随着循环经济和低碳经济理念的发展，集中式供排水理念越来越显现出局限性，基于污水源分离、分类收集和水循环利用的半集中式分质供排水理念越来越受到重视。生活污水根据来源分为黑水和灰水。国外的黑水定义有2种:一种定义为含有粪便物质的生活污水;另一种定义为厕所污水，包括冲厕水和粪便。半集中式处理系统中的黑水多指冲厕水，包括尿液、粪便(含手纸)和用厕冲洗水。灰水则指的是包括厨房、洗衣机、浴室、洗手盆所排出的污染程度相对较低的污水。生活污水中绝大部分的有机物和氮、磷等营养物(包括生活污水70%左右的COD,80% -90%的氮和50% - 57%的磷)来自于黑水办公楼宇中的黑水来自卫生间的大小便和冲洗水，其悬浮态COD比例高，且氮磷大都集中于此，对这类高碳源、高氮磷污水的处理具有一定的难度。SBR具有工艺流程简单、造价低，运行费用省、良好的抗冲击负荷能力以及脱氮除磷效果，适用于小水量、间歇排放的的黑水处理。分段进水多级AO工艺能够充分利用进水中的碳源、碱度，强化生物脱氮效果，适宜处理C/N较低的污水。
本研究将分段进水多级AO与SBR结合，即多级AO分时进水工艺，探讨其处理黑水的强化脱氮效果;与此同时，对比研究单级AO-SBR处理黑水的最大去除效能、外加碳源提高C/N对TN去除的作用，分析影响黑水TN和TP去除效果的主要因素，以期为黑水的达标处理排放提供参考。
材料和方法
1. 1黑水的来源与水质特征
小试所用黑水来自图书馆和教学楼卫生间的排水经过1 mm网筛过滤后所得，属于大小便和冲洗水，其水质状况见表1。
表1 实验所用黑水水质
实验所用黑水的水质波动很大，尤其是不同季节(旱季、雨季)的差异性很大，C/N和C/P均较低，污水的碱度平均仅889. 2 mg /L。
1. 2小试SBR装置和运行方式
实验装置为圆柱体形状，高40 cm，外径20 cm，有效体积9L。进水、搅拌、曝气、沉淀以及排水均通过时间继电器调控，可自动进水和排水。单级AO-SBR实现方式:进水经蠕动泵从进水桶泵人装置，分为进水(10 min )，搅拌，曝气，静沉，排水(10 min );多级AO-SBR分为4个AO段，每个AO段包括进水(5 min )与搅拌、曝气等步骤，四级AO反应结束后静沉和排水(10 min )，每个周期共8 h,SRT为15 d。采用砂头曝气，DO控制在2一3 mg / L。
1. 3测试分析方法
测试指标包括CODsol ,BOD5 ,氨氮(NH4+ -N和NH3-N之和),TNsol ,TPsol、浊度、电导率、碱度、pH、污泥浓度MLSS、污泥体积指数SVI等指标。测试方法参照《水和废水分析检测方法(第4版)》。
1. 4工况运行条件
工况设计和运行参数见表2。
表2 实验工况设计和运行参数
2结果与讨论
以每个工况稳定运行期间的实验数据来分析主要污染物的去除规律。
2. 1 COD的去除效果
如图1所示，6个工况的进水CODsol平均值分别为393 ,593 ,406,530,1 058和711 mg / L，出水CODsol平均值分别为158,238,98,95,123和168 mg / L ，平均去除率分别为57.3% ,57.2% ,75.2%、79.9% ,88. 1%和75.6% 。HRT均为28 h的条件下，冬季低温时出水的CODsol平均达到158 mg / L，平均去除率仅有57.3 %;夏季出水CODsol可降低到95 mg / L ，平均去除率为79.9%。从各工况的出水CODsol浓度看，均难以达到一级排放标准。田海涛等指出，SBR处理经水解酸化预处理后的粪便废水，出水仍残留部分难降解COD，不能满足排放要求。孙倩发现，粪便污水经厌氧、好氧工艺处理后，出水中残留的难降解有机物的COD为250一 400 mg / L，而BOD5仅30 mg / L左右。HOCAOCLU等对黑水中的有机物分子质量分布、成分、生物降解性等分析结果表明，有68. 4%的COD是颗粒态，可生物降解COD占95. 1 %，其中易生物降解的COD仅占14. 7%，而溶解性惰性COD占3. 7%，颗粒状惰性COD占1. 1% 。从表1可以看到，黑水的COD.达到1 627 mg / L，推算惰性溶解态COD为60.2 mg / L，再加上难降解COD的比例，单纯采用SBR处理，出水很难达到一级标准(不超过60 mg / L)。至于黑水与灰水和厨房废水混合所组成的生活污水经过生化处理后COD可降低到40 mg / L左右或更低，主要是因为黑水仅占生活污水的30%左右，其难降解有机物被稀释;此外，灰水和厨房废水的易降解有机物多，微生物可利用这部分有机物通过共代谢等方式去除一部分黑水的难降解成分。
2. 2氨氮的去除效果
黑水的氨氮去除效果见图2。
各工况的进水NH3-N浓度平均值分别为142. 1 ,191. 4,241. 9,257. 2,219. 0,236. 7 mg / L，出水NH3-N浓度平均值分别为53.6,14.0,58.7,47.7,8.3,5.6 mg / L,NH3-N去除率平均值分别为62.3 %、92.6% ,75.7% ,81.5% ,96.3% ,97.7%。可见，春冬季低温条件下，出水NH3-N若要达到一级排放标准，H RT需达到42 h。夏季高温期(工况3 ,4)进水NH3-N的浓度超过200 mg / L，出水均未达到二级排放标准，且出水pH分别低至5. 81 ,5. 90，说明过低的pH已严重影响生物硝化效率。分析其原因在于:1)黑水自身碱度不足，无法实现氨氮完全硝化;2)黑水的C/N,B/C较低，可用于反硝化的易降解COD偏低，导致反硝化效果不佳，因此提供的反硝化碱度不足。工况5外加碳源后，出水的氨氮浓度达到一级A排放标准;工况6采用多级AO分时进水的运行模式，最大程度地利用了进水的碳源和碱度，出水氨氮同样达到一级A排放标准。
2. 3 TN的去除效果
如图3所示，不同工况条件下，进水的TNsol平均值分别为154. 4 , 197. 3 , 251. 8 , 269.1 , 225.7 ,250. 0 mg / L，出水的TNsol平均值分别为86.4 ,67. 8 、138. 5 、 130. 3 ,50. 3 ,30. 8 mg / L，平均去除率分别为 42.9% ,65.4% ,44.6% ,51.5% ,78.1% ,87.8%。冬春季低温时出水TNsol平均值高达86. 4 mg / L ，去除率平均值为65.4%;夏秋季中高温时TN去除率不佳(工况3和工况4)，仅有44. 6%一51.5% ,主要受进水C/N偏低影响所致。工况5在进水中加人250 mg / L碳源(以COD计),C/N提高到4. 83 ,TNsol的去除率提高到80%以上，高于充水比为0. 29的单级AO-SBR的理论脱氮率(71.4% )。但是，工况5的出水TN仍未达到一级排放标准。对于单级AO-SBR而言，为进一步提高TN的去除效率，强化好氧段的同步硝化反硝化效率或维持HRT不变、增大每日周期数、减小充水比或进一步提高外加碳源量是必要的。
工况6是在工况5基础上的改进。SBR在未加外碳源的条件下，采用四级AO分时进水的运行模式，TN.的去除率范围为79. 9%一91.9%，平均达到87.8% ,TNsol去除效率超过了工况5。一般地，充水比为m的n级AO分时进水SBR法的理论脱氮率=(1一m / n) x100%，工况6(充水比为0. 29、四级AO分时进水)的SBR理论脱氮率为92. 8 %，实际脱氮率略低于理论脱氮率，一方面说明四级AO、分时进水处理低碳氮比的黑水是完全可行的，另一方面还说明，TN去除率仍有一定提升空间。
2. 4不同工况的磷酸盐去除结果
如图4所示，不同工况条件下，进水的磷酸盐平均值分别为17. 1,31.4,18.5,18. 1,22.3,29.3 mg / L，出水的磷酸盐平均值分别为17.3,32.7,19. 1,19.7,16.9,28.8 mg / L。可以看到，未外加碳源时没有磷酸盐去除效果，出水磷酸盐稍有所上升，外加碳源后磷酸盐去除率范围25. 1%一35.9%。各工况的C/P平均值分别为24.9,18.2,22.5,30.9,44.4,24.4,磷酸盐已大大超出微生物营养所需求，且实际黑水中所含碳源种类复杂，B/C仅有0. 26，大多数碳源不能为聚磷菌所用，以更适合模拟黑水水质的糖蜜作为碳源配制人工模拟黑水的除磷效果较蔗糖作为碳源明显恶化，聚磷菌占活性污泥比例低。此次实验的黑水中悬浮态TP占比65.7%，而定性滤纸滤后液的TPsol中10%为有机磷，系统微生物生长去除小部分TP，而释磷吸磷作用弱，通过聚磷菌去除的TP少，出水中TP基本上为磷酸盐，黑水中悬浮态、胶体态和溶解态的有机磷转化为磷酸盐后未被全部去除，由此导致出水磷酸盐较进水稍有所上升。
2. 5问题与讨论
2. 5. 1黑水的氨氮完全生物稍化所需的碱度
实验过程中，夏秋季中高温时SBR的出水pH降至5. 0左右，出水氨氮浓度受到影响。硝化细菌生长和代谢的最佳pH范围是7. 0一8. 1,pH低于6. 5会使硝化速率急剧下降;pH低于5. 5时，生物硝化反应几乎停止。污水生物处理过程中，为了使出水能维持pH在7以上，一般要求有100 mg / L 的剩余碱度。根据本实验生物处理过程的碱度的供量及耗量估算，黑水氨氮平均浓度为227. 4 mg / L , TN浓度为245. 1 mg / L , BOD5平均浓度为444 mg / L，碱度平均为889. 2 mg / L。假设原水中的BOD5全部用于反硝化，能够去除155. 2 mg / L的TN(TN去除率63.3% )，即能提供538. 7 mg / L的碱度，不能满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脱氮效率的情况下，生物硝化因碱度不足很难彻底完成。为使黑水完全生物硝化，且满足生化出水剩余碱度不低于100 mg / L，则需外加碱度251. 3 mg / L或外加碳源207. 1 mg / L (以 BOD5计)提高反硝化脱氮以提供碱度。若通过同步硝化反硝化提高TN去除率至80.8 % , TN去除量达到198. 0 mg / L，则也可以实现完全硝化。若黑水仅采用好氧处理，没有缺氧反硝化提供碱度，则为使硝化完全，需外加碱度790. 0 mg / L，即3. 5倍氨氮量的碱度。
针对黑水的C/N低和碱度不足等问题，到底是投加碱度还是投加碳源强化反硝化作用，从而增加反硝化提供的碱度，主要看对出水的要求来确定:若只对出水氨氮有要求，则仅仅补充碱度即可;倘若对出水TN也有要求，则需要综合计算外加碳源和碱度的比例，以满足TN达标排放。
2.5.2黑水生物反稍化脱氮的碳源不足问题
反硝化脱氮需要碳源，C/N是一个影响脱氮率很重要的参数。理论上，完全反硝化脱氮所需要的C/N比(BOD5 / N03 -N)为2. 86，实际上生物脱氮系统所需的C/N要大于2. 86，如果以COD/N03 -N来计算，则远大于2. 86。从本实验结果来看，黑水采用单级AO-SBR处理，夏季HRT为28 h时，C/N分别为1. 64,1.98 ,TN去除率仅有44. 6%和51.5%;同样工况条件下，外加碳源至C/N为4. 83 , TN去除率提高到81.3%。单级AO-SBR在冬季低温条件下H RT提高到42 h,C/N为2. 98时，TN去除率为65.4%。
归纳前5个工况的运行结果及本团队研究的其他工况的实验结果，可以得到以下统计结果，采用单级AO-SBR处理黑水，无论低温还是中温，水力停留时间合适时，即低温HRT达到42 h，中温HRT达到21 h，当进水的C/N为1. 5一2. 0时，TN去除率为40%一50%;进水的C/N为2. 0一3.O,TN去除率在60%一70 %;当进水的C/N提高到4. 0一5. 0时，TN去除率可达到80%以上。
从表3看出，单级AO-SBR低、中温条件下水力停留时间合适时，其进水的C/N劝与生物脱氮率(r)存在明显的线性相关性，其回归公式可表示为r=10. 928x+30. 766，R2=0. 933。
表3 C / N对TN去除效果的影响
工况6采用多级AO分时进水的运行模式，H RT为28 h时，进水的C/N平均为2. 84 , TN去除率达到了87.8%。同样工况条件和相同C/N比例条件下，根据上述回归公式推算单级AO-SBR的TN去除率预测结果为61. 8%可以看出，SBR处理黑水时采用多级AO分时进水的运行模式相对于单级AO的TN去除率提升了26. 0 %。分析认为，多级SBR分时进水能够充分利用进水的碳源，减少好氧段的COD消耗;而且通过缺氧与好氧时段交替运行，能够提高同步硝化反硝化的效率。从本工况的结果看，相当于节省反硝化的碳源量达173.0 mg / L。
尽管采用多级AO-SBR和分时进水运行模式，出水的TN仍无法满足一级排放标准。黑水TN均值为245.1 mg / L，若要达到一级A排放标准，TN的去除率需达到93. 9%，当采用单级AO-SBR模式时，C/N仍需继续增大5. 0以上。每增大1个单位C/N就意味着需加人245.1 mg / L的碳源(以COD计)，无疑成本很高。从本研究结果来看，采用多级AO分时进水一SBR只需外加碳源42.8 mg / L (以COD计)即可达到良好的TN的去除效果。
此外，短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷强化脱氮除磷工艺，或加人废弃物COD，比如污泥水解酸化液、易生物降解的固体有机物也是实现TN达标的有效途径。
2.5.3黑水的磷浓度过高与化学除磷
从工况实验结果发现，未外加碳源时磷酸盐几乎没有去除，即使外加碳源后，磷酸盐去除率也不高，出水磷酸盐浓度仍很高。为使出水磷酸盐达标，实验了化学辅助除磷的效果。
1)添加混凝剂PFS/PAC。以SBR的出水分别投加一定浓度的聚合铁或聚合铝，混凝沉淀除磷，结果见表4。实验结果表明，每去除单位质量磷需要的有效铁、有效铝含量分别为2. 20一2. 51 g·g-1和3. 10-3. 16 g / g。若要使出水磷酸盐达到一级A排放标准，则需投加的聚铝、聚铁分别达103.9 mg / L(以铝计),83. 3 mg / L(以铁计)。SBR出水的pH仅有6. 61 ,剩余碱度极低，加人83 mg / L的PFS(以铁计)后，pH下降3. 45个pH单位;加人92 mg / L的PAC(以铝计)后，pH下降2. 50个pH单位。出水明显呈酸性，排放前尚需加碱进行pH调节。
表4 PFS / PAC混凝除磷效果
表5 出水调节pH的除磷效果
2)直接加碱调节pH沉淀磷。人体每天排放0. 12 g Mg,0. 67 g Ca到黑水(人体大小便和冲洗水，体积为25一35 L)中，则黑水中的Mg,Ca离子浓度分别有4 mg / L,22. 3 mg / L，如果黑水呈碱性，则Mg, Ca离子可与磷酸根离子形成沉淀，达到去除磷酸盐的目的。据此调节SBR出水的pH观察磷酸盐和其他污染物的去除效果，如表5所示。可见，出水的pH调至8.32以前，PO4^3- -P浓度几乎没有降低;当pH调至9.32时，PO4^3- -P快速下降;进一步调节pH调至10. 6 , PO4^3- -P浓度可低至0. 6 mg / L;如果pH调至11. 3，残余的PO4^3- -P仅有0. 1 mg / L ，去除率达到99.3 %，与此同时，COD、浊度也分别降至177 mg / L ,5 NTU，去除率分别28.0% ,83.0%。但实验所用出水的磷酸盐浓度相对较低，若出水磷酸盐高达20一30 mg / L，单纯加NaOH调节pH很难使出水磷酸盐达到排放标准。磷酸盐浓度为40 mg / L左右时，投加300 mg / L的Ca(OH)2,磷酸盐浓度可以降至0. 4 mg / L，相对于硫酸铝(投加量1 100 mg / L),PAC(投加量1 200mg / L)，药剂投加量大大减少，相应的污泥产生量也大大减少。
在生产实际中，可通过投加石灰水，增加水中的Ca2+浓度来实现除磷目的，且钙盐形成的化学沉淀有助于后续污泥脱水。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3结论
1)采用单级AO-SBR处理黑水，在夏秋季水温条件下，未外加碳源，C/N为1. 98时，COD,氨氮、TN,磷酸盐平均去除率分别为79.9% ,81.5% ,51.5% ,0. 0%;外加碳源至C/N提高到4. 83 , COD,氨氮、TN,磷酸盐的平均去除率分别提高到89.1% ,97.9% ,81.3% ,30.3%，出水的COD,氨氮、TN,磷酸盐仍还有116,4.4,42.4,16.4 mg / L。
2)单级AO-SBR处理黑水的碱度和碳源不足是影响生物脱氮除磷的关键因子，采用单级AO-SBR处理黑水，进水的C/N劝与生物脱氮率(:)存明显的线性相关性，其回归公式可表示为r=10. 928x +30. 766，R2=0. 933。
3)采用四级AO-SBR、分时进水的模式处理黑水，TN去除效率平均达到87.8%，远优于单级AO-SBR法，仅需补充42. 8 mg / L碳源(以COD计)就可实现出水TN达到一级A排放标准。
4)SBR处理后出水采用化学除磷，每去除1 g磷需要的有效铁、有效铝分别为2. 20一2. 51 g Fe,3. 10 -3. 16 g Al。调节出水的pH至碱性，也能够达到良好的除磷效果。
