的油田采出水，超滤进水中悬浮物的数量与ΔP的增加速度无关。即在一定范围内，超滤膜的污染速度与进水悬浮物的数量无关。
跨膜压差为超滤膜运行的重要指标之一，其增大速度主要表征超滤膜污染的程度，一般跨膜压差达到0.06 MPa需要对超滤膜进行化学清洗，那么第1次化学清洗，需要的时间为(0.06-0.018 2)/0.016 8 = 2.5 a。由此可见，经过生化处理后的采出水悬浮物虽然较高，但是对超滤膜污染程度较小。
在运行过程中，跨膜压差A、B、C、D、E、F等6个点较前一数据降低了0.001 MPa，原因是由于这6个点对应的悬浮物较前一数据均有较大幅度的波动。由此可见，进水悬浮物数值短时间较大波动会引起跨膜压差暂时增高或降低，当悬浮物数值正常后，跨膜压差可以恢复到前期水平。
2.3 进水压力、进水温度与产水率、膜通量、透盐率的关系
1)通过调节浓水阀调节进水压力，产水率及膜通量的变化如图5所示，透盐率的变化如图6所示。产水率随着进水压力的增大而增加，进水压力每增加0.1 MPa，产水率增加13%~37%，膜通量增加9%~33%。根据LONSDALE等[10]提出的溶解－扩散模型，进水压力增加的同时，跨膜压差增加，导致Jw增大。在膜通量Jw增加的同时，Q减小，K增大，并且K增大的速度大于Jw增大的速度。透盐率随着进水压力的增大而减小，进水压力每增加0.1 MPa，透盐率减小3%~14%。
图 5 进水压力与产水率、膜通量的关系(30 ℃)Figure 5. The relationship between influent pressure, water yield and membrane flux (30 ℃)
图 6 进水压力与透盐率关系(30 ℃)Figure 6. The relationship between influent pressure and salt permeability (30 ℃)增加进水压力的方式有2种：方式A，调节浓水阀，减小浓水流量；方式B，增加进水泵频次。进水压力增加的同时可以带来其他参数的变化，结果如表1所示。本研究采用方式A提高进水压力。
表 1 不同调节方式提高进水压力对比Table 1. Comparison of the increase of inlet water pressure responding to different regulation methods调节方式 进水压力 浓水压力 进水量 浓水量 产水量 产水率 膜通量 透盐率 A 增大 增大 减小 减小 增大 增大 增大 减小 B 增大 增大 增大 增大 增大 增大 增大 减小 | Show Table
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有研究[11]表明，采用方式A增加进水压力可以提高透盐率，与本实验结果相反，文献中关于浓差极化变化的观点无法解释本实验的现象。有研究[12-18]表明，采用方式B增加进水压力，进水量、浓水量和产水率随之增加，浓水量的增加导致了膜表面浓差极化现象减弱，因此进水侧膜表面离子浓度减小，从而导致产水的离子浓度降低，即透盐率降低。但方式B增加进水压力导致浓差极化减小的结论需要论证，浓差极化的变化取决于膜表面水流的径向速度和纵向速度，径向速度变大可增强浓差极化现象，纵向速度变大可减弱浓差极化现象。如表2所示，2种方式的产水率均有所增大，因此，V径/V纵值均增大。在方式A和方式B中，提高进水压力均会导致浓差极化现象增强。
表 2 不同调节方式对膜表面水流速度影响Table 2. The effect of different regulating methods on the flow velocity of membrane surface调节方式 V径 V纵 V径/V纵 A 增大 减小 增大 B 增大 增大 增大 | Show TableDownLoad:
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笔者认为，根据选择吸附毛细管理论，RO膜表面的浓差极化现象增加导致膜表面的各种离子浓度增加，相互排斥作用加强，因此，各种离子透过RO膜难度增大。随着进水压力的增大，膜通量和透盐量同时增加，而透盐量增加的速度小于膜通量增加的速度，因此，产水的含盐量减小，透盐率减小。本研究结果表明，在一定范围内，如果只考虑透盐率因素，增加反渗透工艺的浓差极化可以降低透盐率。综上所述，在一定范围内，提高进水压力既可以增加产水率，又可以降低透盐率，有利于整套系统的运行。
2)通过调节风式冷却塔和系统进水量改变RO进水温度，产水率及膜通量的变化如图7所示，透盐率的变化如图8所示。在压力不变的情况下，产水率随着水温的升高而增加，进水温度每升高1 ℃，产水率增加约0.25%，膜通量增加约0.47%，随着温度升高，水的粘度变小，因此，膜通量和进水量均有增加。根据式(3)可知，进水量Q随着温度的增加而升高，因此，膜通量Jw增加的速度大于产水率K增加的速度。在压力不变的情况下，透盐率随着水温的升高而升高，进水温度每升高1 ℃，透盐率增加约6.7%。水温的升高同样会导致透盐率的增大，这主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因水温的升高而加快[19]。
图 7 进水温度与产水率、膜通量的关系(2.0 MPa)Figure 7. The relationship between influent temperature and water yield, membrane flux (2.0 MPa)
图 8 进水温度与产水率、膜通量的关系(2.0 MPa)Figure 8. The relationship between influent temperature and salt permeability (2.0 MPa)综上所述，在一定范围内，提高RO系统进水温度可以增加产水率和透盐率，整套系统可以根据产水水质和水量的要求以调节进水温度。
2.4 生化双膜工艺各个节点的指标变化
对整个流程各个节点的指标进行检测，并与锅炉给水[20]指标进行对比，结果如表3所示。含油量、悬浮物和矿化度等指标完全满足锅炉给水的要求。
表 3 工艺节点水质变化Table 3. Changes in the water quality of the process nodes工艺节点 含油量/(mg∙L−1) 悬浮物/(mg∙L−1) 矿化度/(mg∙L−1) 硬度/(mg∙L−1) pH 来水 127 50 18 100 1 440 7.55 生化 0.63 19.92 7.32 超滤 0.2 0.2 7.31 RO 0 0 81 0.36 6.86 锅炉给水 ≤2 ≤2 ≤7 000 ≤0.1 7.5~11 | Show TableDownLoad:
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pH由7.31下降到6.86，这是因为RO膜可以脱除溶解性的离子而不能脱除溶解性的气体，产水中的CO2和进水中CO2的基本相等，而产水中
HCO−3 大幅度减少，由于水中的CO2和HCO−3 存在平衡方程(式(4))，因此，原有的平衡被打破，平衡方程式向右移动，导致H+浓度增加，故导致pH下降。CO2+H2O⇌HCO−3+H+ (4) RO水中的硬度和pH未达到锅炉给水的标准，使用常规的树脂交换可以除掉残余硬度，用液碱可以调节pH，在此不做深入研究。
3. 结论
1)油田采出水经过气浮后，剩余的原油以乳化油和溶解油的形态存在，直径小于10 µm，经过生化处理后，水中的剩余原油为0.63 mg∙L−1，满足超滤膜的进水要求。
2)生化处理后的油田采出水，对超滤膜的污染程度很小，在一定范围内，水中的悬浮物含量与膜污染速度无关，跨膜压差ΔP的增加速度为0.000 046 2 MPa·d−1；进水悬浮物数值短时间较大波动会引起跨膜压差的暂时升高或降低，当悬浮物数值恢复正常后，跨膜压差可以恢复到前期水平。
3)增大反渗透进水压力会导致产水率增加、膜通量增加、透盐率降低，产水率和膜通量增加是膜两侧压力差增大的结果，透盐率降低，是浓差极化加强导致的结果；升高进水温度会导致产水率增加、膜通量增加、透盐率增加，产水率和膜通量增加是水粘度变小的结果，透盐率升高，是水中的离子扩散速度变大的结果。
4)油田采出水利用生化双膜工艺制备锅炉用水的方法是可行的。处理后的水质含油量为0 mg∙L−1、悬浮物为0 mg∙L−1、矿化度为81 mg∙L−1，可以达到锅炉给水的要求；而硬度和pH达不到锅炉给水的标准，需要进一步处理。
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图 2 复合式人工湿地主要单元剖面图
Figure 2. Sectional drawing of main units of hybrid constructed wetland
表 1 复合式人工湿地系统设计进出水质指标
Table 1. Designed inlet and outlet water quality indexes of hybrid constructed wetland system
mg·L−1 设计水质 COD NH4+-N TN TP 设计进水 ≤50 ≤5 ≤15 ≤0.5 设计出水 ≤30 ≤1.5 消减50% ≤0.3
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表 2 人工湿地各单元设计参数
Table 2. Design parameters of each unit of constructed wetland
湿地单元 面积/m2 水力停留时间/h 基质层组成 基质粒径/mm 植物名称 植物密度/(株·m−2) 注：1)睡莲覆盖度为50%~55%。
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表 3 微生物样品多样性指数分析
Table 3. Diversity index analysis of microbial samples
样品名称 丰富度指数 多样性指数 覆盖率/% ACE Chao Shannon Simpson A 2 169.99 2 176.79 6.422 0.005 99.9 B 3 192.66 3 116.03 5.804 0.011 98.7 C 2 997.97 2 976.22 6.141 0.007 99.1
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表 4 双向横流过滤单元湿地植物的生理指标和泌氧速率
Table 4. Physiological index and ROL of bidirectional cross flow filtration unit plants
日期 植物种类 株高/cm 地上生物量/(g·株−1) 平均根长/cm 孔隙度/% 根系泌氧率/(μmol·(d·g)−1) 2020年12月 美人蕉(Canna indica) 45 35 17.5 27.3 2.86 花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor) 40 39 18.6 36 7.36 再力花(Thalia dealbata Fraser) 168 242 20 25.26 0.892 2021年1月 美人蕉(Canna indica) 干枯 30 17.1 24.97 1.2 花叶芦竹(Arundo donax var.versicolor) 干枯 35 17.5 32.07 5.14 再力花(Thalia dealbata Fraser) 干枯 230 21.3 23.15 0.837
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