基于A/O-MBR 工艺的黑水处理试验研究

杨 骁 毕海权 潘国峰

（1.西南交通大学 成都 610031；2.广东迦南通用设备有限公司 佛山 528000）

0 引言

黑水指包括人类粪便、尿液、冲厕以及洗手用水的污水[1]。与城市污水相比，黑水有机污染物浓度高，氮磷浓度高，而且含有大量的病原体微生物，未经处理的黑水直接排放不仅会引起土壤和水资源污染，还会滋生传染病，包括近年来肆虐的新型冠状肺炎。

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]，当黑水与其余生活污水混流处理时，会消耗大量资源。因此，按照依照生态卫生理念中的“闭环理论”，黑水应当与厨房浴室盥洗污水、雨水等其他生活污水分离、单独收集并处理，从而减少污水处理过程中的能源消耗并实现资源再生。有国外学者对32 个住宅的黑水分别进行真空集输和厌氧处理后，可分别保留7.6g氮和0.63g 磷每天[3]，黑水资源回收在实践层面是可行的。

目前黑水处理最常用的污水处理工艺为A/O工艺，A/O 工艺法也叫厌氧好氧工艺法，A（naerobic）厌氧段，用于脱氮除磷；O（Oxic）是好氧段，用于除去水中的有机污染物，其主要流程如图1 所示，A/O 工艺法流程简单，管理方便，但是其沉淀池效果不稳定，颗粒类污染物不能完全沉淀，导致出水往往达不到国家标准，不适用于高氮以及高磷的黑水处理。蔡英英[4]等人利用A/O 工艺处理猪场废水，该类废水含有高浓度有机物、氮、磷和致病性微生物等，与黑水具有相似性，但对氨氮和总氮的去除率分别只有50%和30%左右，总磷的去除率也只有26%，远远达不到排放标准；同样地，牛明芬[5]在处理猪场废水时也选择了A/O 工艺，最好的情况下，总氮去除率也仅有60%。实践表明，单纯的A/O 工艺在处理高浓度污水时，氮磷去除率偏低。

图1 A/O 工艺流程图Fig.1 A/O process flow chart

为了提高黑水处理的效率，本文基于A/O 工艺，用MBR（膜生物反应器，膜池）代替了A/O工艺中的沉淀池，形成了A/O-MBR 工艺厌氧好氧-膜生物反应器组合工艺），其流程如图2 所示。

图2 A/O-MBR 工艺流程图Fig.2 A/O-MBR process flow chart

膜生物反应器（MBR）是一种高效的过滤膜技术，与沉淀池相比，膜组件的高效截留作用能实现良好的泥水分离，因此膜组件对悬浮物、对难降解有机物以及病原体有较好的截留作用，大大提高了污水去除效率。除此之外，过滤作用将活性污泥完全截留在反应池内，使有关微生物能够最大限度的增长繁殖，因此世代时间较长的硝化及亚硝化细菌也得到很好的增长，大大增加了吸附和降解污染物的能力。反应池内较高的生物浓度，能够适应水质及水量变化所带来的负荷冲击。

理论上A/O+MBR 工艺适用于黑水处理，为了验证A/O+MBR 工艺对黑水中主要污染物的去除效果，以及处理黑水时A/O+MBR 工艺的控制模式，开展了污水处理试验。

1 全尺寸试验

1.1 试验系统

A/O+MBR 工艺贴合了黑水的水质特点，可用作黑水处理工艺，基于图2 的流程图搭建了试验系统，如图3 所示。首先，进水泵将黑水泵入试验设备内，然后依次经过厌氧池、好氧池、膜池的处理，最后处理完成的水进入反洗池。厌氧池、好氧池、膜池的有效体积分别为1.8m³、1.8m³以及1.2m³。好氧池以膜池的溶解氧通过曝气风机控制；厌氧池以及好氧池都设有填料，以增加脱氮效率。

图3 试验系统Fig.3 Test system

1.2 试验对象

试验用的黑水为某工厂卫生间污水，属于典型的黑水，该黑水的主要污染物浓度为：COD（化学需氧量）浓度为1600mg/L，TN（总氮）、NH3-N（氨氮）、TP（总磷）以及悬浮物的浓度分别为249、167、16.7、1600mg/L，粪大肠菌群浓度为3500000MPN/L。

1.3 系统设置

1.3.1 曝气模式

试验中，好氧池以及膜池都有曝气装置，两反应池的曝气量体积比为3:2。曝气系统既要满足曝气池内微生物反应所需的氧气量，又要起到混合搅拌的目的，使反应池内的微生物、氧气以及其他物质完全混合。为了满足溶解氧浓度以及搅动要求，传统工艺一般都采取连续曝气，在连续曝气的模式下，MBR 工艺对黑水中COD、NH3-N 以及TN 的去除率分别为83.8%、88.2%和52.9%[6]。研究发现，与连续曝气相比，间歇曝气对污泥的扰动更小，会使微生物表面变得更加疏水，从而更容易吸附与聚集，形成更大的微生物菌团和群落，因此，间歇曝气具有更高的有机物和氮磷去除率[7]。通过间歇曝气的方式，氨氧化细菌可获得竞争优势以增加绝对丰度，从而实现短程硝化[8]。由于控制模式的调整，曝气设备的运行时间下降，电耗可降低18.3%[9]。此外，间歇曝气能在更宽泛的溶解氧浓度内实现氮的去除，所以对溶解氧的控制要求低于连续曝气。除此之外，通过间歇曝气在同一反应池内交替形成厌氧、好氧环境，为除磷菌的生长创造了条件，增加了磷的去除。

为了提高对黑水中污染物去除效率以及节能降耗，试验时选择了间歇曝气，曝气时间与停止曝气时间比为1:2，由曝气风机控制。

1.3.2 回流模式

硝化液回流的目的是将好氧段硝化细菌氧化氨氮产生的硝酸盐氮送回厌氧段，由反硝化细菌进行硝酸盐氮的反硝化，实现总氮去除。当回流量过小时，脱氮率达不到要求，所以传统工艺通过增大回流量来提高脱氮效率，但当过量硝化液涌入厌氧池后，会破坏其厌氧环境，使反硝化效率大大下降，本末倒置。

间歇回流即在一个回流周期内，回流一段时间，实现缺氧，剩下时间停止回流，实现厌氧状态。在A/O+MBR 工艺中，回流方式对COD 和氨氮的去除没有明显影响，但是间歇回流对TP 的去除远好于连续回流的情况[10]。但是当厌氧时间过长时，不利于NH3-N 和COD 的去除，间歇回流以污水在设备内的间歇循环流动来减少厌氧时间，以保证COD 和氨氮的去除率。

回流量由回流泵的运行控制，试验期间其运行模式为2min/30min（启动2min，停止30min。循环往复），回流比达到了4000%。

动力设备的具体控制与运行模式如表1 所示。

表1 动力设备控制模式Table 1 Operation mode of power equipment

1.4 检测方式

当装置稳定运行后，对系统出水取样检测，基于城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002），选择的检测指标为COD、NH3-N、TN、TP、悬浮物以及粪大肠菌群。最终检测结果由广东谱尼测试技术有限公司提供，检测方法如表2 所示。

表2 参数检测方法Table 2 Parameter detection method

2 试验结果与讨论

系统出水指标如表3 所示。从表3 可以看出，除TP 外，其余检测参数均满足国家一级A 标准。

表3 出水参数对比Table 3 Comparison of effluent parameters

2.1 COD 的去除效果

试验期间进水COD 平均为1600mg/L，处理后出水COD 为35～52mg/L，平均值为49.04mg/L，出水水质较稳定。传统的A/O 工艺对COD 的去除率在较好运行状态下能够维持在88%[11]，而试验系统对COD 的平均去除率达到了96.93%，提高了8%。试验结果表明，间歇曝气以及间歇回流运行的A/O-MBR 工艺对于有机污染物的去除是有利的。

除此之外，黑水中的颗粒性COD 占到了68%以上，而一般的市政污水占59%左右，灰水（厨房及洗涤用水）仅占23.6%。对于颗粒态COD 占比较高的污水，MBR 膜具有良好的过滤作用，能进一步减少出水COD 浓度。图4 为膜组件对COD的拦截作用，相较于拦截前，去除率提高了3.8%。

图4 各反应池COD 浓度Fig.4 COD concentrations in each cell

当膜污染严重时，出水COD 浓度必然会增加，所以在实际运行中，要密切关注膜污染的程度，及时进行清洗或者更换，保证出水COD 的稳定。

2.2 TN 的去除效果

试验期间进水氨氮均值为167mg/L，处理后为1.04～2.13mg/L，平均去除率为99.24%。氨氮的去除主要是依靠好氧池和厌氧池的生物活动来去除，MBR 膜对氨氮的截留作用很小。通过对黑水进行氮元素分析，76%以上的总氮以氨氮的形式存在，保证A/O 段的运行十分重要。

进水TN 平均为249mg/L，出水TN 在9.30～18mg/L，平均去除率达到了94.50%。相较于连续运行时的66.24%[12]，试验系统所采用的间歇曝气以及间歇回流的运行模式，对于TN 的去除率提高了27%。

试验系统的每个回流周期内，回流量仅为150%，而且回流的混合液来自膜池并非好氧池，该段的溶解氧浓度维持在较低水平，不会影响厌氧池的溶解氧浓度，保证了反硝化反应的正常进行。该过程在一天内多次重复，回流总量达到了4000%，保证了系统内污水完全进行了脱氮过程。除此之外，在间歇曝气条件下，停止曝气后，好氧池也能发生短程硝化反应，进一步提升了对TN 的去除。

膜池前后的TN 浓度几乎没有变化，证明MBR膜对TN 的截留作用可以忽略不计。

2.3 TP 的去除效果

进水TP 均值为16.7mg/L，出水时为3～5mg/L，平均去除率为76.00%。系统所采用的间歇回流以及间歇曝气的控制模式能够创造厌氧与缺氧状态的交替，有利于聚磷菌的生长与繁殖，进而影响磷的去除。连续回流不能保证严格的厌氧环境，聚磷菌增长缓慢，在间歇回流的模型下，释磷速率是连续回流的两倍，所以相较于传统模式的60%TP 去除率[13]，试验系统对TP 去除率提高了16%。

尽管通过控制模式优化了生物除磷的效率，出水TP 浓度仍不能达到国家标准。仅依靠生物除磷将TP 浓度控制在1mg/L 以下，进水BOD/TP 的值应在20～30，而试验所用的黑水，该比值仅为14左右，所以有关微生物得不到良好增值，影响释磷效率。此外，试验系统不设排泥系统，含磷污泥无法排出，进一步影响了TP 的去除。因此需要对该工艺进一步深入研究，并结合其它成熟工艺进行改进，或者辅以化学除磷，以提高对污水中TP 的去除效果。

试验过程中发现，膜池中的TP 浓度略高于出水中的TP 浓度，证明MBR 膜对颗粒型有机磷有一定的截留作用。

2.4 悬浮物以及病原体的去除效果

进水中的悬浮物浓度在1600mg/L 以上，而出水中的悬浮物浓度稳定在5mg/L 以下，去除率保持在99%以上，MBR 膜对悬浮物的截留作用非常明显。

进水粪大肠菌群进水为3500000MPN/L，设备出水时其浓度仅为110MPN/L，A/O-MBR 工艺对并其去除率大达到了99.99%以上。MBR 对病毒的去除作用不仅体现在活性污泥对病毒的灭活，膜表面的滤饼层和凝胶层在病毒的截留中起了重要的作用。经MBR 膜截留后，出水中的肠道病毒等病原微生物都低于检测限。

随着膜污染的增加，出水中悬浮物以及病原体浓度必然会升高，因此，定期清洗膜组件是必要的。

3 结论

本文选用A/O-MBR 工艺并搭建系统处理黑水，在间歇回流以及间歇曝气的控制模式下，研究了对主要污染物参数的去除效果，得到以下结论：

（1）A/O-MBR 工艺对黑水中COD、H3-N、TN、TSS、粪大肠菌群等主要污染物的去除率达到了90%以上，出水达到GB 18918-2002 一级A 标准。

（2）A/O-MBR 工艺对TP 的去除率达到了76%，间歇回流的运行模式有利于聚磷菌的生长与繁殖，能提高除磷效率，但是由于黑水水质自身的影响，仅依靠生物除磷无法达到国家标准，需辅以化学除磷。

（3）膜组件对于悬浮物、病原体以及颗粒型污染物的截留作用明显，膜污染的控制至关重要。