隨著循環經濟和低碳經濟理念的發展，集中式供排水理念越來越顯現出局限性，基于污水源分離、分類收集和水循環利用的半集中式分質供排水理念越來越受到重視。生活污水根據來源分為黑水和灰水。國外的黑水定義有2種:一種定義為含有糞便物質的生活污水;另一種定義為廁所污水，包括沖廁水和糞便。半集中式處理系統中的黑水多指沖廁水，包括尿液、糞便(含手紙)和用廁沖洗水。灰水則指的是包括廚房、洗衣機、浴室、洗手盆所排出的污染程度相對較低的污水。生活污水中絕大部分的有機物和氮、磷等營養物(包括生活污水70%左右的COD,80% -90%的氮和50% - 57%的磷)來自于黑水辦公樓宇中的黑水來自衛生間的大小便和沖洗水，其懸浮態COD比例高，且氮磷大都集中于此，對這類高碳源、高氮磷污水的處理具有一定的難度。SBR具有工藝流程簡單、造價低，運行費用省、良好的抗沖擊負荷能力以及脫氮除磷效果，適用于小水量、間歇排放的的黑水處理。分段進水多級AO工藝能夠充分利用進水中的碳源、堿度，強化生物脫氮效果，適宜處理C/N較低的污水。
本研究將分段進水多級AO與SBR結合，即多級AO分時進水工藝，探討其處理黑水的強化脫氮效果;與此同時，對比研究單級AO-SBR處理黑水的最大去除效能、外加碳源提高C/N對TN去除的作用，分析影響黑水TN和TP去除效果的主要因素，以期為黑水的達標處理排放提供參考。
材料和方法
1. 1黑水的來源與水質特征
小試所用黑水來自圖書館和教學樓衛生間的排水經過1 mm網篩過濾后所得，屬于大小便和沖洗水，其水質狀況見表1。
表1 實驗所用黑水水質
實驗所用黑水的水質波動很大，尤其是不同季節(旱季、雨季)的差異性很大，C/N和C/P均較低，污水的堿度平均僅889. 2 mg /L。
1. 2小試SBR裝置和運行方式
實驗裝置為圓柱體形狀，高40 cm，外徑20 cm，有效體積9L。進水、攪拌、曝氣、沉淀以及排水均通過時間繼電器調控，可自動進水和排水。單級AO-SBR實現方式:進水經蠕動泵從進水桶泵人裝置，分為進水(10 min )，攪拌，曝氣，靜沉，排水(10 min );多級AO-SBR分為4個AO段，每個AO段包括進水(5 min )與攪拌、曝氣等步驟，四級AO反應結束后靜沉和排水(10 min )，每個周期共8 h,SRT為15 d。采用砂頭曝氣，DO控制在2一3 mg / L。
1. 3測試分析方法
測試指標包括CODsol ,BOD5 ,氨氮(NH4+ -N和NH3-N之和),TNsol ,TPsol、濁度、電導率、堿度、pH、污泥濃度MLSS、污泥體積指數SVI等指標。測試方法參照《水和廢水分析檢測方法(第4版)》。
1. 4工況運行條件
工況設計和運行參數見表2。
表2 實驗工況設計和運行參數
2結果與討論
以每個工況穩定運行期間的實驗數據來分析主要污染物的去除規律。
2. 1 COD的去除效果
如圖1所示，6個工況的進水CODsol平均值分別為393 ,593 ,406,530,1 058和711 mg / L，出水CODsol平均值分別為158,238,98,95,123和168 mg / L ，平均去除率分別為57.3% ,57.2% ,75.2%、79.9% ,88. 1%和75.6% 。HRT均為28 h的條件下，冬季低溫時出水的CODsol平均達到158 mg / L，平均去除率僅有57.3 %;夏季出水CODsol可降低到95 mg / L ，平均去除率為79.9%。從各工況的出水CODsol濃度看，均難以達到一級排放標準。田海濤等指出，SBR處理經水解酸化預處理后的糞便廢水，出水仍殘留部分難降解COD，不能滿足排放要求。孫倩發現，糞便污水經厭氧、好氧工藝處理后，出水中殘留的難降解有機物的COD為250一 400 mg / L，而BOD5僅30 mg / L左右。HOCAOCLU等對黑水中的有機物分子質量分布、成分、生物降解性等分析結果表明，有68. 4%的COD是顆粒態，可生物降解COD占95. 1 %，其中易生物降解的COD僅占14. 7%，而溶解性惰性COD占3. 7%，顆粒狀惰性COD占1. 1% 。從表1可以看到，黑水的COD.達到1 627 mg / L，推算惰性溶解態COD為60.2 mg / L，再加上難降解COD的比例，單純采用SBR處理，出水很難達到一級標準(不超過60 mg / L)。至于黑水與灰水和廚房廢水混合所組成的生活污水經過生化處理后COD可降低到40 mg / L左右或更低，主要是因為黑水僅占生活污水的30%左右，其難降解有機物被稀釋;此外，灰水和廚房廢水的易降解有機物多，微生物可利用這部分有機物通過共代謝等方式去除一部分黑水的難降解成分。
2. 2氨氮的去除效果
黑水的氨氮去除效果見圖2。
各工況的進水NH3-N濃度平均值分別為142. 1 ,191. 4,241. 9,257. 2,219. 0,236. 7 mg / L，出水NH3-N濃度平均值分別為53.6,14.0,58.7,47.7,8.3,5.6 mg / L,NH3-N去除率平均值分別為62.3 %、92.6% ,75.7% ,81.5% ,96.3% ,97.7%。可見，春冬季低溫條件下，出水NH3-N若要達到一級排放標準，H RT需達到42 h。夏季高溫期(工況3 ,4)進水NH3-N的濃度超過200 mg / L，出水均未達到二級排放標準，且出水pH分別低至5. 81 ,5. 90，說明過低的pH已嚴重影響生物硝化效率。分析其原因在于:1)黑水自身堿度不足，無法實現氨氮完全硝化;2)黑水的C/N,B/C較低，可用于反硝化的易降解COD偏低，導致反硝化效果不佳，因此提供的反硝化堿度不足。工況5外加碳源后，出水的氨氮濃度達到一級A排放標準;工況6采用多級AO分時進水的運行模式，最大程度地利用了進水的碳源和堿度，出水氨氮同樣達到一級A排放標準。
2. 3 TN的去除效果
如圖3所示，不同工況條件下，進水的TNsol平均值分別為154. 4 , 197. 3 , 251. 8 , 269.1 , 225.7 ,250. 0 mg / L，出水的TNsol平均值分別為86.4 ,67. 8 、138. 5 、 130. 3 ,50. 3 ,30. 8 mg / L，平均去除率分別為 42.9% ,65.4% ,44.6% ,51.5% ,78.1% ,87.8%。冬春季低溫時出水TNsol平均值高達86. 4 mg / L ，去除率平均值為65.4%;夏秋季中高溫時TN去除率不佳(工況3和工況4)，僅有44. 6%一51.5% ,主要受進水C/N偏低影響所致。工況5在進水中加人250 mg / L碳源(以COD計),C/N提高到4. 83 ,TNsol的去除率提高到80%以上，高于充水比為0. 29的單級AO-SBR的理論脫氮率(71.4% )。但是，工況5的出水TN仍未達到一級排放標準。對于單級AO-SBR而言，為進一步提高TN的去除效率，強化好氧段的同步硝化反硝化效率或維持HRT不變、增大每日周期數、減小充水比或進一步提高外加碳源量是必要的。
工況6是在工況5基礎上的改進。SBR在未加外碳源的條件下，采用四級AO分時進水的運行模式，TN.的去除率范圍為79. 9%一91.9%，平均達到87.8% ,TNsol去除效率超過了工況5。一般地，充水比為m的n級AO分時進水SBR法的理論脫氮率=(1一m / n) x100%，工況6(充水比為0. 29、四級AO分時進水)的SBR理論脫氮率為92. 8 %，實際脫氮率略低于理論脫氮率，一方面說明四級AO、分時進水處理低碳氮比的黑水是完全可行的，另一方面還說明，TN去除率仍有一定提升空間。
2. 4不同工況的磷酸鹽去除結果
如圖4所示，不同工況條件下，進水的磷酸鹽平均值分別為17. 1,31.4,18.5,18. 1,22.3,29.3 mg / L，出水的磷酸鹽平均值分別為17.3,32.7,19. 1,19.7,16.9,28.8 mg / L。可以看到，未外加碳源時沒有磷酸鹽去除效果，出水磷酸鹽稍有所上升，外加碳源后磷酸鹽去除率范圍25. 1%一35.9%。各工況的C/P平均值分別為24.9,18.2,22.5,30.9,44.4,24.4,磷酸鹽已大大超出微生物營養所需求，且實際黑水中所含碳源種類復雜，B/C僅有0. 26，大多數碳源不能為聚磷菌所用，以更適合模擬黑水水質的糖蜜作為碳源配制人工模擬黑水的除磷效果較蔗糖作為碳源明顯惡化，聚磷菌占活性污泥比例低。此次實驗的黑水中懸浮態TP占比65.7%，而定性濾紙濾后液的TPsol中10%為有機磷，系統微生物生長去除小部分TP，而釋磷吸磷作用弱，通過聚磷菌去除的TP少，出水中TP基本上為磷酸鹽，黑水中懸浮態、膠體態和溶解態的有機磷轉化為磷酸鹽后未被全部去除，由此導致出水磷酸鹽較進水稍有所上升。
2. 5問題與討論
2. 5. 1黑水的氨氮完全生物稍化所需的堿度
實驗過程中，夏秋季中高溫時SBR的出水pH降至5. 0左右，出水氨氮濃度受到影響。硝化細菌生長和代謝的最佳pH范圍是7. 0一8. 1,pH低于6. 5會使硝化速率急劇下降;pH低于5. 5時，生物硝化反應幾乎停止。污水生物處理過程中，為了使出水能維持pH在7以上，一般要求有100 mg / L 的剩余堿度。根據本實驗生物處理過程的堿度的供量及耗量估算，黑水氨氮平均濃度為227. 4 mg / L , TN濃度為245. 1 mg / L , BOD5平均濃度為444 mg / L，堿度平均為889. 2 mg / L。假設原水中的BOD5全部用于反硝化，能夠去除155. 2 mg / L的TN(TN去除率63.3% )，即能提供538. 7 mg / L的堿度，不能滿足完全生物硝化的要求，所以黑水氨氮硝化在未外加碳源提高脫氮效率的情況下，生物硝化因堿度不足很難徹底完成。為使黑水完全生物硝化，且滿足生化出水剩余堿度不低于100 mg / L，則需外加堿度251. 3 mg / L或外加碳源207. 1 mg / L (以 BOD5計)提高反硝化脫氮以提供堿度。若通過同步硝化反硝化提高TN去除率至80.8 % , TN去除量達到198. 0 mg / L，則也可以實現完全硝化。若黑水僅采用好氧處理，沒有缺氧反硝化提供堿度，則為使硝化完全，需外加堿度790. 0 mg / L，即3. 5倍氨氮量的堿度。
針對黑水的C/N低和堿度不足等問題，到底是投加堿度還是投加碳源強化反硝化作用，從而增加反硝化提供的堿度，主要看對出水的要求來確定:若只對出水氨氮有要求，則僅僅補充堿度即可;倘若對出水TN也有要求，則需要綜合計算外加碳源和堿度的比例，以滿足TN達標排放。
2.5.2黑水生物反稍化脫氮的碳源不足問題
反硝化脫氮需要碳源，C/N是一個影響脫氮率很重要的參數。理論上，完全反硝化脫氮所需要的C/N比(BOD5 / N03 -N)為2. 86，實際上生物脫氮系統所需的C/N要大于2. 86，如果以COD/N03 -N來計算，則遠大于2. 86。從本實驗結果來看，黑水采用單級AO-SBR處理，夏季HRT為28 h時，C/N分別為1. 64,1.98 ,TN去除率僅有44. 6%和51.5%;同樣工況條件下，外加碳源至C/N為4. 83 , TN去除率提高到81.3%。單級AO-SBR在冬季低溫條件下H RT提高到42 h,C/N為2. 98時，TN去除率為65.4%。
歸納前5個工況的運行結果及本團隊研究的其他工況的實驗結果，可以得到以下統計結果，采用單級AO-SBR處理黑水，無論低溫還是中溫，水力停留時間合適時，即低溫HRT達到42 h，中溫HRT達到21 h，當進水的C/N為1. 5一2. 0時，TN去除率為40%一50%;進水的C/N為2. 0一3.O,TN去除率在60%一70 %;當進水的C/N提高到4. 0一5. 0時，TN去除率可達到80%以上。
從表3看出，單級AO-SBR低、中溫條件下水力停留時間合適時，其進水的C/N勸與生物脫氮率(r)存在明顯的線性相關性，其回歸公式可表示為r=10. 928x+30. 766，R2=0. 933。
表3 C / N對TN去除效果的影響
工況6采用多級AO分時進水的運行模式，H RT為28 h時，進水的C/N平均為2. 84 , TN去除率達到了87.8%。同樣工況條件和相同C/N比例條件下，根據上述回歸公式推算單級AO-SBR的TN去除率預測結果為61. 8%可以看出，SBR處理黑水時采用多級AO分時進水的運行模式相對于單級AO的TN去除率提升了26. 0 %。分析認為，多級SBR分時進水能夠充分利用進水的碳源，減少好氧段的COD消耗;而且通過缺氧與好氧時段交替運行，能夠提高同步硝化反硝化的效率。從本工況的結果看，相當于節省反硝化的碳源量達173.0 mg / L。
盡管采用多級AO-SBR和分時進水運行模式，出水的TN仍無法滿足一級排放標準。黑水TN均值為245.1 mg / L，若要達到一級A排放標準，TN的去除率需達到93. 9%，當采用單級AO-SBR模式時，C/N仍需繼續增大5. 0以上。每增大1個單位C/N就意味著需加人245.1 mg / L的碳源(以COD計)，無疑成本很高。從本研究結果來看，采用多級AO分時進水一SBR只需外加碳源42.8 mg / L (以COD計)即可達到良好的TN的去除效果。
此外，短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷強化脫氮除磷工藝，或加人廢棄物COD，比如污泥水解酸化液、易生物降解的固體有機物也是實現TN達標的有效途徑。
2.5.3黑水的磷濃度過高與化學除磷
從工況實驗結果發現，未外加碳源時磷酸鹽幾乎沒有去除，即使外加碳源后，磷酸鹽去除率也不高，出水磷酸鹽濃度仍很高。為使出水磷酸鹽達標，實驗了化學輔助除磷的效果。
1)添加混凝劑PFS/PAC。以SBR的出水分別投加一定濃度的聚合鐵或聚合鋁，混凝沉淀除磷，結果見表4。實驗結果表明，每去除單位質量磷需要的有效鐵、有效鋁含量分別為2. 20一2. 51 g·g-1和3. 10-3. 16 g / g。若要使出水磷酸鹽達到一級A排放標準，則需投加的聚鋁、聚鐵分別達103.9 mg / L(以鋁計),83. 3 mg / L(以鐵計)。SBR出水的pH僅有6. 61 ,剩余堿度極低，加人83 mg / L的PFS(以鐵計)后，pH下降3. 45個pH單位;加人92 mg / L的PAC(以鋁計)后，pH下降2. 50個pH單位。出水明顯呈酸性，排放前尚需加堿進行pH調節。
表4 PFS / PAC混凝除磷效果
表5 出水調節pH的除磷效果
2)直接加堿調節pH沉淀磷。人體每天排放0. 12 g Mg,0. 67 g Ca到黑水(人體大小便和沖洗水，體積為25一35 L)中，則黑水中的Mg,Ca離子濃度分別有4 mg / L,22. 3 mg / L，如果黑水呈堿性，則Mg, Ca離子可與磷酸根離子形成沉淀，達到去除磷酸鹽的目的。據此調節SBR出水的pH觀察磷酸鹽和其他污染物的去除效果，如表5所示。可見，出水的pH調至8.32以前，PO4^3- -P濃度幾乎沒有降低;當pH調至9.32時，PO4^3- -P快速下降;進一步調節pH調至10. 6 , PO4^3- -P濃度可低至0. 6 mg / L;如果pH調至11. 3，殘余的PO4^3- -P僅有0. 1 mg / L ，去除率達到99.3 %，與此同時，COD、濁度也分別降至177 mg / L ,5 NTU，去除率分別28.0% ,83.0%。但實驗所用出水的磷酸鹽濃度相對較低，若出水磷酸鹽高達20一30 mg / L，單純加NaOH調節pH很難使出水磷酸鹽達到排放標準。磷酸鹽濃度為40 mg / L左右時，投加300 mg / L的Ca(OH)2,磷酸鹽濃度可以降至0. 4 mg / L，相對于硫酸鋁(投加量1 100 mg / L),PAC(投加量1 200mg / L)，藥劑投加量大大減少，相應的污泥產生量也大大減少。
在生產實際中，可通過投加石灰水，增加水中的Ca2+濃度來實現除磷目的，且鈣鹽形成的化學沉淀有助于后續污泥脫水。具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
3結論
1)采用單級AO-SBR處理黑水，在夏秋季水溫條件下，未外加碳源，C/N為1. 98時，COD,氨氮、TN,磷酸鹽平均去除率分別為79.9% ,81.5% ,51.5% ,0. 0%;外加碳源至C/N提高到4. 83 , COD,氨氮、TN,磷酸鹽的平均去除率分別提高到89.1% ,97.9% ,81.3% ,30.3%，出水的COD,氨氮、TN,磷酸鹽仍還有116,4.4,42.4,16.4 mg / L。
2)單級AO-SBR處理黑水的堿度和碳源不足是影響生物脫氮除磷的關鍵因子，采用單級AO-SBR處理黑水，進水的C/N勸與生物脫氮率(:)存明顯的線性相關性，其回歸公式可表示為r=10. 928x +30. 766，R2=0. 933。
3)采用四級AO-SBR、分時進水的模式處理黑水，TN去除效率平均達到87.8%，遠優于單級AO-SBR法，僅需補充42. 8 mg / L碳源(以COD計)就可實現出水TN達到一級A排放標準。
4)SBR處理后出水采用化學除磷，每去除1 g磷需要的有效鐵、有效鋁分別為2. 20一2. 51 g Fe,3. 10 -3. 16 g Al。調節出水的pH至堿性，也能夠達到良好的除磷效果。
