基于A/O-MBR 工藝的黑水處理試驗研究

楊 驍 畢海權 潘國峰

（1.西南交通大學 成都 610031；2.廣東迦南通用設備有限公司 佛山 528000）

0 引言

黑水指包括人類糞便、尿液、沖廁以及洗手用水的污水[1]。與城市污水相比，黑水有機污染物濃度高，氮磷濃度高，而且含有大量的病原體微生物，未經處理的黑水直接排放不僅會引起土壤和水資源污染，還會滋生傳染病，包括近年來肆虐的新型冠狀肺炎。

元素分析表明，黑水中占了生活污水80%～90%的氮和50～57%的磷[2]，當黑水與其余生活污水混流處理時，會消耗大量資源。因此，按照依照生態衛生理念中的“閉環理論”，黑水應當與廚房浴室盥洗污水、雨水等其他生活污水分離、單獨收集并處理，從而減少污水處理過程中的能源消耗并實現資源再生。有國外學者對32 個住宅的黑水分別進行真空集輸和厭氧處理后，可分別保留7.6g氮和0.63g 磷每天[3]，黑水資源回收在實踐層面是可行的。

目前黑水處理最常用的污水處理工藝為A/O工藝，A/O 工藝法也叫厭氧好氧工藝法，A（naerobic）厭氧段，用于脫氮除磷；O（Oxic）是好氧段，用于除去水中的有機污染物，其主要流程如圖1 所示，A/O 工藝法流程簡單，管理方便，但是其沉淀池效果不穩定，顆粒類污染物不能完全沉淀，導致出水往往達不到國家標準，不適用于高氮以及高磷的黑水處理。蔡英英[4]等人利用A/O 工藝處理豬場廢水，該類廢水含有高濃度有機物、氮、磷和致病性微生物等，與黑水具有相似性，但對氨氮和總氮的去除率分別只有50%和30%左右，總磷的去除率也只有26%，遠遠達不到排放標準；同樣地，牛明芬[5]在處理豬場廢水時也選擇了A/O 工藝，最好的情況下，總氮去除率也僅有60%。實踐表明，單純的A/O 工藝在處理高濃度污水時，氮磷去除率偏低。

圖1 A/O 工藝流程圖Fig.1 A/O process flow chart

為了提高黑水處理的效率，本文基于A/O 工藝，用MBR（膜生物反應器，膜池）代替了A/O工藝中的沉淀池，形成了A/O-MBR 工藝厭氧好氧-膜生物反應器組合工藝），其流程如圖2 所示。

圖2 A/O-MBR 工藝流程圖Fig.2 A/O-MBR process flow chart

膜生物反應器（MBR）是一種高效的過濾膜技術，與沉淀池相比，膜組件的高效截留作用能實現良好的泥水分離，因此膜組件對懸浮物、對難降解有機物以及病原體有較好的截留作用，大大提高了污水去除效率。除此之外，過濾作用將活性污泥完全截留在反應池內，使有關微生物能夠最大限度的增長繁殖，因此世代時間較長的硝化及亞硝化細菌也得到很好的增長，大大增加了吸附和降解污染物的能力。反應池內較高的生物濃度，能夠適應水質及水量變化所帶來的負荷沖擊。

理論上A/O+MBR 工藝適用于黑水處理，為了驗證A/O+MBR 工藝對黑水中主要污染物的去除效果，以及處理黑水時A/O+MBR 工藝的控制模式，開展了污水處理試驗。

1 全尺寸試驗

1.1 試驗系統

A/O+MBR 工藝貼合了黑水的水質特點，可用作黑水處理工藝，基于圖2 的流程圖搭建了試驗系統，如圖3 所示。首先，進水泵將黑水泵入試驗設備內，然后依次經過厭氧池、好氧池、膜池的處理，最后處理完成的水進入反洗池。厭氧池、好氧池、膜池的有效體積分別為1.8m3、1.8m3以及1.2m3。好氧池以膜池的溶解氧通過曝氣風機控制；厭氧池以及好氧池都設有填料，以增加脫氮效率。

圖3 試驗系統Fig.3 Test system

1.2 試驗對象

試驗用的黑水為某工廠衛生間污水，屬于典型的黑水，該黑水的主要污染物濃度為：COD（化學需氧量）濃度為1600mg/L，TN（總氮）、NH3-N（氨氮）、TP（總磷）以及懸浮物的濃度分別為249、167、16.7、1600mg/L，糞大腸菌群濃度為3500000MPN/L。

1.3 系統設置

1.3.1 曝氣模式

試驗中，好氧池以及膜池都有曝氣裝置，兩反應池的曝氣量體積比為3:2。曝氣系統既要滿足曝氣池內微生物反應所需的氧氣量，又要起到混合攪拌的目的，使反應池內的微生物、氧氣以及其他物質完全混合。為了滿足溶解氧濃度以及攪動要求，傳統工藝一般都采取連續曝氣，在連續曝氣的模式下，MBR 工藝對黑水中COD、NH3-N 以及TN 的去除率分別為83.8%、88.2%和52.9%[6]。研究發現，與連續曝氣相比，間歇曝氣對污泥的擾動更小，會使微生物表面變得更加疏水，從而更容易吸附與聚集，形成更大的微生物菌團和群落，因此，間歇曝氣具有更高的有機物和氮磷去除率[7]。通過間歇曝氣的方式，氨氧化細菌可獲得競爭優勢以增加絕對豐度，從而實現短程硝化[8]。由于控制模式的調整，曝氣設備的運行時間下降，電耗可降低18.3%[9]。此外，間歇曝氣能在更寬泛的溶解氧濃度內實現氮的去除，所以對溶解氧的控制要求低于連續曝氣。除此之外，通過間歇曝氣在同一反應池內交替形成厭氧、好氧環境，為除磷菌的生長創造了條件，增加了磷的去除。

為了提高對黑水中污染物去除效率以及節能降耗，試驗時選擇了間歇曝氣，曝氣時間與停止曝氣時間比為1:2，由曝氣風機控制。

1.3.2 回流模式

硝化液回流的目的是將好氧段硝化細菌氧化氨氮產生的硝酸鹽氮送回厭氧段，由反硝化細菌進行硝酸鹽氮的反硝化，實現總氮去除。當回流量過小時，脫氮率達不到要求，所以傳統工藝通過增大回流量來提高脫氮效率，但當過量硝化液涌入厭氧池后，會破壞其厭氧環境，使反硝化效率大大下降，本末倒置。

間歇回流即在一個回流周期內，回流一段時間，實現缺氧，剩下時間停止回流，實現厭氧狀態。在A/O+MBR 工藝中，回流方式對COD 和氨氮的去除沒有明顯影響，但是間歇回流對TP 的去除遠好于連續回流的情況[10]。但是當厭氧時間過長時，不利于NH3-N 和COD 的去除，間歇回流以污水在設備內的間歇循環流動來減少厭氧時間，以保證COD 和氨氮的去除率。

回流量由回流泵的運行控制，試驗期間其運行模式為2min/30min（啟動2min，停止30min。循環往復），回流比達到了4000%。

動力設備的具體控制與運行模式如表1 所示。

表1 動力設備控制模式Table 1 Operation mode of power equipment

1.4 檢測方式

當裝置穩定運行后，對系統出水取樣檢測，基于城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB 18918-2002），選擇的檢測指標為COD、NH3-N、TN、TP、懸浮物以及糞大腸菌群。最終檢測結果由廣東譜尼測試技術有限公司提供，檢測方法如表2 所示。

表2 參數檢測方法Table 2 Parameter detection method

2 試驗結果與討論

系統出水指標如表3 所示。從表3 可以看出，除TP 外，其余檢測參數均滿足國家一級A 標準。

表3 出水參數對比Table 3 Comparison of effluent parameters

2.1 COD 的去除效果

試驗期間進水COD 平均為1600mg/L，處理后出水COD 為35～52mg/L，平均值為49.04mg/L，出水水質較穩定。傳統的A/O 工藝對COD 的去除率在較好運行狀態下能夠維持在88%[11]，而試驗系統對COD 的平均去除率達到了96.93%，提高了8%。試驗結果表明，間歇曝氣以及間歇回流運行的A/O-MBR 工藝對于有機污染物的去除是有利的。

除此之外，黑水中的顆粒性COD 占到了68%以上，而一般的市政污水占59%左右，灰水（廚房及洗滌用水）僅占23.6%。對于顆粒態COD 占比較高的污水，MBR 膜具有良好的過濾作用，能進一步減少出水COD 濃度。圖4 為膜組件對COD的攔截作用，相較于攔截前，去除率提高了3.8%。

圖4 各反應池COD 濃度Fig.4 COD concentrations in each cell

當膜污染嚴重時，出水COD 濃度必然會增加，所以在實際運行中，要密切關注膜污染的程度，及時進行清洗或者更換，保證出水COD 的穩定。

2.2 TN 的去除效果

試驗期間進水氨氮均值為167mg/L，處理后為1.04～2.13mg/L，平均去除率為99.24%。氨氮的去除主要是依靠好氧池和厭氧池的生物活動來去除，MBR 膜對氨氮的截留作用很小。通過對黑水進行氮元素分析，76%以上的總氮以氨氮的形式存在，保證A/O 段的運行十分重要。

進水TN 平均為249mg/L，出水TN 在9.30～18mg/L，平均去除率達到了94.50%。相較于連續運行時的66.24%[12]，試驗系統所采用的間歇曝氣以及間歇回流的運行模式，對于TN 的去除率提高了27%。

試驗系統的每個回流周期內，回流量僅為150%，而且回流的混合液來自膜池并非好氧池，該段的溶解氧濃度維持在較低水平，不會影響厭氧池的溶解氧濃度，保證了反硝化反應的正常進行。該過程在一天內多次重復，回流總量達到了4000%，保證了系統內污水完全進行了脫氮過程。除此之外，在間歇曝氣條件下，停止曝氣后，好氧池也能發生短程硝化反應，進一步提升了對TN 的去除。

膜池前后的TN 濃度幾乎沒有變化，證明MBR膜對TN 的截留作用可以忽略不計。

2.3 TP 的去除效果

進水TP 均值為16.7mg/L，出水時為3～5mg/L，平均去除率為76.00%。系統所采用的間歇回流以及間歇曝氣的控制模式能夠創造厭氧與缺氧狀態的交替，有利于聚磷菌的生長與繁殖，進而影響磷的去除。連續回流不能保證嚴格的厭氧環境，聚磷菌增長緩慢，在間歇回流的模型下，釋磷速率是連續回流的兩倍，所以相較于傳統模式的60%TP 去除率[13]，試驗系統對TP 去除率提高了16%。

盡管通過控制模式優化了生物除磷的效率，出水TP 濃度仍不能達到國家標準。僅依靠生物除磷將TP 濃度控制在1mg/L 以下，進水BOD/TP 的值應在20～30，而試驗所用的黑水，該比值僅為14左右，所以有關微生物得不到良好增值，影響釋磷效率。此外，試驗系統不設排泥系統，含磷污泥無法排出，進一步影響了TP 的去除。因此需要對該工藝進一步深入研究，并結合其它成熟工藝進行改進，或者輔以化學除磷，以提高對污水中TP 的去除效果。

試驗過程中發現，膜池中的TP 濃度略高于出水中的TP 濃度，證明MBR 膜對顆粒型有機磷有一定的截留作用。

2.4 懸浮物以及病原體的去除效果

進水中的懸浮物濃度在1600mg/L 以上，而出水中的懸浮物濃度穩定在5mg/L 以下，去除率保持在99%以上，MBR 膜對懸浮物的截留作用非常明顯。

進水糞大腸菌群進水為3500000MPN/L，設備出水時其濃度僅為110MPN/L，A/O-MBR 工藝對并其去除率大達到了99.99%以上。MBR 對病毒的去除作用不僅體現在活性污泥對病毒的滅活，膜表面的濾餅層和凝膠層在病毒的截留中起了重要的作用。經MBR 膜截留后，出水中的腸道病毒等病原微生物都低于檢測限。

隨著膜污染的增加，出水中懸浮物以及病原體濃度必然會升高，因此，定期清洗膜組件是必要的。

3 結論

本文選用A/O-MBR 工藝并搭建系統處理黑水，在間歇回流以及間歇曝氣的控制模式下，研究了對主要污染物參數的去除效果，得到以下結論：

（1）A/O-MBR 工藝對黑水中COD、H3-N、TN、TSS、糞大腸菌群等主要污染物的去除率達到了90%以上，出水達到GB 18918-2002 一級A 標準。

（2）A/O-MBR 工藝對TP 的去除率達到了76%，間歇回流的運行模式有利于聚磷菌的生長與繁殖，能提高除磷效率，但是由于黑水水質自身的影響，僅依靠生物除磷無法達到國家標準，需輔以化學除磷。

（3）膜組件對于懸浮物、病原體以及顆粒型污染物的截留作用明顯，膜污染的控制至關重要。