趙華，王海燕，苑泉，周岳溪*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

模擬沼氣池厭氧預(yù)處理南方丘陵農(nóng)村廁所黑水的效能

趙華1,2，王海燕1,2，苑泉1,2，周岳溪1,2*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

研究了單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池厭氧預(yù)處理南方丘陵農(nóng)村廁所黑水的效能。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水TCOD和SCOD平均濃度分別為862和718 mgL，HRT分別為12、24、36和72 h時(shí)，穩(wěn)定期各單級(jí)模擬沼氣池對(duì)TCOD的平均去除率分別為12.5%、57.5%、60.8%和67.1%；對(duì)SCOD的平均去除率分別為-15.7%、53.6%、55.3%和64.7%。當(dāng)HRT為72 h時(shí)，二級(jí)模擬沼氣池與單級(jí)模擬沼氣池相比，其對(duì)TCOD和SCOD的平均去除率分別提高了6.4%和8.9%，表明HRT為72 h時(shí)，有較好的去除效能。二者對(duì)廁所黑水均有較好的去除效能，但二級(jí)模擬沼氣池稍優(yōu)于單級(jí)模擬沼氣池。考慮經(jīng)濟(jì)性，HRT為72 h的單級(jí)模擬沼氣池可優(yōu)選作為農(nóng)村廁所黑水厭氧預(yù)處理的核心生物單元，與后續(xù)人工濕地等生態(tài)處理裝置組合。

模擬沼氣池；厭氧預(yù)處理；南方丘陵；農(nóng)村；廁所黑水

據(jù)測算，我國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水90多億t，人糞尿約2.6億t[1]。大量未經(jīng)有效處理的生活污水直接排入水體中，已成為我國非點(diǎn)源污染的重要組成部分，給飲用水安全等造成了潛在的威脅[2]。農(nóng)村生活污水分為灰水和黑水。灰水主要由廚房和衛(wèi)生間的洗滌、洗浴水組成，黑水指尿液、糞便(含手紙)和用廁沖洗水[3]?；宜a(chǎn)生量大，所含的污染物濃度低，處理后可作為回用水[4]。黑水的特點(diǎn)是有機(jī)物濃度高，懸浮固體多，含有大量的病原微生物，處理難度大，費(fèi)用高[5]。生活污水中約51%的COD、91%的氮、78%的磷和大部分病原微生物來自于黑水[6-7]，廁所黑水是農(nóng)村生活污水的最主要來源之一。

目前，國內(nèi)外對(duì)黑水的處理技術(shù)主要包括預(yù)處理技術(shù)[8-10]、厭氧處理技術(shù)[11-13]、好氧處理技術(shù)[14-16]和厭氧-好氧結(jié)合處理技術(shù)[17-19]。國外報(bào)道的廁所黑水多來自于真空廁所，產(chǎn)生的高濃度廁所黑水在HRT為8.7 d時(shí)能夠被UASB(升流式厭氧污泥床)有效預(yù)處理[20]，另外在HRT為29 d時(shí)也能被UASB型化糞池有效預(yù)處理[21]，在HRT為20 d時(shí)被CSTR(連續(xù)流攪拌反應(yīng)器)有效預(yù)處理[22]，但這些厭氧反應(yīng)器的出水還需進(jìn)一步后續(xù)處理。在歐洲和美國，厭氧處理被認(rèn)為是未來可持續(xù)發(fā)展最有希望的處理方法之一[23]。厭氧消化技術(shù)能夠制取沼氣，具有開發(fā)新能源、節(jié)省能源及凈化污水等作用，還具有處理成本低及適合處理高濃度有機(jī)廢水等優(yōu)點(diǎn)，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境生態(tài)效益[5]。

沼氣池與UASB等厭氧技術(shù)相比，在農(nóng)村地區(qū)有著不可比擬的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性[24]，截至2008年，我國農(nóng)村沼氣池總量已超過3 000萬[25]，我國農(nóng)村戶用沼氣技術(shù)的推廣與應(yīng)用，在技術(shù)和數(shù)量方面，均處于國際領(lǐng)先地位[26]。農(nóng)村戶用沼氣池的建設(shè)是改善農(nóng)村能源短缺，資源浪費(fèi)及生態(tài)環(huán)境惡化的重要舉措[27]。我國南方丘陵地區(qū)氣候溫暖，人口眾多，由于該地區(qū)農(nóng)村居民居住分散，生活污水的產(chǎn)生和排放非常分散和無序，而且地形復(fù)雜，起伏較大，很難效仿北方及東部農(nóng)村對(duì)污水進(jìn)行集中收集和處理，而適宜采取“分散收集、分散處理、就近排放”的方式，就地分散處理是當(dāng)前我國南方丘陵農(nóng)村分散污水處理的最佳模式之一[28-29]。在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的南方丘陵農(nóng)村，居民大多使用水沖廁所，從而產(chǎn)生大量的沖廁黑水[30]，同時(shí)多數(shù)農(nóng)戶都建有沼氣池，為降低處理成本和實(shí)現(xiàn)污水資源化，將我國南方丘陵農(nóng)村生活污水按灰水和黑水分開處理是較好的途徑之一[4,31]，將黑水分開后利用農(nóng)戶現(xiàn)有沼氣池進(jìn)行預(yù)處理，后續(xù)再用生態(tài)法等處理，從而能夠構(gòu)建經(jīng)濟(jì)適用的農(nóng)村生活污水處理集成技術(shù)。

由于我國南方丘陵農(nóng)村沼氣池分布廣泛，筆者采用單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池對(duì)農(nóng)村廁所黑水進(jìn)行厭氧預(yù)處理并研究其預(yù)處理效能，以期為農(nóng)戶沼氣池用于農(nóng)村廁所黑水預(yù)處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為后續(xù)進(jìn)入生態(tài)處理裝置等提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用的初級(jí)預(yù)處理技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

模擬沼氣池為有機(jī)玻璃制成的圓柱體反應(yīng)器，內(nèi)徑為284 mm，高為700 mm，反應(yīng)器總體積為46.8 L，有效體積36 L。采用4個(gè)模擬沼氣池進(jìn)行不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，分別標(biāo)記為反應(yīng)器Ⅰ、反應(yīng)器Ⅱ、反應(yīng)器Ⅲ和反應(yīng)器Ⅳ。

實(shí)際沼氣池進(jìn)水波動(dòng)較大，沖廁黑水水量存在早晚高峰，故模擬沼氣池采用間歇進(jìn)排水方式，進(jìn)出水用蠕動(dòng)泵控制，每次進(jìn)排水體積占總有效體積的13。反應(yīng)器內(nèi)水溫控制在(24±1) ℃，夏季采用自然溫度(22～ 32 ℃)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1—進(jìn)水箱；2—進(jìn)水蠕動(dòng)泵；3—攪拌桿；4—加熱棒；5—攪拌電機(jī)；6—電源。

模擬沼氣池間歇循環(huán)運(yùn)行，4個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行周期如表1所示。每個(gè)運(yùn)行周期為進(jìn)水并攪拌(15 min)→攪拌反應(yīng)(3～23 h)→沉淀(30 min)→排水(15 min)。

表1 模擬沼氣池反應(yīng)器運(yùn)行周期參數(shù)

1.2 污泥接種

厭氧污泥于2011年11月23日取自北京大興某種豬場，將所取厭氧污泥靜置3 d后接種到各反應(yīng)器中，Ⅰ～Ⅳ號(hào)反應(yīng)器接種時(shí)污泥濃度(MLSS)均為18 gL。

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)用水為南方丘陵地區(qū)某農(nóng)戶廁所黑水，黑水經(jīng)孔徑為1.5 mm×1.5 mm的紗網(wǎng)進(jìn)行除渣除雜后，經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入反應(yīng)器。反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。

表2 廁所黑水進(jìn)水水質(zhì)

1.4 測定指標(biāo)及方法

2 結(jié)果與討論

2.1 單級(jí)模擬沼氣池預(yù)處理廁所黑水最佳HRT優(yōu)化研究

反應(yīng)器Ⅰ～反應(yīng)器Ⅳ同時(shí)啟動(dòng)和運(yùn)行，HRT分別為12、24、36和72 h。以污泥接種啟動(dòng)日(2011年11月23日)作為反應(yīng)器運(yùn)行第1天，累計(jì)運(yùn)行119 d，對(duì)比研究不同HRT條件下單級(jí)模擬沼氣池對(duì)廁所黑水的去除效能。

圖2 反應(yīng)器Ⅰ對(duì)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

反應(yīng)器Ⅰ(HRT 12 h)對(duì)TCOD和SCOD的去除效能如圖2所示。從圖2可以看出，啟動(dòng)階段TCOD和SCOD去除率較低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，運(yùn)行至第107天時(shí)，去除率上升明顯，分別達(dá)到13.9%和11.5%，并趨于穩(wěn)定，因此設(shè)定反應(yīng)器Ⅰ啟動(dòng)期為106 d。啟動(dòng)期反應(yīng)器Ⅰ的進(jìn)水TCOD和SCOD分別為471～1 202和581～986 mgL，平均值分別為855和756 mgL；出水TCOD和SCOD分別為446～1 301和437～1 093 mgL，平均值分別為799和661 mgL；TCOD和SCOD的去除率分別為-17.2%～34.8%和-23.4%～47.2%，平均去除率分別為8.2%和13.1%。

穩(wěn)定期反應(yīng)器Ⅰ進(jìn)水TCOD和SCOD分別為997～1 521和756～1 064 mgL，平均值分別為1 315和896 mgL；TCOD有機(jī)負(fù)荷為1.99～3.04 kg(m3·d)，SCOD有機(jī)負(fù)荷為1.51～2.13 kg(m3·d)；TCOD的污泥負(fù)荷為0.31～1.67 kg(kg·d)(以MLSS計(jì)，全文同)，SCOD的污泥負(fù)荷為0.23～1.17 kg(kg·d)，出水TCOD和SCOD分別為859～1 442和669～1 289 mgL，平均值分別為1 154和1 044 mgL，TCOD和SCOD的去除率分別為5.2%～18.5%和-48.3%～11.5%，平均去除率分別為12.5%和-15.7%。SCOD去除率出現(xiàn)負(fù)值的原因可能是HRT較短，污泥未能很好地生長，部分污泥發(fā)生了解體。

反應(yīng)器Ⅱ(HRT 24 h)對(duì)TCOD和SCOD的去除效能如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器Ⅱ?qū)COD和SCOD的去除效能 Fig.3 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅱ

由圖3可知，運(yùn)行到第51天時(shí)，TCOD和SCOD去除率分別達(dá)到53.7%和57.5%，并趨于穩(wěn)定，因此設(shè)定反應(yīng)器Ⅱ啟動(dòng)期為50 d。啟動(dòng)期反應(yīng)器Ⅱ的進(jìn)水TCOD和SCOD分別為526～925和476～659 mgL，平均值分別為710和574 mgL；出水TCOD和SCOD分別為300～1 017和262～312 mgL，平均值分別為569和290 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為-34.7%～50.0%和39.6%～53.7%，平均去除率分別為19.0%和48.9%。

穩(wěn)定期反應(yīng)器Ⅱ進(jìn)水TCOD和SCOD分別為596～1 300和454～1 006 mgL，平均值分別為932和742 mgL；TCOD有機(jī)負(fù)荷為0.60～1.30 kg(m3·d)，SCOD有機(jī)負(fù)荷為0.45～1.01 kg(m3·d)；TCOD的污泥負(fù)荷為0.06～0.12 kg(kg·d)，SCOD的污泥負(fù)荷為0.06～0.09 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分別為278～797和161～482 mgL，平均值分別為388和339 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為38.7%～74.9%和33.3%～74.6%，平均去除率分別為57.5%和53.6%。

反應(yīng)器Ⅲ(HRT 36 h)對(duì)TCOD和SCOD的去除效能如圖4所示。

圖4 反應(yīng)器Ⅲ對(duì)TCOD和SCOD的去除效能 Fig.4 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅲ

由圖4可知，運(yùn)行到第74天時(shí)，TCOD和SCOD去除率上升明顯，分別達(dá)到57.9%和59.6%，并趨于穩(wěn)定，因此設(shè)定啟動(dòng)期為73 d。啟動(dòng)期反應(yīng)器Ⅲ的進(jìn)水TCOD和SCOD分別為525～823和473～631 mgL，平均值分別為688和568 mgL；出水TCOD和SCOD分別為286～918和141～360 mgL，平均值分別為605和244 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為-48.2%～45.5%和43.0%～74.3%，平均去除率分別為12.2%和57.8%。

穩(wěn)定期反應(yīng)器Ⅲ進(jìn)水TCOD和SCOD分別為666～1 377和498～1 112 mgL，平均值分別為1 041和812 mgL；TCOD有機(jī)負(fù)荷為0.44～0.92 kg(m3·d)，SCOD有機(jī)負(fù)荷為0.33～0.74 kg(m3·d)；TCOD的污泥負(fù)荷為0.03～0.08 kg(kg·d)，SCOD的污泥負(fù)荷為0.03～0.06 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分別為232～750和164～500 mgL，平均值分別為410和355 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為38.8%～75.7%和40.6%～76.5%，平均去除率分別為60.8%和55.3%。

反應(yīng)器Ⅳ(HRT 72 h)對(duì)TCOD和SCOD的去除效能如圖5所示。

圖5 反應(yīng)器Ⅳ TCOD和SCOD去除效能 Fig.5 The TCODSCOD removal efficiencies of the reactor Ⅳ

由圖5可知，運(yùn)行到第74天時(shí)，TCOD去除率上升明顯，達(dá)到48.1%，并趨于穩(wěn)定，因此設(shè)定啟動(dòng)期為73 d。啟動(dòng)期反應(yīng)器Ⅳ的進(jìn)水TCOD和SCOD分別為525～823和473～631 mgL，平均值分別為690和568 mgL；出水TCOD和SCOD分別為295～1 401和120～186 mgL，平均值分別為655和160 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為-78.8%～52.9%和66.6%～74.6%，平均去除率分別為8.0%和71.9%。

穩(wěn)定期反應(yīng)器Ⅳ進(jìn)水TCOD和SCOD分別為666～1 377和498～1 112 mgL，平均值分別為1 041 mgL和812 mgL；TCOD有機(jī)負(fù)荷為0.22～0.46 kg(m3·d)，SCOD有機(jī)負(fù)荷為0.17～0.37 kg(m3·d)，TCOD的污泥負(fù)荷為0.02～0.04 kg(kg·d)，SCOD的污泥負(fù)荷為0.01～0.03 kg(kg·d)；出水TCOD和SCOD分別為171～528和169～413 mgL，平均值分別為326和281 mgL；TCOD和SCOD去除率分別為48.1%～87.6%和53.2%～78.6%，平均去除率分別為67.1%和64.7%。

啟動(dòng)期各單級(jí)模擬沼氣池對(duì)黑水SCOD的去除率均優(yōu)于TCOD，其原因是由于啟動(dòng)期反應(yīng)器中較多的污泥隨出水外排，導(dǎo)致出水中含有較高濃度的SS，從而導(dǎo)致出水TCOD較高。

穩(wěn)定運(yùn)行期，反應(yīng)器Ⅰ～反應(yīng)器Ⅳ的啟動(dòng)期分別為106、50、73和73 d，對(duì)廁所黑水TCOD的平均去除率分別為12.5%、57.5%、60.8%和67.1%；對(duì)SCOD的平均去除率分別為-15.7%、53.6%、55.3%和64.7%。TCOD最高去除率分別為18.5%、74.9%、75.7%和87.6%；SCOD最高去除率分別為11.5%、74.6%、76.5%和78.6%。隨著HRT的增加，單級(jí)模擬沼氣池對(duì)TCOD和SCOD的去除率增加。當(dāng)HRT為72 h，TCOD有機(jī)負(fù)荷為0.22～0.46 kg(m3·d)，SCOD有機(jī)負(fù)荷為0.17～0.37 kg(m3·d)，TCOD的污泥負(fù)荷為0.02～0.04 kg(kg·d)，SCOD的污泥負(fù)荷為0.01～0.03 kg(kg·d)時(shí)，TCOD和SCOD的平均去除率最高，分別達(dá)67.1%和64.7%。根據(jù)Luostarinen等[7]在研究溫度對(duì)UASB-化糞池系統(tǒng)厭氧處理黑水的影響時(shí)，提出處理廁所黑水需要較長的HRT和較低的有機(jī)負(fù)荷，當(dāng)控制HRT為4.1～29 d，COD有機(jī)負(fù)荷為0.33～0.89 kg(m3·d)時(shí)，能有效處理黑水，本研究當(dāng)HRT為72 h時(shí)，TCOD有機(jī)負(fù)荷為0.22～0.46 kg(m3·d)，與上述研究的有機(jī)負(fù)荷范圍一致。趙丙良等[11]研究了改良型外循環(huán)UASB反應(yīng)器在中溫(35 ℃)條件下對(duì)黑水的處理效能，當(dāng)反應(yīng)器COD的污泥負(fù)荷為0.15～0.36 kg(kg·d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì)COD的去除效率為73%左右；劉陽春等[12]在中溫(35 ℃)條件下采用外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理學(xué)校教學(xué)樓黑水，COD平均去除率達(dá)到75%以上；楊曉妮等[13]用UASB反應(yīng)器處理教學(xué)樓黑水，當(dāng)反應(yīng)器COD的污泥負(fù)荷為0.03～2.59 kg(kg·d)(以VSS計(jì))時(shí)，COD去除率保持在90%左右；王祥勇等[18]利用倒置AAO連續(xù)流裝置分別處理以蔗糖和蜜糖為碳源的模擬黑水，反應(yīng)器的HRT為22.2 h，當(dāng)BOD5污泥負(fù)荷率分別為0.25～0.39和0.22～0.34 kg(kg·d)(以MLVSS計(jì))時(shí)，COD平均去除率分別為94.4%和93.1%；孔繁鑫等[19]利用倒置AAO工藝處理以蔗糖為主要碳源的模擬黑水，當(dāng)COD污泥負(fù)荷為0.17～0.24 kg(kg·d)時(shí)，COD的去除率可達(dá)90%以上。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然上述UASB工藝和倒置AAO工藝的污泥負(fù)荷和COD去除率均高于HRT為72 h的單級(jí)模擬沼氣池，但對(duì)我國南方丘陵農(nóng)村而言，由于居民居住分散，選用UASB工藝和倒置AAO工藝存在造價(jià)高，運(yùn)行費(fèi)用高，管理復(fù)雜等問題，不利于在農(nóng)村推廣使用，而模擬沼氣池具有成本和造價(jià)低，易于管理的特點(diǎn)，可以很好地將農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)存的戶用沼氣池加以利用，并可和人工濕地等生態(tài)處理裝置相結(jié)合進(jìn)行進(jìn)一步處理，因此有著良好的推廣運(yùn)用基礎(chǔ)。

2.1.2 其他指標(biāo)變化情況

表3 各單級(jí)模擬沼氣池變化

游離氨濃度[34]以及游離氨對(duì)COD去除的影響如表4所示。由表4可知，游離氨濃度為1.6～22.0 mgL，隨著HRT的升高，反應(yīng)器內(nèi)游離氨平均濃度呈上升趨勢，COD去除率變化不大，表明游離氨濃度為1.6～22.0 mgL時(shí)，對(duì)COD去除的影響不大。

穩(wěn)定期各單級(jí)模擬沼氣池對(duì)TN的平均去除率均較低，為4.5%～19.3%。可能的原因是厭氧條件下微生物生長緩慢，對(duì)含氮基質(zhì)利用的效果不明顯，同時(shí)厭氧條件下微生物的解體會(huì)釋放部分含氮物質(zhì)。

穩(wěn)定期各單級(jí)模擬沼氣池對(duì)TP的平均去除率很低，為2.6%～7.1%。對(duì)TP的少量去除是由于微生物自身增殖從而吸磷，厭氧條件下聚磷菌會(huì)釋放磷。

表4 各單級(jí)模擬沼氣池反應(yīng)器中游離氨濃度及TCOD和SCOD去除率變化

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

表4 各單級(jí)模擬沼氣池反應(yīng)器中游離氨濃度及TCOD和SCOD去除率變化

反應(yīng)器編號(hào)HRT∕h游離氨濃度∕(mg∕L)測定值平均值TCOD去除率∕%測定值平均值SCOD去除率∕%測定值平均值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 單級(jí)與二級(jí)模擬沼氣池預(yù)處理廁所黑水效能比較

將模擬沼氣池反應(yīng)器Ⅰ和反應(yīng)器Ⅱ串聯(lián)形成二級(jí)模擬沼氣池反應(yīng)器Ⅰ-Ⅱ，并將模擬沼氣池反應(yīng)器Ⅰ和反應(yīng)器Ⅱ的HRT均改為36 h，故二級(jí)模擬沼氣池反應(yīng)器Ⅰ-Ⅱ的總HRT為72 h，將其與單級(jí)模擬沼氣池反應(yīng)器Ⅳ(HRT 72 h)進(jìn)行比較。運(yùn)行時(shí)間為2012年3月21日—6月15日，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行天數(shù)為第120天～第205天，累計(jì)運(yùn)行86 d。

2.2.1 TCOD和SCOD去除效能

當(dāng)HRT均為72 h時(shí)，單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池的進(jìn)水TCOD分別為523～1 095和519～1 508 mgL，平均值分別為675和804 mgL；TCOD有機(jī)負(fù)荷分別為0.17～0.36和0.17～0.50 kg(m3·d)；TCOD污泥負(fù)荷分別為0.02～0.03和0.02～0.05 kg(kg·d)；出水TCOD分別為153～402和158～424 mgL，平均值分別為284和287 mgL；TCOD去除率分別為34.4%～72.3%和43.3%～74.5%，平均去除率分別為56.9%和63.3%。二級(jí)模擬沼氣池的TCOD平均去除率較單級(jí)模擬沼氣池提高了6.4%(圖6)。

圖6 單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池TCOD去除Fig.6 TCOD removal efficiencies of the one-stage and two-stage biogas digester simulation reactors

當(dāng)HRT均為72 h時(shí)，單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池的進(jìn)水SCOD分別為469～1 417和490～1 481 mgL，平均值分別為732和822 mgL；SCOD有機(jī)負(fù)荷分別為0.16～0.47和0.16～0.49 kg(m3·d)；SCOD污泥負(fù)荷分別為0.02～0.04和0.02～0.05 kg(kg·d)；出水SCOD分別為158～582和185～684 mgL，平均值分別為377和362 mgL；SCOD去除率分別為18.5%～78.4%和38.9%～73.1%，平均去除率分別為47.0%和55.9%。二級(jí)模擬沼氣池對(duì)SCOD的平均去除率較單級(jí)模擬沼氣池提高了8.9%(圖7)。

2.2.2 其他指標(biāo)變化情況

圖7 單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池SCOD去除Fig.7 SCOD removal efficiencies of the one-stage and two-stage biogas digester simulation reactors

表5 單級(jí)和二級(jí)模擬沼氣池中變化

考慮經(jīng)濟(jì)性，建議在工程實(shí)踐中優(yōu)選單級(jí)沼氣池來預(yù)處理廁所黑水。

2.3 模擬沼氣池預(yù)處理廁所黑水后續(xù)單元分析

當(dāng)HRT為72 h時(shí)，穩(wěn)定期單級(jí)模擬沼氣池出水水質(zhì)如表6所示。其TCODN值為0.4～1.4，SCODN值為0.3～2.1，而美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦CODN值大于6時(shí)才能取得高的脫氮率[37]，因此后續(xù)還需采用有利于低碳氮比的脫氮工藝，如亞硝化厭氧氨氧化工藝等[38]；出水TP濃度為13～27 mgL，考慮南方丘陵地區(qū)紅壤的經(jīng)濟(jì)易得性，可以用紅壤作為部分人工濕地等生態(tài)單元的填料進(jìn)行后續(xù)磷的去除[31]。

表6 HRT為72 h時(shí)單級(jí)模擬沼氣池出水水質(zhì)

3 結(jié)論

(1)以4個(gè)單級(jí)模擬沼氣池預(yù)處理廁所黑水，當(dāng)HRT分別為12、24、36、72 h時(shí)，HRT越長，TCOD和SCOD的去除效能就越好。當(dāng)HRT為72 h時(shí)，單級(jí)模擬沼氣池對(duì)黑水TCOD和SCOD的平均去除率最高分別為67.1%和64.7%，故單級(jí)模擬沼氣池處理廁所黑水最優(yōu)HRT為72 h。

(2)當(dāng)HRT為72 h時(shí)處理廁所黑水，二級(jí)模擬沼氣池比單級(jí)模擬沼氣池對(duì)TCOD和SCOD的平均去除率分別提高了6.4%和8.9%，但考慮經(jīng)濟(jì)性，工程實(shí)踐中建議優(yōu)先選用單級(jí)模擬沼氣池。

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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:國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ21B01-02)

趙華(1987—)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)村污水和畜禽養(yǎng)殖污水處理技術(shù)研究，zhaohua_jlu@sina.com

*責(zé)任作者:周岳溪(1964—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制技術(shù)研究，zhouyuexi@263.net

X703.1

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.05.058