模拟沼气池厌氧预处理南方丘陵农村厕所黑水的效能

赵华，王海燕，苑泉，周岳溪*

1.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012

2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

模拟沼气池厌氧预处理南方丘陵农村厕所黑水的效能

赵华1,2，王海燕1,2，苑泉1,2，周岳溪1,2*

1.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012

2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

研究了单级和二级模拟沼气池厌氧预处理南方丘陵农村厕所黑水的效能。结果表明，当进水TCOD和SCOD平均浓度分别为862和718 mgL，HRT分别为12、24、36和72 h时，稳定期各单级模拟沼气池对TCOD的平均去除率分别为12.5%、57.5%、60.8%和67.1%；对SCOD的平均去除率分别为-15.7%、53.6%、55.3%和64.7%。当HRT为72 h时，二级模拟沼气池与单级模拟沼气池相比，其对TCOD和SCOD的平均去除率分别提高了6.4%和8.9%，表明HRT为72 h时，有较好的去除效能。二者对厕所黑水均有较好的去除效能，但二级模拟沼气池稍优于单级模拟沼气池。考虑经济性，HRT为72 h的单级模拟沼气池可优选作为农村厕所黑水厌氧预处理的核心生物单元，与后续人工湿地等生态处理装置组合。

模拟沼气池；厌氧预处理；南方丘陵；农村；厕所黑水

据测算，我国农村每年产生生活污水90多亿t，人粪尿约2.6亿t[1]。大量未经有效处理的生活污水直接排入水体中，已成为我国非点源污染的重要组成部分，给饮用水安全等造成了潜在的威胁[2]。农村生活污水分为灰水和黑水。灰水主要由厨房和卫生间的洗涤、洗浴水组成，黑水指尿液、粪便(含手纸)和用厕冲洗水[3]。灰水产生量大，所含的污染物浓度低，处理后可作为回用水[4]。黑水的特点是有机物浓度高，悬浮固体多，含有大量的病原微生物，处理难度大，费用高[5]。生活污水中约51%的COD、91%的氮、78%的磷和大部分病原微生物来自于黑水[6-7]，厕所黑水是农村生活污水的最主要来源之一。

目前，国内外对黑水的处理技术主要包括预处理技术[8-10]、厌氧处理技术[11-13]、好氧处理技术[14-16]和厌氧-好氧结合处理技术[17-19]。国外报道的厕所黑水多来自于真空厕所，产生的高浓度厕所黑水在HRT为8.7 d时能够被UASB(升流式厌氧污泥床)有效预处理[20]，另外在HRT为29 d时也能被UASB型化粪池有效预处理[21]，在HRT为20 d时被CSTR(连续流搅拌反应器)有效预处理[22]，但这些厌氧反应器的出水还需进一步后续处理。在欧洲和美国，厌氧处理被认为是未来可持续发展最有希望的处理方法之一[23]。厌氧消化技术能够制取沼气，具有开发新能源、节省能源及净化污水等作用，还具有处理成本低及适合处理高浓度有机废水等优点，具有突出的经济效益和环境生态效益[5]。

沼气池与UASB等厌氧技术相比，在农村地区有着不可比拟的经济优越性[24]，截至2008年，我国农村沼气池总量已超过3 000万[25]，我国农村户用沼气技术的推广与应用，在技术和数量方面，均处于国际领先地位[26]。农村户用沼气池的建设是改善农村能源短缺，资源浪费及生态环境恶化的重要举措[27]。我国南方丘陵地区气候温暖，人口众多，由于该地区农村居民居住分散，生活污水的产生和排放非常分散和无序，而且地形复杂，起伏较大，很难效仿北方及东部农村对污水进行集中收集和处理，而适宜采取“分散收集、分散处理、就近排放”的方式，就地分散处理是当前我国南方丘陵农村分散污水处理的最佳模式之一[28-29]。在经济较为发达的南方丘陵农村，居民大多使用水冲厕所，从而产生大量的冲厕黑水[30]，同时多数农户都建有沼气池，为降低处理成本和实现污水资源化，将我国南方丘陵农村生活污水按灰水和黑水分开处理是较好的途径之一[4,31]，将黑水分开后利用农户现有沼气池进行预处理，后续再用生态法等处理，从而能够构建经济适用的农村生活污水处理集成技术。

由于我国南方丘陵农村沼气池分布广泛，笔者采用单级和二级模拟沼气池对农村厕所黑水进行厌氧预处理并研究其预处理效能，以期为农户沼气池用于农村厕所黑水预处理提供基础数据，同时为后续进入生态处理装置等提供经济实用的初级预处理技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验装置与运行条件

模拟沼气池为有机玻璃制成的圆柱体反应器，内径为284 mm，高为700 mm，反应器总体积为46.8 L，有效体积36 L。采用4个模拟沼气池进行不同运行参数对比试验，分别标记为反应器Ⅰ、反应器Ⅱ、反应器Ⅲ和反应器Ⅳ。

实际沼气池进水波动较大，冲厕黑水水量存在早晚高峰，故模拟沼气池采用间歇进排水方式，进出水用蠕动泵控制，每次进排水体积占总有效体积的13。反应器内水温控制在(24±1) ℃，夏季采用自然温度(22～ 32 ℃)。试验装置如图1所示。

1—进水箱；2—进水蠕动泵；3—搅拌杆；4—加热棒；5—搅拌电机；6—电源。

模拟沼气池间歇循环运行，4个反应器的运行周期如表1所示。每个运行周期为进水并搅拌(15 min)→搅拌反应(3～23 h)→沉淀(30 min)→排水(15 min)。

表1 模拟沼气池反应器运行周期参数

1.2 污泥接种

厌氧污泥于2011年11月23日取自北京大兴某种猪场，将所取厌氧污泥静置3 d后接种到各反应器中，Ⅰ～Ⅳ号反应器接种时污泥浓度(MLSS)均为18 gL。

1.3 进水水质

试验用水为南方丘陵地区某农户厕所黑水，黑水经孔径为1.5 mm×1.5 mm的纱网进行除渣除杂后，经蠕动泵进入反应器。反应器进水水质如表2所示。

表2 厕所黑水进水水质

1.4 测定指标及方法

2 结果与讨论

2.1 单级模拟沼气池预处理厕所黑水最佳HRT优化研究

反应器Ⅰ～反应器Ⅳ同时启动和运行，HRT分别为12、24、36和72 h。以污泥接种启动日(2011年11月23日)作为反应器运行第1天，累计运行119 d，对比研究不同HRT条件下单级模拟沼气池对厕所黑水的去除效能。

图2 反应器Ⅰ对TCOD和SCOD的去除效能Fig.2 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅰ

2.1.1 TCOD和SCOD去除效能

反应器Ⅰ(HRT 12 h)对TCOD和SCOD的去除效能如图2所示。从图2可以看出，启动阶段TCOD和SCOD去除率较低，甚至出现负值，运行至第107天时，去除率上升明显，分别达到13.9%和11.5%，并趋于稳定，因此设定反应器Ⅰ启动期为106 d。启动期反应器Ⅰ的进水TCOD和SCOD分别为471～1 202和581～986 mgL，平均值分别为855和756 mgL；出水TCOD和SCOD分别为446～1 301和437～1 093 mgL，平均值分别为799和661 mgL；TCOD和SCOD的去除率分别为-17.2%～34.8%和-23.4%～47.2%，平均去除率分别为8.2%和13.1%。

稳定期反应器Ⅰ进水TCOD和SCOD分别为997～1 521和756～1 064 mgL，平均值分别为1 315和896 mgL；TCOD有机负荷为1.99～3.04 kg(m3·d)，SCOD有机负荷为1.51～2.13 kg(m3·d)；TCOD的污泥负荷为0.31～1.67 kg(kg·d)(以MLSS计，全文同)，SCOD的污泥负荷为0.23～1.17 kg(kg·d)，出水TCOD和SCOD分别为859～1 442和669～1 289 mgL，平均值分别为1 154和1 044 mgL，TCOD和SCOD的去除率分别为5.2%～18.5%和-48.3%～11.5%，平均去除率分别为12.5%和-15.7%。SCOD去除率出现负值的原因可能是HRT较短，污泥未能很好地生长，部分污泥发生了解体。

反应器Ⅱ(HRT 24 h)对TCOD和SCOD的去除效能如图3所示。

图3 反应器Ⅱ对TCOD和SCOD的去除效能 Fig.3 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅱ

由图3可知，运行到第51天时，TCOD和SCOD去除率分别达到53.7%和57.5%，并趋于稳定，因此设定反应器Ⅱ启动期为50 d。启动期反应器Ⅱ的进水TCOD和SCOD分别为526～925和476～659 mgL，平均值分别为710和574 mgL；出水TCOD和SCOD分别为300～1 017和262～312 mgL，平均值分别为569和290 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为-34.7%～50.0%和39.6%～53.7%，平均去除率分别为19.0%和48.9%。

稳定期反应器Ⅱ进水TCOD和SCOD分别为596～1 300和454～1 006 mgL，平均值分别为932和742 mgL；TCOD有机负荷为0.60～1.30 kg(m3·d)，SCOD有机负荷为0.45～1.01 kg(m3·d)；TCOD的污泥负荷为0.06～0.12 kg(kg·d)，SCOD的污泥负荷为0.06～0.09 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分别为278～797和161～482 mgL，平均值分别为388和339 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为38.7%～74.9%和33.3%～74.6%，平均去除率分别为57.5%和53.6%。

反应器Ⅲ(HRT 36 h)对TCOD和SCOD的去除效能如图4所示。

图4 反应器Ⅲ对TCOD和SCOD的去除效能 Fig.4 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅲ

由图4可知，运行到第74天时，TCOD和SCOD去除率上升明显，分别达到57.9%和59.6%，并趋于稳定，因此设定启动期为73 d。启动期反应器Ⅲ的进水TCOD和SCOD分别为525～823和473～631 mgL，平均值分别为688和568 mgL；出水TCOD和SCOD分别为286～918和141～360 mgL，平均值分别为605和244 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为-48.2%～45.5%和43.0%～74.3%，平均去除率分别为12.2%和57.8%。

稳定期反应器Ⅲ进水TCOD和SCOD分别为666～1 377和498～1 112 mgL，平均值分别为1 041和812 mgL；TCOD有机负荷为0.44～0.92 kg(m3·d)，SCOD有机负荷为0.33～0.74 kg(m3·d)；TCOD的污泥负荷为0.03～0.08 kg(kg·d)，SCOD的污泥负荷为0.03～0.06 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分别为232～750和164～500 mgL，平均值分别为410和355 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为38.8%～75.7%和40.6%～76.5%，平均去除率分别为60.8%和55.3%。

反应器Ⅳ(HRT 72 h)对TCOD和SCOD的去除效能如图5所示。

图5 反应器Ⅳ TCOD和SCOD去除效能 Fig.5 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅳ

由图5可知，运行到第74天时，TCOD去除率上升明显，达到48.1%，并趋于稳定，因此设定启动期为73 d。启动期反应器Ⅳ的进水TCOD和SCOD分别为525～823和473～631 mgL，平均值分别为690和568 mgL；出水TCOD和SCOD分别为295～1 401和120～186 mgL，平均值分别为655和160 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为-78.8%～52.9%和66.6%～74.6%，平均去除率分别为8.0%和71.9%。

稳定期反应器Ⅳ进水TCOD和SCOD分别为666～1 377和498～1 112 mgL，平均值分别为1 041 mgL和812 mgL；TCOD有机负荷为0.22～0.46 kg(m3·d)，SCOD有机负荷为0.17～0.37 kg(m3·d)，TCOD的污泥负荷为0.02～0.04 kg(kg·d)，SCOD的污泥负荷为0.01～0.03 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分别为171～528和169～413 mgL，平均值分别为326和281 mgL；TCOD和SCOD去除率分别为48.1%～87.6%和53.2%～78.6%，平均去除率分别为67.1%和64.7%。

启动期各单级模拟沼气池对黑水SCOD的去除率均优于TCOD，其原因是由于启动期反应器中较多的污泥随出水外排，导致出水中含有较高浓度的SS，从而导致出水TCOD较高。

稳定运行期，反应器Ⅰ～反应器Ⅳ的启动期分别为106、50、73和73 d，对厕所黑水TCOD的平均去除率分别为12.5%、57.5%、60.8%和67.1%；对SCOD的平均去除率分别为-15.7%、53.6%、55.3%和64.7%。TCOD最高去除率分别为18.5%、74.9%、75.7%和87.6%；SCOD最高去除率分别为11.5%、74.6%、76.5%和78.6%。随着HRT的增加，单级模拟沼气池对TCOD和SCOD的去除率增加。当HRT为72 h，TCOD有机负荷为0.22～0.46 kg(m3·d)，SCOD有机负荷为0.17～0.37 kg(m3·d)，TCOD的污泥负荷为0.02～0.04 kg(kg·d)，SCOD的污泥负荷为0.01～0.03 kg(kg·d)时，TCOD和SCOD的平均去除率最高，分别达67.1%和64.7%。根据Luostarinen等[7]在研究温度对UASB-化粪池系统厌氧处理黑水的影响时，提出处理厕所黑水需要较长的HRT和较低的有机负荷，当控制HRT为4.1～29 d，COD有机负荷为0.33～0.89 kg(m3·d)时，能有效处理黑水，本研究当HRT为72 h时，TCOD有机负荷为0.22～0.46 kg(m3·d)，与上述研究的有机负荷范围一致。赵丙良等[11]研究了改良型外循环UASB反应器在中温(35 ℃)条件下对黑水的处理效能，当反应器COD的污泥负荷为0.15～0.36 kg(kg·d)时，反应器对COD的去除效率为73%左右；刘阳春等[12]在中温(35 ℃)条件下采用外循环UASB反应器处理学校教学楼黑水，COD平均去除率达到75%以上；杨晓妮等[13]用UASB反应器处理教学楼黑水，当反应器COD的污泥负荷为0.03～2.59 kg(kg·d)(以VSS计)时，COD去除率保持在90%左右；王祥勇等[18]利用倒置AAO连续流装置分别处理以蔗糖和蜜糖为碳源的模拟黑水，反应器的HRT为22.2 h，当BOD5污泥负荷率分别为0.25～0.39和0.22～0.34 kg(kg·d)(以MLVSS计)时，COD平均去除率分别为94.4%和93.1%；孔繁鑫等[19]利用倒置AAO工艺处理以蔗糖为主要碳源的模拟黑水，当COD污泥负荷为0.17～0.24 kg(kg·d)时，COD的去除率可达90%以上。

对比发现，虽然上述UASB工艺和倒置AAO工艺的污泥负荷和COD去除率均高于HRT为72 h的单级模拟沼气池，但对我国南方丘陵农村而言，由于居民居住分散，选用UASB工艺和倒置AAO工艺存在造价高，运行费用高，管理复杂等问题，不利于在农村推广使用，而模拟沼气池具有成本和造价低，易于管理的特点，可以很好地将农村地区现存的户用沼气池加以利用，并可和人工湿地等生态处理装置相结合进行进一步处理，因此有着良好的推广运用基础。

2.1.2 其他指标变化情况

表3 各单级模拟沼气池变化

游离氨浓度[34]以及游离氨对COD去除的影响如表4所示。由表4可知，游离氨浓度为1.6～22.0 mgL，随着HRT的升高，反应器内游离氨平均浓度呈上升趋势，COD去除率变化不大，表明游离氨浓度为1.6～22.0 mgL时，对COD去除的影响不大。

稳定期各单级模拟沼气池对TN的平均去除率均较低，为4.5%～19.3%。可能的原因是厌氧条件下微生物生长缓慢，对含氮基质利用的效果不明显，同时厌氧条件下微生物的解体会释放部分含氮物质。

稳定期各单级模拟沼气池对TP的平均去除率很低，为2.6%～7.1%。对TP的少量去除是由于微生物自身增殖从而吸磷，厌氧条件下聚磷菌会释放磷。

表4 各单级模拟沼气池反应器中游离氨浓度及TCOD和SCOD去除率变化

Table 4 The change of free ammonia and the TCODSCOD removal efficiencies in the four biogas digester simulation reactors

表4 各单级模拟沼气池反应器中游离氨浓度及TCOD和SCOD去除率变化

反应器编号HRT∕h游离氨浓度∕(mg∕L)测定值平均值TCOD去除率∕%测定值平均值SCOD去除率∕%测定值平均值Ⅰ121 6～6 73 55 2～18 512 5-48 3～11 5-15 7Ⅱ242 5～21 27 338 7～74 957 533 3～74 653 6Ⅲ362 6～13 96 838 8～75 760 840 6～76 555 3Ⅳ724 7～22 010 748 1～87 667 153 2～78 664 7

2.2 单级与二级模拟沼气池预处理厕所黑水效能比较

将模拟沼气池反应器Ⅰ和反应器Ⅱ串联形成二级模拟沼气池反应器Ⅰ-Ⅱ，并将模拟沼气池反应器Ⅰ和反应器Ⅱ的HRT均改为36 h，故二级模拟沼气池反应器Ⅰ-Ⅱ的总HRT为72 h，将其与单级模拟沼气池反应器Ⅳ(HRT 72 h)进行比较。运行时间为2012年3月21日—6月15日，对应的运行天数为第120天～第205天，累计运行86 d。

2.2.1 TCOD和SCOD去除效能

当HRT均为72 h时，单级和二级模拟沼气池的进水TCOD分别为523～1 095和519～1 508 mgL，平均值分别为675和804 mgL；TCOD有机负荷分别为0.17～0.36和0.17～0.50 kg(m3·d)；TCOD污泥负荷分别为0.02～0.03和0.02～0.05 kg(kg·d)；出水TCOD分别为153～402和158～424 mgL，平均值分别为284和287 mgL；TCOD去除率分别为34.4%～72.3%和43.3%～74.5%，平均去除率分别为56.9%和63.3%。二级模拟沼气池的TCOD平均去除率较单级模拟沼气池提高了6.4%(图6)。

图6 单级和二级模拟沼气池TCOD去除Fig.6 TCOD removal efficiencies of the one-stage and two-stage biogas digester simulation reactors

当HRT均为72 h时，单级和二级模拟沼气池的进水SCOD分别为469～1 417和490～1 481 mgL，平均值分别为732和822 mgL；SCOD有机负荷分别为0.16～0.47和0.16～0.49 kg(m3·d)；SCOD污泥负荷分别为0.02～0.04和0.02～0.05 kg(kg·d)；出水SCOD分别为158～582和185～684 mgL，平均值分别为377和362 mgL；SCOD去除率分别为18.5%～78.4%和38.9%～73.1%，平均去除率分别为47.0%和55.9%。二级模拟沼气池对SCOD的平均去除率较单级模拟沼气池提高了8.9%(图7)。

2.2.2 其他指标变化情况

图7 单级和二级模拟沼气池SCOD去除Fig.7 SCOD removal efficiencies of the one-stage and two-stage biogas digester simulation reactors

表5 单级和二级模拟沼气池中变化

考虑经济性，建议在工程实践中优选单级沼气池来预处理厕所黑水。

2.3 模拟沼气池预处理厕所黑水后续单元分析

当HRT为72 h时，稳定期单级模拟沼气池出水水质如表6所示。其TCODN值为0.4～1.4，SCODN值为0.3～2.1，而美国国家环境保护局(US EPA)推荐CODN值大于6时才能取得高的脱氮率[37]，因此后续还需采用有利于低碳氮比的脱氮工艺，如亚硝化厌氧氨氧化工艺等[38]；出水TP浓度为13～27 mgL，考虑南方丘陵地区红壤的经济易得性，可以用红壤作为部分人工湿地等生态单元的填料进行后续磷的去除[31]。

表6 HRT为72 h时单级模拟沼气池出水水质

3 结论

(1)以4个单级模拟沼气池预处理厕所黑水，当HRT分别为12、24、36、72 h时，HRT越长，TCOD和SCOD的去除效能就越好。当HRT为72 h时，单级模拟沼气池对黑水TCOD和SCOD的平均去除率最高分别为67.1%和64.7%，故单级模拟沼气池处理厕所黑水最优HRT为72 h。

(2)当HRT为72 h时处理厕所黑水，二级模拟沼气池比单级模拟沼气池对TCOD和SCOD的平均去除率分别提高了6.4%和8.9%，但考虑经济性，工程实践中建议优先选用单级模拟沼气池。

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EfficiencyofSimulatedBiogasDigesterReactorsforAnaerobicPretreatmentofRuralToiletBlackWaterfromtheSouthHillyArea

ZHAO Hua1,2, WANG Hai-yan1,2, YUAN Quan1,2, ZHOU Yue-xi1,2

1.Research Center for Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental
Sciences, Beijing 100012, China

The efficiency of the one-stage and two-stage simulated biogas digester reactors for the anaerobic pretreatment of the rural toilet black water from the south hilly area was studied. The results showed that when the average influent concentrations of TCOD and SCOD were 862 and 718 mgL, the HRT were 12, 24, 36 and 72 h respectively, the average removal efficiencies of TCOD and SCOD were 12.5%, 57.5%, 60.8%, 67.1% and -15.7%, 53.6%, 55.3%, 64.7% accordingly under the steady-state phase. The removal efficiency of 72 h HRT reactor was higher than those of three other HRTs reactors. The TCOD and SCOD removal efficiencies of the two-stage simulated biogas digester reactors were improved by 6.4% and 8.9% respectively compared with the one-stage reactor at the 72 h HRT. This indicated that both one-stage and two-stage simulated biogas digester reactors achieved good COD removal efficiencies and the efficiency of the two-stage reactor was a little higher than that of the one-stage reactor for the toilet black water anaerobic pretreatment. Considering the economic factor, the 72 h HRT one-stage simulated biogas digester reactor could be used as the key biological treatment unit to combine with the follow-up ecological treatment equipments such as the constructed wetland for the rural toilet black water treatment.

simulated biogas digester reactor; anaerobic pretreatment; south hilly area; rural; toilet black water

1674-991X(2013)05-0369-09

2013-03-21

收稿日期:国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ21B01-02)

赵华(1987—)，男，硕士研究生，主要从事农村污水和畜禽养殖污水处理技术研究，zhaohua_jlu@sina.com

*责任作者:周岳溪(1964—)，男，研究员，博士，主要从事水污染控制技术研究，zhouyuexi@263.net

X703.1

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.05.058