糞便污水生物組合處理工藝及其在生態(tài)衛(wèi)生間的應(yīng)用研究進(jìn)展

曹瑞奇，桑義敏，初慶東*，魯濤濤，滕志遠(yuǎn)，戴鐵誠(chéng)，劉 暢，金 思

(1.北京石油化工學(xué)院新材料與化工學(xué)院，北京 102617； 2.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617)

我國(guó)社會(huì)主義新農(nóng)村和城市文明旅游建設(shè)都對(duì)生態(tài)衛(wèi)生間的設(shè)計(jì)和籌建提出了更高需求。生態(tài)衛(wèi)生間有免洗打包型、堆肥型和循環(huán)水型等3種形式，目前研究和實(shí)踐集中在打包型和堆肥處理型[1-2]，但循環(huán)水型生態(tài)衛(wèi)生間因能實(shí)現(xiàn)水資源再生，具有更好發(fā)展前景。循環(huán)水型衛(wèi)生間處理體系通常利用沉淀或膜分離等手段進(jìn)行固液分離，分離后的固體進(jìn)行微生物堆肥[3-4]，剩余污水具有高COD和高氨氮含量特點(diǎn)，因此其研究關(guān)鍵是對(duì)糞便污水的處理。糞便污水俗稱“黑水”[5]，約占城市生活污水的1/3[6]，所含雜物和SS較多、COD及氨氮含量較高[7]，宜采用生物組合工藝處理，從而克服單一工藝“氮處理不均衡、出水效果差、抗沖擊負(fù)荷能力差”等弊端[8]，同時(shí)具有占地小、高效穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)[9-10]，結(jié)合人工濕地(CW)深度處理[11]，還可以實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用。綜述和分析生物組合工藝技術(shù)在不同研究階段的影響參數(shù)和處理效果，可以為循環(huán)水型生態(tài)衛(wèi)生間技術(shù)方案的篩選和設(shè)計(jì)研究提供參考。

1 糞便污水生物組合工藝的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)參數(shù)與處理效果

當(dāng)前應(yīng)用較多的生物組合處理工藝有MBR-A2O、UASB、人工濕地等，對(duì)各種工藝的技術(shù)參數(shù)(OLR、DO、COD/N、溫度等)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，尋找合適區(qū)間，以提高有機(jī)物及氨氮的處理效率，從而將工藝技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)衛(wèi)生間糞污處理體系。

1.1 有機(jī)負(fù)荷(OLR)

高OLR會(huì)激發(fā)胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生，從而間接加重MBR的膜污染，但對(duì)氨氮去除的抑制只存在于短期時(shí)間內(nèi)(3 d)[12]。對(duì)于微藻膜生物反應(yīng)器，OLR對(duì)BOD的去除沒(méi)有顯著影響，但OLR越低，越有利于TN和TP的去除以及膜污染的控制；而OLR較低會(huì)抑制生物量的培養(yǎng)與聚集，從而也會(huì)影響到生物處理的效率[13]。針對(duì)該問(wèn)題，Liberman等[14]建立MBR，并利用超濾技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化有機(jī)污染物的去除。低OLR基本不會(huì)影響有機(jī)物去除效率，但會(huì)降低污泥濃度(MLSS)，從而降低溶解氧(DO)，抑制了氮去除。對(duì)于厭氧生物工藝UASB，高OLR沒(méi)有影響COD和BOD等的去除，但影響到氮磷的有效去除[15]。而新型混合人工濕地VF-HF系統(tǒng)的緩沖能力較強(qiáng)(OLR增加8倍也未受到影響)，同時(shí)對(duì)SS和有機(jī)污染物去除率較高[16]?？傊?，OLR既會(huì)影響占地面積和污染物的處理效率，也會(huì)影響MLSS、DO、膜污染等。

1.2 溶氧量(DO)

表1 溶氧量(DO)質(zhì)量濃度對(duì)反應(yīng)器脫氮性能的影響

1.3 COD/N

糞便污水的COD和氨氮含量較高，兩者的比例顯著影響生物處理效果，特別是含氮污染物的去除效果。COD/N會(huì)降低上流厭氧曝氣組合工藝(UAF-BAF)的生物膜活性及生物種類數(shù)，從而影響處理效果[21]。因此需要保持高COD/N，以提高微生物活性。當(dāng)COD/N為5.0(COD為300 mg/L)時(shí)，活性污泥法對(duì)銨和亞硝酸鹽的去除效率可以達(dá)到84%和99%[22]。曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)的處理效果受到COD/N的影響較大，當(dāng)進(jìn)水COD/N為5時(shí)，COD、銨和總氮去除效率分別達(dá)到83.7%、93.1%和84.6%[23]。雖然多數(shù)反應(yīng)器在COD/N較大時(shí)氮處理較徹底，但對(duì)帶有固定膜活性污泥的SBR工藝的脫氨影響卻截然相反。當(dāng)COD/N增加到3時(shí)，銨降解極不穩(wěn)定，高COD/N不利于生物脫氮?？傊?，除固定膜SBR外，進(jìn)水保持高COD/N可以提高氨氮的處理效率[24]。

②AOB是氨氧化細(xì)菌的簡(jiǎn)稱，NOB是亞硝氮氧化細(xì)菌的簡(jiǎn)稱。其活性均與自身作比較。AOB活性劃分標(biāo)準(zhǔn)為：SAOR在0.175 g/(g·d)-1以上為高，0.15～0.175 g/(g·d)-1為中，0.15 g/(g·d)-1以下為低；NOB劃分標(biāo)準(zhǔn)為SNOR在0.10 g/(g·d)-1以上為高，0.05～0.10 g/(g·d)-1為中，0.05 g/(g·d)-1以下為低。

1.4 運(yùn)行溫度

運(yùn)行溫度不同，生物工藝的微生物群落結(jié)構(gòu)及處理效果也會(huì)受到明顯制約或促進(jìn)[25-26]。相對(duì)較高的溫度有利于厭氧生物反應(yīng)。相比20、28 ℃時(shí)的UASB產(chǎn)生了含量更高、更穩(wěn)定的沼氣，得到了更高的處理效率[27]。14 ℃以上時(shí)，下向流厭氧生物濾池運(yùn)行較穩(wěn)定，水解酸化菌和產(chǎn)甲烷菌代謝趨于平衡，出水SCOD和TCOD質(zhì)量濃度穩(wěn)定在69 mg/L和90 mg/L；而10 ℃低溫條件下，水解菌群相對(duì)豐度下降，系統(tǒng)TCOD去除效果下降[28]。采用分級(jí)厭氧流化床膜生物反應(yīng)器(SAF-MBR)系統(tǒng)處理實(shí)際生活污水發(fā)現(xiàn)，低溫(10～25 ℃)對(duì)有機(jī)物去除沒(méi)有明顯的負(fù)面影響[29]；低溫對(duì)UAF-BAF生物濾池的生物膜厚度和EPS含量均有積極影響，從而加重膜污染[21]。25℃下厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)的膜污染較35 ℃下的更嚴(yán)重，且25 ℃下可以觀察到更小的污泥顆粒尺寸和更細(xì)的絮體[30]。因此，在西藏、東北等寒冷地區(qū)，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮溫度影響并采取保溫等必要措施。

1.5 生物填料性能

2 糞便污水生物組合工藝的中試技術(shù)參數(shù)與處理效果

活性污泥類工藝在糞便污水處理中占有重要的地位，中試技術(shù)中厭氧好氧及其組合應(yīng)用比較多。桑義敏等[36]利用CASS工藝，低溫條件下(-5～20 ℃)生活污水CODcr、BOD5和SS的平均去除率分別達(dá)到85.7%、95.3%、91%，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)DO的高頻率周期性變化是氮磷高效處理的關(guān)鍵所在。Moges等[37]用污泥床厭氧反應(yīng)器在受控溫度(25～28 ℃)下處理糞便污水的濃源分離黑水，結(jié)果表明，在HRT=3 d時(shí)，濃源分離黑水得到有效處理，穩(wěn)態(tài)時(shí)TCOD去除率穩(wěn)定在78%以上，且甲烷轉(zhuǎn)化及其濃度較為穩(wěn)定。Pedrouso等[38]發(fā)現(xiàn)重復(fù)的饑餓和活化期對(duì)部分硝化-厭氧氨氧化(PN/AMX)工藝沒(méi)有不利影響，在低溫(14～21 ℃)下，氮的去除率穩(wěn)定在95%，出水指標(biāo)達(dá)到了相關(guān)區(qū)域出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

總之，在糞便污水處理放大設(shè)計(jì)中，中試試驗(yàn)是進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室參數(shù)、確保工程處理效果的重要環(huán)節(jié)，既要考慮技術(shù)參數(shù)本身的優(yōu)化調(diào)整(溫度、曝氣頻率、進(jìn)水周期、HRT等)，又要考慮設(shè)備、設(shè)施放大時(shí)的水流流體參數(shù)影響(流場(chǎng)、長(zhǎng)寬比、有效水深、短流等)。

3 糞便污水生物組合工藝的工程技術(shù)參數(shù)與處理效果

對(duì)于糞便污水凈化與資源化，去除COD、BOD等含碳有機(jī)物是基本目標(biāo)，除磷脫氮等深度處理更為重要。桑義敏等[42]利用DAT-IAT組合工藝(DATL×B×H=4.5×4.5×4.1 m、IATL×B×H=5.0×4.5×4.1 m)處理北京八達(dá)嶺高速公路服務(wù)區(qū)生活污水(Q=217 m3/d)，供氧量為1.3～1.5 kg O2/Hr(DAT)、2.2～2.6 kg O2/Hr(IAT)、出水CODcr=30.38 mg/L、BOD5=9.73 mg/L、SS=23 mg/L，達(dá)到相關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。李清等[5]采用絮凝-缺氧-好氧-MBR組合工藝處理糞便污水，經(jīng)過(guò)5個(gè)月的運(yùn)行，出水CODcr低于100 mg/L，NH3-N低于1 mg/L，TN低于45 mg/L，TP低于5 mg/L，各指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。Zhang等[43]應(yīng)用一種改良反硝化除磷工藝處理船舶生活污水，在OLR為1.5～2.0的條件下，TN、TP、COD的去除率分別達(dá)到82.0%、81.0%和94.0%。張文兵等[44]采用厭氧氨氧化-MBR組合工藝處理低碳源糞便污水(BOD5/TN=0.7)，在出水水質(zhì)滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—2002)二級(jí)排放要求的同時(shí)，大幅降低了供氧能耗。王盈盈等[45]采用倒置A2/O-MBR組合工藝處理某低碳源生活污水，在投加碳源醋酸鈉、BOD5/TN≤2.8的條件下，出水TN和TP分別小于15 mg/L和1 mg/L，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。熊向陽(yáng)等[46]采用上流式厭氧污泥濾床(UASBF)-反硝化-反滲透組合工藝處理河南北部某市糞便污水，在COD容積負(fù)荷為7.59 kg/(m3·d)的情況下運(yùn)行，出水水質(zhì)優(yōu)于《綜合水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)中一級(jí)B和《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ25.1-89)。郭治東等[47]采用兩級(jí)HAF 復(fù)合厭氧生物濾池處理國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)航空糞便污水，HRT=48 h時(shí)，CODcr、BOD5降解效率為96%，NH3-N降解效率為85%，指標(biāo)完全達(dá)到《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ343—2010)。Kotsia等[48]采用垂直流人工濕地組合工藝處理低濃度糞便污水，BOD、COD和TSS的去除率分別達(dá)到99%、96%和94%，出水BOD和TSS小于10 mg/L，同時(shí)總大腸菌群數(shù)下降了2.2個(gè)對(duì)數(shù)指標(biāo)。

4 循環(huán)水型衛(wèi)生間的生物組合工藝技術(shù)參數(shù)與處理效果

通過(guò)對(duì)比不同研究階段的技術(shù)參數(shù)，可以獲得各種處理工藝的現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。正確調(diào)整各種生物組合工藝的對(duì)應(yīng)參數(shù)(如OLR、DO、COD/N、運(yùn)行溫度、曝氣量、HRT等)，可以實(shí)現(xiàn)生物組合工藝對(duì)糞便污水的綠色高效處理。通過(guò)文獻(xiàn)對(duì)比分析，MBR和日本凈化槽技術(shù)這2種集成化工藝在生態(tài)衛(wèi)生間水凈化領(lǐng)域更具應(yīng)用前景。MBR利用膜過(guò)濾技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高度集成，根據(jù)上文參數(shù)分析，縮小面積的同時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)高效處理，因此其可以作為生態(tài)衛(wèi)生間這類集成化程度較高處理系統(tǒng)的優(yōu)選方案；日本凈化槽技術(shù)發(fā)展較為成熟[49]，因充分利用了循環(huán)曝氣系統(tǒng)、填料床等，大幅提高了水凈化設(shè)備在高度集成場(chǎng)合的應(yīng)用價(jià)值。

4.1 膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)參數(shù)與處理效果研究

MBR是適用于循環(huán)水型衛(wèi)生間糞便污水處理的主要技術(shù)之一。Ren等[50]采用MBR處理糞便污水，在HRT=2～3 h、DO=4～7 mg/L和MLSS=3 500～4 500 mg/L的條件下，COD、NH3-N和濁度分別降低60～90%、80～90%和95～99%，均優(yōu)于BAF。張恒亮等[51]發(fā)現(xiàn)MBBR-MBR對(duì)NH4+-N和COD的去除率均能達(dá)到97%以上。羅聲等[52]將一體式MBR (1.6 m2) 應(yīng)用于生態(tài)衛(wèi)生間，出水COD、BOD和SS范圍分別為33～51、4.5～9.0 mg/L和0.3～1.0 mg/L，達(dá)到《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ25.1—89)。Larsen[53]和Tobias等[54]在烏干達(dá)地區(qū)采用重力驅(qū)動(dòng)MBR處理分流式水循環(huán)生態(tài)衛(wèi)生間糞便污水，前者出水COD保持在30～40 mg/L，后者超過(guò)80%的參與者表示污水經(jīng)處理后可以用于洗手和個(gè)人衛(wèi)生。

MBR應(yīng)用實(shí)踐中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是膜污染問(wèn)題[55]。Shen等[56]發(fā)現(xiàn)小尺寸的絮凝物更容易吸附到膜面上從而增大膜污染；Liu和Wang等[57-58]證實(shí)，生物處理過(guò)程中產(chǎn)生的EPS也是膜的主要污染物之一。膜污染會(huì)降低出水指標(biāo)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加維護(hù)和運(yùn)行成本[59]，因此防治勢(shì)在必行。首先，MLSS<10 g/L、SRT=20～40 d、溫度為15～30 ℃是減少M(fèi)BR膜污染的最佳條件[60]；其次，添加活性炭和陽(yáng)離子聚合物可以提高M(jìn)BR對(duì)有機(jī)污染物和氨氮的去除效果，優(yōu)化膜性能[61]，粉末活性炭 (PAC) 在HRT=8 h的條件下將MBR膜結(jié)垢率從3.12 kPa/d降低至0.89 kPa/d，且該效果長(zhǎng)期穩(wěn)定(超過(guò)140 d)[62]，添加PAC的MBR對(duì)TOC的去除率略高于添加顆?；钚蕴?(GAC)[63]；再次，群體猝滅(QQ)也是減輕生物污垢的有效穩(wěn)定策略之一[64-65]，可以將MBR膜結(jié)垢時(shí)間延長(zhǎng)26.9%[66]；最后，磁粉會(huì)通過(guò)吸附等作用緩解膜污染，以20 r/min的速度向MBR內(nèi)添加Fe3O4可以使膜滲透率提高15倍，運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)約20 d[67-68]。

4.2 日本凈化槽技術(shù)參數(shù)與處理效果研究

作為一種廣泛認(rèn)可的分散污水處理設(shè)施，日本凈化槽技術(shù)適用于循環(huán)水型衛(wèi)生間糞便污水處理。HRT=8 h時(shí)，凈化槽技術(shù)的COD去除率達(dá)到95%；OLR保持在2.7 g/(L·d) 以下，可以避免高負(fù)荷影響；污泥回流比為75%時(shí)，TN、TP的去除率達(dá)到70%和94%[69]；回流量控制在22.5 L/d，出水COD、BOD5、氨氮和TN分別為38、8.1、6.5 mg/L和19.1 mg/L[70]；曝氣速率從30 L/min提高到63 L/min，有機(jī)物和氮的去除率提高到82.5%和60.3%[49]；在凈化槽中添加波紋填料，出水BOD5的最終質(zhì)量濃度降至13 mg/L，總?cè)コ蔬_(dá)90.78%，出水濁度降低至5 NTU，并擁有較高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果[71]。

Li等[72]在江漢平原農(nóng)村地區(qū)采用小凈化槽處理生活污水，當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度大于267.5 mg/L時(shí)，COD去除率達(dá)到82.5%以上；當(dāng)進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度為73.1～179 mg/L時(shí)，總氮去除率為70.6%～81.8%；高COD/N會(huì)限制凈化槽的氮去除效果。田娜等[73]采用凈化槽組合工藝方案處理某高校生活污水，出水BOD≤10 mg/L，COD去除率在90%以上，水質(zhì)顏色和味道明顯改善。干鋼等[74]采用膜式凈化槽技術(shù)處理農(nóng)村糞便污水，COD、BOD5的去除率達(dá)到80%以上，氨氮、TN和SS的平均去除率分別為97.94%、94.13%和93.95%，出水指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外生物組合工藝處理糞便污水的技術(shù)參數(shù)與處理效果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出適用于循環(huán)水型生態(tài)衛(wèi)生間的技術(shù)方案和優(yōu)化參數(shù)。綜合分析表明，OLR、DO、COD/N、運(yùn)行溫度等是生物工藝的重要參數(shù)，其中OLR過(guò)高或過(guò)低都不利于生物處理，DO會(huì)影響厭氧反應(yīng)器的微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響氨氮去除，COD/N相對(duì)較大時(shí)可以顯著增強(qiáng)含氮污染物的去除，溫度主要影響厭氧生物反應(yīng)，需要根據(jù)不同厭氧反應(yīng)器種類進(jìn)行溫度的調(diào)整。MBR技術(shù)與其他工藝經(jīng)過(guò)有效結(jié)合后可以實(shí)現(xiàn)高度集成、高效處理，日本凈化槽技術(shù)便于集成化快速安裝，2種技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)衛(wèi)生間后可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。循環(huán)水型生態(tài)衛(wèi)生間的進(jìn)一步研究工作還可從以下幾個(gè)方面展開：

(1)加強(qiáng)特殊氣候環(huán)境條件對(duì)微生物降解機(jī)制的影響研究，因地制宜選擇合適的處理技術(shù)體系及技術(shù)參數(shù)。如我國(guó)東北、西藏等寒冷高海拔地區(qū)氣溫水溫低、空氣稀薄，抑制微生物功能，針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)當(dāng)選擇相對(duì)耐低溫的處理方案，調(diào)整曝氣量等相關(guān)參數(shù)，采取綠色種植、保溫等措施。

(2)生態(tài)衛(wèi)生間循環(huán)水系統(tǒng)屬于分散污水處理設(shè)施，規(guī)模小、地點(diǎn)特殊，特別適合一體化、集裝箱式設(shè)備，除了生物凈化技術(shù)本身，還應(yīng)該加強(qiáng)智能化、便捷化、多功能的設(shè)備開發(fā)。

(3)AnMBR、UASB、HAF等厭氧處理技術(shù)具有低能耗、回收沼氣等優(yōu)點(diǎn)，符合節(jié)能降耗的發(fā)展要求和國(guó)家戰(zhàn)略，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)凈化效果、沼氣生成、存儲(chǔ)、回收再利用等研究，以利于進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。