A/O+MBR組合工藝處理船舶生活污水效果和特性研究

於勝洪，夏 瑜，張 麗，王海靜，王 君

（蘇州首創(chuàng)嘉凈環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆K 蘇州 215126）

0 引言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，河道環(huán)境污染越來越嚴重，船舶作為內(nèi)河航運中的交通工具，也是一種流動污染源，船舶生活污水的排放對內(nèi)河及湖泊、水庫的影響加劇。為減少向內(nèi)陸河流直接排放生活污水，2019年交通運輸部海事局發(fā)布的《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則(2019)》明確規(guī)定：自2020年6月1日起，新建內(nèi)河船舶要配備生活污水處理或貯存裝置。各方均在努力消減沿線主要污染物的排放總量，控制入河污染物總量達標，確保航運內(nèi)河保持優(yōu)良水體。

內(nèi)河航運中多數(shù)船舶類型為常住人口5 人以下（400 t 以下）的船舶，按照人均日排水量70 L 計，每天產(chǎn)生的污水污物總量約350 L，由于此類船舶的船艙空間較小，目前多數(shù)船舶只裝設“糞尿水”的收集貯存裝置，定期集中排放到岸上指定的接收裝置中[1]。該貯存裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，一旦儲存達到飽和，將不可避免的排入河道。由于此類儲存裝置容積有限，對于其它洗滌排水不作收集，直接排入河道，無法滿足保持航運內(nèi)河優(yōu)良水體的要求。而市場上現(xiàn)有船舶生活污水處理裝置額定使用人數(shù)為10 人以上，多數(shù)采用生物接觸氧化法和加氯消毒來處理船舶生活污水，處理工藝流程長，操作復雜，且裝置體積較大，無法在5 人以下船舶中使用。

由于常住人口5 人以下船舶每天產(chǎn)生的污水污物量較少，處理設備需要微型化，以保證船舶生活污水達標排放和少量污物集中上岸的要求[2]。根據(jù)相關(guān)資料，采用MBR 膜法處理工藝能使船舶生活污水處理后的排放水達到IMO MEPC.159(55)的排放要求[3]。結(jié)合10 人以上船舶污水處理裝置的結(jié)構(gòu)形式，設計開發(fā)出一套體積小、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的A/O-MBR處理工藝的處理裝置。經(jīng)過4 個多月的運行測試，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到了GB 3552—2018 《船舶水污染排放控制標準》中船舶生活污水污染物排放限值（三）中的要求。

1 處理裝置與工藝流程

船舶生活污水處理裝置正視和俯視示意見圖1。由圖1可以看出，該裝置采用“原水→缺氧粉碎區(qū)→好氧MBR 區(qū)→紫外消毒→出水”的工藝流程。外殼采用碳鋼材質(zhì)，上下合蓋形式，該裝置主要由主體裝置、粉碎泵、空氣泵、曝氣系統(tǒng)、MBR 膜組、產(chǎn)水泵、反洗泵、液位計、紫外消毒裝置及進出水管路等部分組成。

圖1 船舶生活污水處理裝置示意

船舶生活污水處理裝置內(nèi)部通過隔板分成缺氧粉碎區(qū)和好氧MBR 區(qū)2 個區(qū)域，生活污水從上部入口進入裝置。缺氧粉碎區(qū)內(nèi)的粉碎泵間歇循環(huán)運行，將混有顆粒雜質(zhì)的泥水粉碎和硝化液充分混合，完成生物脫氮和釋磷過程，同時避免水中大顆粒固體雜物對MBR 膜造成損害[4]。在好氧MBR 區(qū)中超短型中空纖維膜組件底部采用環(huán)形穿孔曝氣管對MBR 膜進行曝氣沖刷，通過曝氣沖刷的方式來控制膜污染[5]。由于MBR 膜的截留使得好氧MBR 區(qū)的污泥質(zhì)量濃度保持在較高范圍完成生物硝化、除碳和吸磷過程。經(jīng)MBR 膜抽吸出的水經(jīng)外置的紫外消毒裝置進行消毒。裝置內(nèi)產(chǎn)生的剩余污泥通過粉碎泵定期外排。

1.1 主要設備參數(shù)

裝置外形尺寸為850 mm×550 mm×950 mm，缺氧粉碎區(qū)容積約146 L，好氧MBR 區(qū)容積約93 L，通過內(nèi)置靜壓式液位計實現(xiàn)裝置內(nèi)的高低水位差，高低位間容積差約40 L；粉碎泵為1 臺250 W帶切割的管道泵；1 臺40 L/min 的空氣泵用于好氧供氧、曝氣沖涮膜絲表面和氣提混合液回流；2 臺15 W 微型自吸泵分別用作MBR 膜的產(chǎn)水泵和反洗泵；1 根12 W 過流式紫外殺菌器對MBR 膜出水進行消毒殺菌；好氧MBR 區(qū)安裝定制的微型柱狀MBR 膜組，有效膜面積約1.8 m2。采用定制開發(fā)的單片機線路板固定運行程序，在預設范圍內(nèi)自動運行。

1.2 試驗方法

采用蘇州某市政污水廠的原水作為試驗用水，將經(jīng)過格柵去除雜質(zhì)后的污水定時泵入試驗裝置內(nèi)，其原水pH 值為6.6～8.1，COD 質(zhì)量濃度為78～341.5 mg/L，NH3-N 質(zhì)量濃度為15～61 mg/L，TN 質(zhì)量濃度為17～54 mg/L，TP 質(zhì)量濃度為3.04～9.13 mg/L。

采用重鉻酸鉀法測定COD 質(zhì)量濃度；采用納氏試劑比色法測定NH3-N 質(zhì)量濃度；采用過硫酸鹽消解法測定TN 質(zhì)量濃度；采用鉬酸銨分光光度法測定TP 質(zhì)量濃度；采用雷磁便攜式溶解氧測定儀DO值；采用990 型pH/電導儀測定pH 值；采用奧林巴斯CX41RF 進行微生物鏡檢。

1.3 試驗過程

試驗從4月8日開始運行至8月26日，考察裝置在不同運行條件下的處理能力。通過液位高、低控制進水，單次最大進水水量約40 L，每日按照早、中、晚分別進水2，3 和4 次的方式運行，連續(xù)2 次進水間隔在10～20 min 之間。好氧MBR 膜區(qū)的自吸泵按照運行7 min、停止3 min 的方式連續(xù)抽吸產(chǎn)水，液位達到設定的低液位時暫停運行。由于裝置容積受限，MBR 膜組件無法進行日常自動藥洗，只能定時人工將膜組件取出進行輪換或清洗，膜通量設計取值較小，設計膜通量為10 L/(m2·h)。通過定時啟動清水反洗泵對MBR 膜反洗及24 h 不停曝氣搽洗膜絲，延長MBR 膜的更換周期。

2 試驗結(jié)果

2.1 COD的去除效果

船舶生活污水處理裝置對COD 的去除效果見圖2。采用人工培菌方式向處理裝置內(nèi)投加市政污水廠污泥濃縮池的污泥，直至裝置內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度達到約5 g/L，在連續(xù)悶曝3 d 后，開始正常進、出水。使得裝置內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度不斷增加并穩(wěn)定在8.5 g/L 左右。由圖2可以看出，原水中COD 質(zhì)量濃度在78～341 mg/L 之間波動，但出水中COD 濃度較穩(wěn)定，除培菌啟動階段外，出水中COD 平均質(zhì)量濃度為57 mg/L，遠低于《船舶水污染排放控制標準》中的指標，平均去除率為72%。說明該裝置有較好的抗沖擊負荷能力。COD 去除效果較好是由于裝置內(nèi)維持了較高的污泥濃度，通過連續(xù)氣提回流好氧泥水混合液和缺氧粉碎泵的循環(huán)攪拌，使得缺氧粉碎區(qū)和好氧MBR 區(qū)的污泥濃度均維持在較高水平，有效緩解了原水水質(zhì)和水量波動的影響。

圖2 船舶生活污水處理裝置對COD 的去除效果

2.2 NH3-N 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對NH3-N 的去除效果見圖3。由圖3可以看出，裝置對NH3-N 的去除效果較好，平均去除率在95%以上，出水中NH3-N 平均質(zhì)量濃度在1 mg/L 以下，遠優(yōu)于相關(guān)排放要求。推斷原因是由于好氧MBR 區(qū)的污泥濃度較高，而有機物濃度較低，絕大部分的NH3-N 在此被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮(NO3--N)，硝化菌生長很好，通過鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥中有大量半圓表殼蟲以及鐘蟲、輪蟲等微生物。

圖3 船舶生活污水處理裝置對NH3-N 的去除效果

2.3 TN 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對TN 的去除效果見圖4。由圖4可以看出，裝置對TN 的去除效果較好，由于原水中TN 濃度相對較低，出水中TN 平均質(zhì)量濃度為10 mg/L。這主要是由于在缺氧區(qū)存在質(zhì)量濃度高于5 000 mg/L 污泥，在缺氧區(qū)能保證良好的缺氧環(huán)境，將水中大部分NO3--N 反硝化為氮氣。由于國際海協(xié)環(huán)保會IMO MEPC.159（55）的排放要求中對TN沒有要求，而《船舶水污染物排放控制標準》中要求出水中ρ（TN）＜20 mg/L，因此，處理后出水中TN 濃度達到船舶生活污水污染物排放限值（三）的排放要求。

圖4 船舶生活污水處理裝置對TN 的去除效果

2.4 TP 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對TP 的去除效果見圖5。由于船艙空間比較狹小，無法通過投加化學藥劑進行物化除磷，在船舶航行過程中也無法經(jīng)常排泥除磷，只能在船舶靠岸時通過粉碎泵抽排裝置內(nèi)泥渣實現(xiàn)生物除磷。由圖5可以看出，在裝置運行的前2個月，出水中TP 質(zhì)量濃度始終在較低值，均在1 mg/L以下，但2 個月后，出水中TP 濃度逐漸升高，超出排放限值。這主要是由于前2 個月好氧MBR 區(qū)的污泥濃度逐漸增加，污泥中吸磷微生物不斷吸收水中的磷酸鹽，當污泥質(zhì)量濃度為20 g/L 時，好氧MBR 區(qū)的污泥粘度顯著增加，好氧溶解氧（DO）質(zhì)量濃度降至2 mg/L 以下，污泥增長速度趨緩，對磷酸鹽的吸收基本飽和，導致裝置出水中TP 濃度超標。

圖5 船舶生活污水處理裝置對TP 的去除效果

在通過粉碎泵外排缺氧粉碎區(qū)的泥水降低了裝置內(nèi)的污泥濃度后，出水中TP 濃度迅速降低，裝置內(nèi)的污泥恢復增殖狀態(tài)，出水中TP 質(zhì)量濃度降低到1 mg/L 以下，達到船舶生活污水污染物排放限值（三）中的要求。處理裝置依靠污泥增殖實現(xiàn)吸磷，微生物自身生長對磷酸鹽的需求較少，在污泥增殖達到一定限值時，吸磷量達到飽和，出水中TP 濃度升高，此時需采用人工操作粉碎泵排泥實現(xiàn)除磷。

3 結(jié)論

（1）船舶生活污水處理裝置采用AO+MBR 處理工藝，經(jīng)4 個多月的連續(xù)測試，裝置處理效果顯著，出水中COD，NH3-N 和TN 指標均達到國際海協(xié)環(huán)保會IMO MEPC.159（55）和GB 3552—2018《船舶水污染物排放控制標準》的要求。

（2）處理裝置在運行前2 個月內(nèi)，隨著污泥濃度增加而不斷吸磷可實現(xiàn)出水中TP 質(zhì)量濃度低于1 mg/L，達到GB 3552—2018《船舶水污染物排放控制標準》的要求；但運行2 個月后，出水中TP 濃度逐漸升高，需通過定期人工排泥除磷，才能保證出水中TP 濃度穩(wěn)定達標。

（3）處理裝置設置約40 L 容積緩沖調(diào)節(jié)區(qū)，有效緩沖了對來水水質(zhì)和水量的沖擊；裝置采用1 臺粉碎泵和1 臺空氣泵作為主要動力源，運行能耗低；采用單片機線路板的方式使裝置在預設程序范圍內(nèi)自動運行，實現(xiàn)日常運行無人值守，滿足內(nèi)河船舶生活污水對處理和運行的要求。