粪便污水生物组合处理工艺及其在生态卫生间的应用研究进展

曹瑞奇，桑义敏，初庆东*，鲁涛涛，滕志远，戴铁诚，刘 畅，金 思

(1.北京石油化工学院新材料与化工学院，北京 102617； 2.北京石油化工学院环境工程系，北京 102617)

我国社会主义新农村和城市文明旅游建设都对生态卫生间的设计和筹建提出了更高需求。生态卫生间有免洗打包型、堆肥型和循环水型等3种形式，目前研究和实践集中在打包型和堆肥处理型[1-2]，但循环水型生态卫生间因能实现水资源再生，具有更好发展前景。循环水型卫生间处理体系通常利用沉淀或膜分离等手段进行固液分离，分离后的固体进行微生物堆肥[3-4]，剩余污水具有高COD和高氨氮含量特点，因此其研究关键是对粪便污水的处理。粪便污水俗称“黑水”[5]，约占城市生活污水的1/3[6]，所含杂物和SS较多、COD及氨氮含量较高[7]，宜采用生物组合工艺处理，从而克服单一工艺“氮处理不均衡、出水效果差、抗冲击负荷能力差”等弊端[8]，同时具有占地小、高效稳定等优势[9-10]，结合人工湿地(CW)深度处理[11]，还可以实现水循环利用。综述和分析生物组合工艺技术在不同研究阶段的影响参数和处理效果，可以为循环水型生态卫生间技术方案的筛选和设计研究提供参考。

1 粪便污水生物组合工艺的实验室技术参数与处理效果

当前应用较多的生物组合处理工艺有MBR-A2O、UASB、人工湿地等，对各种工艺的技术参数(OLR、DO、COD/N、温度等)进行实验研究，调节相关参数，寻找合适区间，以提高有机物及氨氮的处理效率，从而将工艺技术应用于生态卫生间粪污处理体系。

1.1 有机负荷(OLR)

高OLR会激发胞外聚合物(EPS)的产生，从而间接加重MBR的膜污染，但对氨氮去除的抑制只存在于短期时间内(3 d)[12]。对于微藻膜生物反应器，OLR对BOD的去除没有显著影响，但OLR越低，越有利于TN和TP的去除以及膜污染的控制；而OLR较低会抑制生物量的培养与聚集，从而也会影响到生物处理的效率[13]。针对该问题，Liberman等[14]建立MBR，并利用超滤技术进一步优化有机污染物的去除。低OLR基本不会影响有机物去除效率，但会降低污泥浓度(MLSS)，从而降低溶解氧(DO)，抑制了氮去除。对于厌氧生物工艺UASB，高OLR没有影响COD和BOD等的去除，但影响到氮磷的有效去除[15]。而新型混合人工湿地VF-HF系统的缓冲能力较强(OLR增加8倍也未受到影响)，同时对SS和有机污染物去除率较高[16]。总之，OLR既会影响占地面积和污染物的处理效率，也会影响MLSS、DO、膜污染等。

1.2 溶氧量(DO)

表1 溶氧量(DO)质量浓度对反应器脱氮性能的影响

1.3 COD/N

粪便污水的COD和氨氮含量较高，两者的比例显著影响生物处理效果，特别是含氮污染物的去除效果。COD/N会降低上流厌氧曝气组合工艺(UAF-BAF)的生物膜活性及生物种类数，从而影响处理效果[21]。因此需要保持高COD/N，以提高微生物活性。当COD/N为5.0(COD为300 mg/L)时，活性污泥法对铵和亚硝酸盐的去除效率可以达到84%和99%[22]。曝气生物膜反应器(MABR)的处理效果受到COD/N的影响较大，当进水COD/N为5时，COD、铵和总氮去除效率分别达到83.7%、93.1%和84.6%[23]。虽然多数反应器在COD/N较大时氮处理较彻底，但对带有固定膜活性污泥的SBR工艺的脱氨影响却截然相反。当COD/N增加到3时，铵降解极不稳定，高COD/N不利于生物脱氮。总之，除固定膜SBR外，进水保持高COD/N可以提高氨氮的处理效率[24]。

②AOB是氨氧化细菌的简称，NOB是亚硝氮氧化细菌的简称。其活性均与自身作比较。AOB活性划分标准为：SAOR在0.175 g/(g·d)-1以上为高，0.15～0.175 g/(g·d)-1为中，0.15 g/(g·d)-1以下为低；NOB划分标准为SNOR在0.10 g/(g·d)-1以上为高，0.05～0.10 g/(g·d)-1为中，0.05 g/(g·d)-1以下为低。

1.4 运行温度

运行温度不同，生物工艺的微生物群落结构及处理效果也会受到明显制约或促进[25-26]。相对较高的温度有利于厌氧生物反应。相比20、28 ℃时的UASB产生了含量更高、更稳定的沼气，得到了更高的处理效率[27]。14 ℃以上时，下向流厌氧生物滤池运行较稳定，水解酸化菌和产甲烷菌代谢趋于平衡，出水SCOD和TCOD质量浓度稳定在69 mg/L和90 mg/L；而10 ℃低温条件下，水解菌群相对丰度下降，系统TCOD去除效果下降[28]。采用分级厌氧流化床膜生物反应器(SAF-MBR)系统处理实际生活污水发现，低温(10～25 ℃)对有机物去除没有明显的负面影响[29]；低温对UAF-BAF生物滤池的生物膜厚度和EPS含量均有积极影响，从而加重膜污染[21]。25℃下厌氧膜生物反应器(AnMBR)的膜污染较35 ℃下的更严重，且25 ℃下可以观察到更小的污泥颗粒尺寸和更细的絮体[30]。因此，在西藏、东北等寒冷地区，参数设计时应该考虑温度影响并采取保温等必要措施。

1.5 生物填料性能

2 粪便污水生物组合工艺的中试技术参数与处理效果

活性污泥类工艺在粪便污水处理中占有重要的地位，中试技术中厌氧好氧及其组合应用比较多。桑义敏等[36]利用CASS工艺，低温条件下(-5～20 ℃)生活污水CODcr、BOD5和SS的平均去除率分别达到85.7%、95.3%、91%，实验中还发现DO的高频率周期性变化是氮磷高效处理的关键所在。Moges等[37]用污泥床厌氧反应器在受控温度(25～28 ℃)下处理粪便污水的浓源分离黑水，结果表明，在HRT=3 d时，浓源分离黑水得到有效处理，稳态时TCOD去除率稳定在78%以上，且甲烷转化及其浓度较为稳定。Pedrouso等[38]发现重复的饥饿和活化期对部分硝化-厌氧氨氧化(PN/AMX)工艺没有不利影响，在低温(14～21 ℃)下，氮的去除率稳定在95%，出水指标达到了相关区域出水水质标准。

总之，在粪便污水处理放大设计中，中试试验是进一步优化实验室参数、确保工程处理效果的重要环节，既要考虑技术参数本身的优化调整(温度、曝气频率、进水周期、HRT等)，又要考虑设备、设施放大时的水流流体参数影响(流场、长宽比、有效水深、短流等)。

3 粪便污水生物组合工艺的工程技术参数与处理效果

对于粪便污水净化与资源化，去除COD、BOD等含碳有机物是基本目标，除磷脱氮等深度处理更为重要。桑义敏等[42]利用DAT-IAT组合工艺(DATL×B×H=4.5×4.5×4.1 m、IATL×B×H=5.0×4.5×4.1 m)处理北京八达岭高速公路服务区生活污水(Q=217 m3/d)，供氧量为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，达到相关污染物排放标准。李清等[5]采用絮凝-缺氧-好氧-MBR组合工艺处理粪便污水，经过5个月的运行，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，各指标均达到国家相关标准。Zhang等[43]应用一种改良反硝化除磷工艺处理船舶生活污水，在OLR为1.5～2.0的条件下，TN、TP、COD的去除率分别达到82.0%、81.0%和94.0%。张文兵等[44]采用厌氧氨氧化-MBR组合工艺处理低碳源粪便污水(BOD5/TN=0.7)，在出水水质满足《污水综合排放标准》(GB8978—2002)二级排放要求的同时，大幅降低了供氧能耗。王盈盈等[45]采用倒置A2/O-MBR组合工艺处理某低碳源生活污水，在投加碳源醋酸钠、BOD5/TN≤2.8的条件下，出水TN和TP分别小于15 mg/L和1 mg/L，各项指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。熊向阳等[46]采用上流式厌氧污泥滤床(UASBF)-反硝化-反渗透组合工艺处理河南北部某市粪便污水，在COD容积负荷为7.59 kg/(m3·d)的情况下运行，出水水质优于《综合水质排放标准》(GB8978—1996)中一级B和《生活杂用水水质标准》(CJ25.1-89)。郭治东等[47]采用两级HAF 复合厌氧生物滤池处理国内某机场航空粪便污水，HRT=48 h时，CODcr、BOD5降解效率为96%，NH3-N降解效率为85%，指标完全达到《污水排入城镇下水道水质标准》(CJ343—2010)。Kotsia等[48]采用垂直流人工湿地组合工艺处理低浓度粪便污水，BOD、COD和TSS的去除率分别达到99%、96%和94%，出水BOD和TSS小于10 mg/L，同时总大肠菌群数下降了2.2个对数指标。

4 循环水型卫生间的生物组合工艺技术参数与处理效果

通过对比不同研究阶段的技术参数，可以获得各种处理工艺的现有技术优势和发展潜力。正确调整各种生物组合工艺的对应参数(如OLR、DO、COD/N、运行温度、曝气量、HRT等)，可以实现生物组合工艺对粪便污水的绿色高效处理。通过文献对比分析，MBR和日本净化槽技术这2种集成化工艺在生态卫生间水净化领域更具应用前景。MBR利用膜过滤技术来实现高度集成，根据上文参数分析，缩小面积的同时仍可以实现高效处理，因此其可以作为生态卫生间这类集成化程度较高处理系统的优选方案；日本净化槽技术发展较为成熟[49]，因充分利用了循环曝气系统、填料床等，大幅提高了水净化设备在高度集成场合的应用价值。

4.1 膜生物反应器(MBR)技术参数与处理效果研究

MBR是适用于循环水型卫生间粪便污水处理的主要技术之一。Ren等[50]采用MBR处理粪便污水，在HRT=2～3 h、DO=4～7 mg/L和MLSS=3 500～4 500 mg/L的条件下，COD、NH3-N和浊度分别降低60～90%、80～90%和95～99%，均优于BAF。张恒亮等[51]发现MBBR-MBR对NH4+-N和COD的去除率均能达到97%以上。罗声等[52]将一体式MBR (1.6 m2) 应用于生态卫生间，出水COD、BOD和SS范围分别为33～51、4.5～9.0 mg/L和0.3～1.0 mg/L，达到《生活杂用水水质标准》(CJ25.1—89)。Larsen[53]和Tobias等[54]在乌干达地区采用重力驱动MBR处理分流式水循环生态卫生间粪便污水，前者出水COD保持在30～40 mg/L，后者超过80%的参与者表示污水经处理后可以用于洗手和个人卫生。

MBR应用实践中面临的主要挑战之一是膜污染问题[55]。Shen等[56]发现小尺寸的絮凝物更容易吸附到膜面上从而增大膜污染；Liu和Wang等[57-58]证实，生物处理过程中产生的EPS也是膜的主要污染物之一。膜污染会降低出水指标，影响系统稳定性，增加维护和运行成本[59]，因此防治势在必行。首先，MLSS<10 g/L、SRT=20～40 d、温度为15～30 ℃是减少MBR膜污染的最佳条件[60]；其次，添加活性炭和阳离子聚合物可以提高MBR对有机污染物和氨氮的去除效果，优化膜性能[61]，粉末活性炭 (PAC) 在HRT=8 h的条件下将MBR膜结垢率从3.12 kPa/d降低至0.89 kPa/d，且该效果长期稳定(超过140 d)[62]，添加PAC的MBR对TOC的去除率略高于添加颗粒活性炭 (GAC)[63]；再次，群体猝灭(QQ)也是减轻生物污垢的有效稳定策略之一[64-65]，可以将MBR膜结垢时间延长26.9%[66]；最后，磁粉会通过吸附等作用缓解膜污染，以20 r/min的速度向MBR内添加Fe3O4可以使膜渗透率提高15倍，运行时间延长约20 d[67-68]。

4.2 日本净化槽技术参数与处理效果研究

作为一种广泛认可的分散污水处理设施，日本净化槽技术适用于循环水型卫生间粪便污水处理。HRT=8 h时，净化槽技术的COD去除率达到95%；OLR保持在2.7 g/(L·d) 以下，可以避免高负荷影响；污泥回流比为75%时，TN、TP的去除率达到70%和94%[69]；回流量控制在22.5 L/d，出水COD、BOD5、氨氮和TN分别为38、8.1、6.5 mg/L和19.1 mg/L[70]；曝气速率从30 L/min提高到63 L/min，有机物和氮的去除率提高到82.5%和60.3%[49]；在净化槽中添加波纹填料，出水BOD5的最终质量浓度降至13 mg/L，总去除率达90.78%，出水浊度降低至5 NTU，并拥有较高的经济效益和节能效果[71]。

Li等[72]在江汉平原农村地区采用小净化槽处理生活污水，当进水COD质量浓度大于267.5 mg/L时，COD去除率达到82.5%以上；当进水总氮质量浓度为73.1～179 mg/L时，总氮去除率为70.6%～81.8%；高COD/N会限制净化槽的氮去除效果。田娜等[73]采用净化槽组合工艺方案处理某高校生活污水，出水BOD≤10 mg/L，COD去除率在90%以上，水质颜色和味道明显改善。干钢等[74]采用膜式净化槽技术处理农村粪便污水，COD、BOD5的去除率达到80%以上，氨氮、TN和SS的平均去除率分别为97.94%、94.13%和93.95%，出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。

5 结论与展望

通过对近年来国内外生物组合工艺处理粪便污水的技术参数与处理效果进行对比分析，总结出适用于循环水型生态卫生间的技术方案和优化参数。综合分析表明，OLR、DO、COD/N、运行温度等是生物工艺的重要参数，其中OLR过高或过低都不利于生物处理，DO会影响厌氧反应器的微生物群落结构，从而影响氨氮去除，COD/N相对较大时可以显著增强含氮污染物的去除，温度主要影响厌氧生物反应，需要根据不同厌氧反应器种类进行温度的调整。MBR技术与其他工艺经过有效结合后可以实现高度集成、高效处理，日本净化槽技术便于集成化快速安装，2种技术应用于生态卫生间后可以获得更高的经济效益、环境效益和社会效益。循环水型生态卫生间的进一步研究工作还可从以下几个方面展开：

(1)加强特殊气候环境条件对微生物降解机制的影响研究，因地制宜选择合适的处理技术体系及技术参数。如我国东北、西藏等寒冷高海拔地区气温水温低、空气稀薄，抑制微生物功能，针对此问题应当选择相对耐低温的处理方案，调整曝气量等相关参数，采取绿色种植、保温等措施。

(2)生态卫生间循环水系统属于分散污水处理设施，规模小、地点特殊，特别适合一体化、集装箱式设备，除了生物净化技术本身，还应该加强智能化、便捷化、多功能的设备开发。

(3)AnMBR、UASB、HAF等厌氧处理技术具有低能耗、回收沼气等优点，符合节能降耗的发展要求和国家战略，应加强对净化效果、沼气生成、存储、回收再利用等研究，以利于进一步的推广应用。