左斯琪，李子富

（北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

黑水指包括人類糞便、尿液和沖洗水的廁所污水［1］。黑水中富含大量有機(jī)污染物、病原菌以及氮磷元素，未經(jīng)處理的黑水直接排放將導(dǎo)致土壤和水源受到污染，從而進(jìn)一步影響食物及飲用水安全，引發(fā)腹瀉、霍亂等腸道疾病，造成每年150 萬未滿5 歲的兒童喪生［2］。人均1 a 排泄的糞便總量為25～50 kg，平均含有550 g 氮、180 g 磷和370g 鉀；1 個(gè)成年人每年可產(chǎn)生400L 尿液，其中含有約4 000 g 氮、400 g 磷和900 g 鉀［3］。生活污水中80%～90%的氮、50%～57%的磷來自于黑水［4］，如將其排入下水管道，與盥洗污水和雨水等稀釋后進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行有機(jī)物、氮、磷等污染物處理，將消耗大量資源［5-6］。因此，依照生態(tài)衛(wèi)生理念中的“閉環(huán)理論”，黑水應(yīng)當(dāng)與廚房浴室盥洗污水、雨水等其他生活污水分離、單獨(dú)收集并處理，以減少污水處理過程中的能源消耗并回收黑水中的可再生資源。

荷蘭已研發(fā)并投入使用了一些源分離生態(tài)衛(wèi)生系統(tǒng)，社區(qū)居民產(chǎn)生的黑水通過真空收集和運(yùn)輸，進(jìn)行厭氧處理。在32 戶的規(guī)模上每日回收得到7.6 kg 氮元素和0.63 kg 磷元素，分別占理論值的69%和48%［7］，這說明黑水資源回用已被實(shí)踐證明可行。在推行黑水處理技術(shù)的過程中，Poortvliet 等［8］對黑水源分離處理及回用進(jìn)行了民眾接受度調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)各個(gè)國家大部分受訪者持認(rèn)可態(tài)度。隨著人們對黑水處理技術(shù)的不斷探索，黑水處理工藝日漸成熟，也更加豐富多樣。本研究通過文獻(xiàn)檢索回顧和總結(jié)了近年來國際上關(guān)于黑水綜合處理技術(shù)的進(jìn)展與概況。

2 黑水處理技術(shù)

2.1 黑水生物處理

2.1.1 好氧生物處理技術(shù)

黑水生物處理技術(shù)可按照微生物對氧氣需求分為好氧技術(shù)和厭氧技術(shù)。好氧技術(shù)能夠去除黑水中90%以上的有機(jī)物，工藝運(yùn)行過程中基本無臭味產(chǎn)生，氧化比較徹底，終產(chǎn)物為CO2和H2O，且由于好氧微生物分解有機(jī)物的速度遠(yuǎn)高于厭氧微生物，因此可大幅縮減反應(yīng)器容積［9-14］。但缺點(diǎn)是黑水的有機(jī)物濃度較高，實(shí)際運(yùn)行過程中，好氧分解對氧氣需求量大［15］，因此能量消耗較大。此外，處理過程中仍有大量的氨揮發(fā)損失。

1） 好氧堆肥工藝。

處理黑水可利用好氧微生物，將黑水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。由于其建設(shè)成本低廉，生產(chǎn)周期較短，且可產(chǎn)出生物有機(jī)肥料進(jìn)行農(nóng)業(yè)回用，已被廣泛應(yīng)用于世界各地［16-18］。在堆肥過程中，堆肥溫度一般在55～65 ℃，有時(shí)高達(dá)80 ℃。根據(jù)GB 7959—2012 糞便無害化衛(wèi)生要求，好氧堆肥的無害化衛(wèi)生要求：人工堆肥50 ℃以上至少持續(xù)10 d 或60 ℃以上至少持續(xù)5 d，機(jī)械堆肥50℃以上至少持續(xù)2 d；蛔蟲卵死亡率95%以上；檢出糞大腸菌群的樣本量高于10-2g（或mL）［19］。好氧高溫堆肥工藝通常由預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵、污水處理、臭氣處理及固態(tài)肥加工與貯存等工段組成，主要產(chǎn)品為固態(tài)肥［20］。其中一次發(fā)酵堆肥溫度范圍一般控制在55～60 ℃，通風(fēng)量需滿足微生物氧氣需求并根據(jù)堆肥溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，單位體積堆料強(qiáng)制通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為0.05～0.20 m3/min，堆肥周期為5～12 d［21］。好氧菌的適應(yīng)性較強(qiáng)，使得好氧生物處理中的消毒步驟可以與堆肥同時(shí)進(jìn)行，常用的滅菌方法有熱滅活，即利用堆肥過程產(chǎn)熱，并外加保溫層，使得反應(yīng)器中溫度高于65 ℃［22-24］。Mahmood 等［25］在蒙古烏蘭巴托市郊的餐廚垃圾與黑水共發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入餐廚垃圾共發(fā)酵并采用保溫技術(shù)后，堆肥溫度最高可達(dá)70 ℃，且能夠在8 d 內(nèi)保持溫度高于65 ℃，能夠滿足世界衛(wèi)生組織提出的標(biāo)準(zhǔn)（50 ℃，≥7 d）。另外，也可添加3%的石灰或銨鹽進(jìn)行病原菌滅活，Vinner覽s［23］發(fā)現(xiàn)黑水高溫堆肥可以確保減少5 log10的病原體，添加3%氨氮可在1 h 內(nèi)將pH 提高至9 以上，并導(dǎo)致細(xì)菌指示菌（沙門氏菌和糞大腸菌群） 大量減少。

2） 膜生物反應(yīng)器（MBR） 技術(shù)。

目前，隨著污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，MBR 技術(shù)受到更多的關(guān)注。該工藝將膜過濾與生物處理相結(jié)合，若僅考慮黑水中污染物處理，則與傳統(tǒng)好氧污泥生物處理工藝相比，MBR 的優(yōu)勢在于占地面積小和污泥產(chǎn)生量少。淹沒式MBR 設(shè)備由于在單個(gè)過濾階段就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的多階段過程（沉降、生物處理以及后續(xù)消毒過程），其占地面積僅占傳統(tǒng)好氧污泥處理工藝所占土地面積的50%，而污泥的產(chǎn)生量也減少了50%。污泥處置量的減少又將進(jìn)一步降低總體運(yùn)營成本，因此MBR 工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益［12］。研究發(fā)現(xiàn)在水力停留時(shí)間為8～15 h 和污泥停留時(shí)間非常長的情況下，TCOD 和SS 的去除率分別達(dá)到96%和100%，TN 的平均去除率也可達(dá)到83%［26］。但由于黑水中污染物的復(fù)雜性，膜結(jié)垢成為了MBR 技術(shù)的主要問題［27］。Khan 等［28］研究了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MBR 在0.15、0.30 kg/（m3·d） 的氮負(fù)荷率（NLR）條件下處理高濃度生活污水的性能。在兩種條件下，有機(jī)負(fù)荷率（OLR） 均恒定為3 kg/（m3·d），COD的去除率均高于95.0%，在0.15 kg/（m3·d）氮負(fù)荷率條件下，氨氮、總氮和總磷的去除率分別為90.5%、74.0%、38.0%，均高于0.30 kg/（m3·d）條件下的3種指標(biāo)去除率（89.3%、35.0%、14.0%）。隨著氮負(fù)荷率的增加，膜纖維上的濾餅層孔隙率降低，污水過膜阻力升高，過濾時(shí)間延長。為解決膜污染問題，Mitra 等［29］研發(fā)出了一種新型曝氣噴射器，該設(shè)備可提高M(jìn)BR 反應(yīng)器內(nèi)曝氣流量。試驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)擴(kuò)散器相比，噴射器使得污水中的氧氣傳輸速率更高，MBR 反應(yīng)器槽內(nèi)的湍流速率也較高，因此能夠減輕膜污染。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)裝有噴射器的MBR 反應(yīng)器去除有機(jī)物效率更高。

黑水好氧處理技術(shù)最大的優(yōu)勢在于處理周期較短，且有機(jī)物降解徹底，好氧堆肥周期為5～7 d，當(dāng)采用好氧MBR 反應(yīng)器時(shí)，黑水在好氧反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間僅需8～15 h。在實(shí)際工程應(yīng)用中，更短的運(yùn)行周期有利于減少反應(yīng)器建筑容積，可大幅降低黑水處理裝置占地面積及建設(shè)成本，但好氧技術(shù)由于需要曝氣，能耗較高，未來可通過優(yōu)化曝氣工藝來減少反應(yīng)器能耗需求。

2.1.2 厭氧生物處理技術(shù)

厭氧生物處理技術(shù)逐漸成為黑水處理主流技術(shù)之一，主要通過在無氧或缺氧條件下，厭氧微生物將黑水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，從而獲得沼氣及肥料等高附加值產(chǎn)物。厭氧消化過程的主要影響因素如下［30-31］：①pH，對于產(chǎn)甲烷菌來說，最適宜的pH 范圍是6.8～7.2，其中，污水中的堿度具有緩沖作用，可以在一定范圍內(nèi)中和酸化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸，使污水pH 維持在6.8 以上，從而使酸化和產(chǎn)甲烷兩大菌群共存，提高厭氧反應(yīng)效率［32］；②溫度，最常采用的有中溫消化（35～38 ℃） 和高溫消化（52～55 ℃），但這兩種消化溫度均需加熱，能耗較高，近年來人們開始關(guān)注常溫（20～30 ℃） 以及低溫（20 ℃以下） 條件下進(jìn)行厭氧生物消化的研究；③污泥泥齡，產(chǎn)甲烷菌的增殖速率比較慢，因此厭氧消化過程運(yùn)行所需污泥泥齡較長，而厭氧MBR 工藝則可以使得污泥泥齡趨于無限長；④攪拌和混合，由于厭氧消化是由生物酶與底物接觸作用的反應(yīng)，因此需要一定的攪拌過程使其充分混合，提高反應(yīng)速率，但過度的攪拌會(huì)對這種產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的共生關(guān)系造成破壞，從而抑制厭氧消化過程；⑤營養(yǎng)與C/N，與好氧過程相比，厭氧消化對于污水中的氮、磷需求較低，底物C/N 為（10～20）∶1，較適宜厭氧微生物生長；若C/N 過高，細(xì)胞內(nèi)的氮不足，會(huì)降低消化液的緩沖能力，造成pH 降低；若C/N 過低，會(huì)造成pH 上升，對厭氧過程造成破壞；⑥有毒物質(zhì)，如H2S、重金屬離子以及氨氮等，需關(guān)注以上有毒有害物質(zhì)在厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的出現(xiàn)與積累。

1） 厭氧技術(shù)反應(yīng)器類型。

在實(shí)際應(yīng)用中，農(nóng)村、山區(qū)等人口稀疏地區(qū)，下水管網(wǎng)建設(shè)成本高昂，更加適合采用分散式污水處理系統(tǒng)，而戶用沼氣池由于其基礎(chǔ)建設(shè)成本低、管理維護(hù)簡單、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用［33-37］。在中國、印度等地，戶用化糞池應(yīng)用有著悠久的歷史，但由于只能完成可沉降有機(jī)物的分離，僅能去除黑水中30%～40%的有機(jī)負(fù)荷，農(nóng)戶將沼液用于施肥灌溉或?qū)⒄右号湃氲乇硭畷r(shí)仍存在環(huán)境污染隱患及人類健康威脅［38］。

在此基礎(chǔ)上，研究人員研發(fā)了上流式厭氧反應(yīng)器（UASB）、連續(xù)流攪拌反應(yīng)器（CSTR）、厭氧膜生物反應(yīng)器、分階段厭氧流化膜生物反應(yīng)器（SAF-MBR）等一系列厭氧黑水處理系統(tǒng)。Yin 等［39］采用連續(xù)攪拌反應(yīng)器（TPCSTR） 系統(tǒng)對北京科技大學(xué)校園內(nèi)化糞池中黑水進(jìn)行厭氧消化，并通過加熱預(yù)處理的方式滅活病原體。結(jié)果表明，完全滅活病原體（即大腸菌、沙門氏菌、糞鏈球菌） 所需時(shí)間與黑水中總固體含量（TS） 成正比，TPCSTR 工藝在發(fā)酵液TS 為8%，攪拌速度為120 r/min，發(fā)酵溫度（37±1）℃條件下，黑水的最高沼氣產(chǎn)量為453.21 L/（kg·d），污泥停留時(shí)間為25 d。

2） 厭氧技術(shù)影響因素及優(yōu)化方案。

厭氧菌對于溫度、pH、氨氮濃度敏感性較高，因此在對黑水進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注氨抑制的問題，沖洗水體積將顯著影響黑水中氨氮濃度，在采用厭氧技術(shù)對真空廁所黑水、旱廁黑水進(jìn)行處理時(shí)，黑水氨氮濃度可達(dá)到氨抑制水平，降低產(chǎn)甲烷速率及效率。目前可通過向發(fā)酵液內(nèi)投加零價(jià)鐵粉末［40］、活性炭粉末［41］、產(chǎn)氫型甲烷菌［42］，或增設(shè)蒸發(fā)池［3］，與餐廚垃圾共消化［43］等方式，提高甲烷菌群整體活性，促進(jìn)甲烷產(chǎn)生。Xu 等［40］研究發(fā)現(xiàn)，低劑量（0.5～1.0 g/L） 的納米級零價(jià)鐵可以提高甲烷產(chǎn)量，這可能是由于納米級零價(jià)鐵增補(bǔ)系統(tǒng)中氧化還原電位（ORP） 的降低及水解酸化的改善。然而，投加高劑量（10 g/L） 的納米級零價(jià)鐵會(huì)導(dǎo)致厭氧消化反應(yīng)器中的pH 升高（＞8.5），使得游離氨對甲烷菌的抑制更加顯著，黑水生化甲烷潛力（BMP） 反而降低。Florentino等［41］研究了顆?；钚蕴浚℅AC） 對不同類型便器所得黑水厭氧發(fā)酵過程的影響，其中向高濃度黑水（沖洗水體積為1 L） 厭氧發(fā)酵液添加33.3 g/L顆?；钚蕴亢?，黑水產(chǎn)甲烷潛力提升最為顯著，漲幅達(dá)到53.1%。餐廚垃圾作為一種C/N 較高的有機(jī)廢物，將其與黑水共消化可以調(diào)節(jié)發(fā)酵底物的C/N，使得混合底物的C/N 達(dá)到厭氧發(fā)酵的最佳比值。Zhang 等［43］將黑水與餐廚垃圾混合發(fā)酵，當(dāng)黑水與餐廚垃圾揮發(fā)性固體（VS） 比值為1∶2和1∶3 的情況下，發(fā)酵底物的VS 去除效率分別為85%±7%和83%±6%，而黑水單獨(dú)厭氧處理的VS去除率僅為34%±1%，黑水單獨(dú)厭氧處理平均產(chǎn)甲烷潛力為（449±32） mL/g，而加入餐廚垃圾VS 比為1 ∶2 和1 ∶3 后，底物產(chǎn)甲烷潛力增加至（680±58） mL/g 和（630±52） mL/g，在黑水/餐廚垃圾VS 比為1∶2 的條件下，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌為優(yōu)勢甲烷菌群。

除傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)外，也有學(xué)者認(rèn)為可將厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用于黑水處理。Zhou 等［44］在固定膜連續(xù)流反應(yīng)器（IFAS-CFR） 中，通過亞硝化-反硝化/厭氧氨氧化兩步法處理高濃度黑水。該系統(tǒng)對黑水中NH4+-N、NO2-N、總氮（TN） 和COD去除率分別為80%、82%、76%和78%。厭氧氨氧化和反硝化步驟分別占總氮去除量的44%～48%和52%～56%。該技術(shù)能夠有效去除黑水中大部分有機(jī)物及氮磷，但其缺點(diǎn)在于厭氧氨氧化菌培養(yǎng)難度大，系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)成本高，管理技術(shù)要求高，且無法回收黑水中可再生資源，因此實(shí)際工程中很少應(yīng)用該類技術(shù)［45-48］。

黑水厭氧處理技術(shù)作為發(fā)展歷史最為悠久的黑水無害化及資源化技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠回收沼氣能源，且可獲得高附加值產(chǎn)物有機(jī)肥料，相比其他黑水處理技術(shù)，厭氧技術(shù)對于黑水中碳、氮、磷、鉀資源回收率較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但厭氧技術(shù)的缺點(diǎn)也非常明顯，如運(yùn)行穩(wěn)定性較差、有機(jī)物降解不夠徹底、運(yùn)行周期長、運(yùn)行維護(hù)過程風(fēng)險(xiǎn)較高等。目前我國黑水厭氧處理技術(shù)主要以戶用沼氣池及糞便消化站的形式推廣應(yīng)用，該技術(shù)較適用于農(nóng)村、山區(qū)等難以建設(shè)下水管網(wǎng)的地區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)黑水就地?zé)o害化及資源化處理。

2.2 黑水物理化學(xué)處理技術(shù)

相較于生物處理技術(shù)，物化技術(shù)穩(wěn)定性更高，工藝調(diào)試周期短，處理效果不易受到溫度等外界環(huán)境因素影響。電化學(xué)技術(shù)可在實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，降解有機(jī)物的同時(shí)，通過電解產(chǎn)生的氯氣對黑水進(jìn)行消毒，具有占地面積小、運(yùn)行周期短、處理效率高、出水品質(zhì)好的優(yōu)勢［49-52］。

2.2.1 電化學(xué)技術(shù)

杜克大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已研發(fā)了一套基于電化學(xué)技術(shù)的黑水就地處理系統(tǒng)，處理后的液體可作為沖洗水重復(fù)使用，因此整套系統(tǒng)無需外接上下水管網(wǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可通過減少電解池中污水COD和總懸浮固體（TSS） 含量，以提高電化學(xué)氧化過程效率［53］。該系統(tǒng)于南非德班某公共廁所進(jìn)行實(shí)地測試，運(yùn)行8 個(gè)月，黑水處理工藝由固液分離、二次沉降、活性炭過濾以及電化學(xué)處理4 個(gè)步驟組成，研究結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠持續(xù)滅活病原體（大腸桿菌和大腸菌群），并降低廢水COD 和TSS含量，兩者去除率分別可達(dá)85%及65%，該系統(tǒng)對黑水濁度降低效果最為顯著，處理后，黑水濁度下降了97%，出水符合ISO 30500 B 類標(biāo)準(zhǔn)［54］。

但在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)技術(shù)仍存在電極結(jié)垢或腐蝕的問題。混合金屬氧化物電極在氧化電勢下是有效的電解氯生成器，但這些材料的電化學(xué)性質(zhì)，如電活性特征和低水電解過電位，會(huì)導(dǎo)致電解氧化時(shí)庫侖效率降低。針對該問題，Thostenson 等［55］提出采用摻硼金剛石材料氧化電極對黑水進(jìn)行電化學(xué)處理，這種材料具有電極電活性低、溶劑適應(yīng)范圍廣、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)。結(jié)果表明，與靜態(tài)氧化還原方法相比，動(dòng)態(tài)電化學(xué)技術(shù)可將黑水的消毒能量效率提高24%～124%，這是由于電化學(xué)處理過程引起的高級氧化過程（EAOP） 和sp2-表面鍵合的碳官能團(tuán)的再生作用，它們既可起到催化劑的作用，又起到氧化劑中間體的吸附劑的作用，且通過電位循環(huán)法可將電極結(jié)垢降至最低。Welling 等［56］在印度哥印拜陀某住宅廁所區(qū)展開了為期10 個(gè)月的黑水電化學(xué)處理系統(tǒng)測試。系統(tǒng)處理后出水澄清無色，且水質(zhì)可達(dá)到非下水道衛(wèi)生系統(tǒng)的當(dāng)?shù)睾蛧H排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 微波技術(shù)

除電化學(xué)技術(shù)外，微波技術(shù)也可用于黑水處理。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微波裝置用于處理新鮮黑水污泥時(shí)，對污泥以不同的功率水平和暴露時(shí)間進(jìn)行微波處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)可將污泥量減少70%以上，出水大腸桿菌指標(biāo)的濃度也降低到分析檢測水平以下，且該技術(shù)操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，但能耗較高，可用于緊急情況下對大量密集廁所系統(tǒng)進(jìn)行處置［57］。此外，熱解工藝可利用黑水中固體制備生物炭，其可用作土壤添加劑以提高土壤肥力。Liu 等［58］通過研究發(fā)現(xiàn)，黑水熱解制備生物炭的最佳溫度范圍為500～600 ℃，當(dāng)黑水含水率低于57%時(shí)，該系統(tǒng)能夠在制備生物炭的同時(shí)輸出能量，可以為附近的用戶提供熱源。孫金風(fēng)等［59］對水熱碳化技術(shù)用于廁所黑水源分離處理進(jìn)行了研究，提出了一種基于水熱碳化的廁所黑水處理系統(tǒng)。水熱反應(yīng)為自壓反應(yīng)，在反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓，反應(yīng)完成后反應(yīng)釜打開，此時(shí)會(huì)破壞高壓狀態(tài)，使得反應(yīng)釜內(nèi)的水發(fā)生劇烈沸騰產(chǎn)生大量水蒸氣并攜帶大量氣化潛熱。氣體排出后，剩余反應(yīng)產(chǎn)物主要為水熱碳和水的混合物。在200、210、220、230、240 ℃，20、30 min 反應(yīng)停留時(shí)長下設(shè)置試驗(yàn)，分析對比了反應(yīng)產(chǎn)物的真空抽濾時(shí)長和濾渣含水率。結(jié)果表明：在200 ℃、20 min，200 ℃、30 min 和210 ℃、20 min 3 組反應(yīng)條件下抽濾時(shí)長大于3 min，其余反應(yīng)條件下均小于1 min，隨著反應(yīng)溫度的升高濾渣的含水率逐漸下降。以200 人/d 的處理量對系統(tǒng)的成本和能耗進(jìn)行了估算，系統(tǒng)成本和人均處理費(fèi)用分別為10.3萬元和0.08 元?？蓪谒疅岱磻?yīng)所產(chǎn)固體進(jìn)行資源化利用，如用作土壤改良劑或作為燃料補(bǔ)充。

黑水物化處理技術(shù)的優(yōu)勢在于運(yùn)行穩(wěn)定性高。生物處理技術(shù)處理效果易受到環(huán)境變化的影響，如溫度和pH 變化，但物化處理反應(yīng)器常采用電解、熱解等方式處理黑水，不易受到外界影響，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中處理效果更為可靠。但物化處理技術(shù)同樣存在耗能高，易產(chǎn)生二次污染的問題，且通常需要另加后續(xù)處理單元來達(dá)到無害化處理的目標(biāo)，導(dǎo)致反應(yīng)器建設(shè)成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也相對較高。

2.3 黑水綜合處理技術(shù)

近年來，由于對模塊化、一體化黑水處理裝置的需求不斷增加，包含多種生物、物化處理單元的黑水綜合處理技術(shù)迅速發(fā)展。

2.3.1 綜合處理技術(shù)類型

張文兵［60］以某高鐵動(dòng)車段高濃度糞便污水為設(shè)計(jì)對象，處理規(guī)模為610 m3/d，進(jìn)水水質(zhì)COD為3 300 mg/L，氨氮為1 500 mg/L。采用厭氧氨氧化-MBR 處理的主體工藝，主要包括調(diào)節(jié)池、IC 反應(yīng)器、高負(fù)荷曝氣池、一沉池、厭氧氨氧化反應(yīng)器和MBR 反應(yīng)器，出水水質(zhì)能夠達(dá)到GB 8978—1996 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的二級標(biāo)準(zhǔn)。劉洪波等［61］設(shè)計(jì)了1 套耦合微生物電化學(xué)技術(shù)的黑水處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)黑水的同步脫氮除碳過程，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上考察了厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）、微生物燃料電池（MFC） 以及微生物電解池（MEC）等3 個(gè)反應(yīng)器的獨(dú)立啟動(dòng)過程以及耦合（AMM） 反應(yīng)器的同步脫氮除碳效果。采用間歇增加COD 的方式ABR 反應(yīng)器能快速啟動(dòng)，COD 去除率可達(dá)81.2%，對氨氮的最大去除率能達(dá)到50.0%。在啟動(dòng)過程中，雙室型MFC 陰極充入氧氣可很大程度上提高輸出電壓。維持曝氣量為500 mL/min 時(shí)，對COD 和氨氮的去除率可分別達(dá)到90.0% 和95.6%。MEC 啟動(dòng)結(jié)果表明，隨著外加電壓的增大，對氨氮的去除效果逐漸提高，耦合3 種反應(yīng)器的AMM 反應(yīng)器處理效果均優(yōu)于3 個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，出水COD 和氨氮濃度可分別維持在50、28 mg/L以下。朱格仙等［62］為榆林市糞便處理廠設(shè)計(jì)了1套“預(yù)處理+深度處理”的黑水處理工藝：糞便首先經(jīng)過預(yù)處理，去除固渣、沙子及糞渣等固態(tài)懸浮物，預(yù)處理后出水進(jìn)入到生化處理單元，生化處理單元采用了生化（RBS） 與膜處理（TMBR）相結(jié)合的處理技術(shù)。生化處理技術(shù)具有操作簡單、穩(wěn)定、投資費(fèi)用小的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是占地面積相對較大。RBS 技術(shù)有效克服了糞便廢水處理中高氨氮對生化的影響，配合TMBR 技術(shù)的應(yīng)用使處理出水氨氮和懸浮物濃度達(dá)到GB 8978—1996 要求，但該工藝處理出水的COD 含量仍在200～800 mg/L，色度在100 左右，不能達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，后續(xù)處理設(shè)計(jì)采用HTRO 反滲透膜處理技術(shù)進(jìn)行濃縮過濾。預(yù)處理單元中得到的糞渣、生物處理單元中得到的污泥以及反滲透單元中所產(chǎn)濃縮液均可作為有機(jī)肥料回收再利用。

2.3.2 綜合處理技術(shù)優(yōu)勢

隨著國內(nèi)外污水排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高，未來黑水綜合處理技術(shù)將逐漸成為主流應(yīng)用技術(shù)。單一黑水處理技術(shù)或黑水資源化處理技術(shù)通常存在降解不夠徹底，出水污染物濃度無法達(dá)標(biāo)排放的問題，而黑水綜合處理技術(shù)可以通過多種技術(shù)的耦合，針對工程應(yīng)用場景、黑水性質(zhì)特性等作出對應(yīng)設(shè)計(jì)，結(jié)合多種技術(shù)的優(yōu)勢，達(dá)到最佳處理效果。

3 黑水無害化和資源化應(yīng)用實(shí)例

歐洲各國最早開始嘗試將黑水單獨(dú)收集并采用分散式污水處理工藝進(jìn)行處理。好氧技術(shù)中，堆肥工藝試點(diǎn)項(xiàng)目較多，如斯洛文尼亞自然公園采用了一種蒸發(fā)-堆肥-再循環(huán)的零排放生態(tài)衛(wèi)生廁所，該系統(tǒng)能夠在水資源與能源消耗極低的條件下運(yùn)行，且維護(hù)成本低。從真空廁所中收集的黑水經(jīng)過濾器（PFs） 固液分離，液體部分在生物過濾器（BF） 中進(jìn)行處理，最后由太陽能驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)器（EM） 中蒸發(fā)，固體部分進(jìn)入好氧堆肥單元降解大顆粒有機(jī)物。過濾器能夠?yàn)V除黑水中96.5%以上直徑超過1 mm 的顆粒物。系統(tǒng)運(yùn)行100 d 后，通過硝化作用減少的氨可達(dá)55.8%，堆肥所得肥料保留了黑水中21.2%的總磷，蒸發(fā)器中還保留了5%的總磷。蒸發(fā)所用溫度高于60 ℃，以防止病原體釋放到環(huán)境中。該系統(tǒng)每日總耗電量為5.1 kWh，但以回收所得水資源及肥料計(jì)算所得日產(chǎn)能可達(dá)9.1 kWh，成功地集成了在處理黑水的同時(shí)回收營養(yǎng)物和去除病原體［63］。

近年來黑水厭氧處理技術(shù)的應(yīng)用案例也越來越多，Sharma 等［64］將UASB 反應(yīng)器應(yīng)用于印度某校園的內(nèi)源分離廁所黑水的厭氧消化，該系統(tǒng)對黑水中COD 去除率可達(dá)72.6%，但對黑水中氨氮去除率較低，僅為23.9%，因此黑水中大部分氨氮仍存在于沼液中。Gao 等［42］采用UASB 反應(yīng)器對艾伯塔大學(xué)校園（加拿大埃德蒙頓） 內(nèi)真空抽水馬桶收集的高濃度黑水進(jìn)行中溫厭氧消化試驗(yàn)（35℃）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑水COD 負(fù)荷率高達(dá)4.1 kg/（m3·d）時(shí)（水力停留時(shí)間2.6 d），COD 去除效率仍可達(dá)到84%±5%，每日甲烷產(chǎn)量為單位反應(yīng)器容積（0.68±0.08） m3。UASB 反應(yīng)器能夠?qū)⒑谒写蟛糠钟袡C(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣能源［65-66］，但由于病原菌去除不徹底，沼液氮磷殘留量大［67］，反應(yīng)器內(nèi)黑水發(fā)酵液在完成產(chǎn)氣階段后仍需進(jìn)入后續(xù)處理單元進(jìn)行消毒或脫磷脫氮處理［68］。厭氧MBR 則可以將大顆粒有機(jī)物乃至病原菌與沼液分離［69-71］。Shin 等［72］采用SAF-MBR 處理韓國富川污水處理廠內(nèi)生活污水，在連續(xù)運(yùn)行485 d 后，無需化學(xué)清潔膜，總水力停留時(shí)間為4.6～6.8 h，夏季和冬季的COD 去除率分別為94%和90%，BOD5的去除率分別達(dá)到98%和90%，平均出水COD 均低于23 mg/L，BOD5低于9 mg/L，系統(tǒng)產(chǎn)甲烷耗能僅為0.23 kWh/m3，且能耗可通過更換液壓裝置進(jìn)一步降低。相關(guān)黑水厭氧處理技術(shù)處理效果見表1。

表1 黑水厭氧處理技術(shù)處理效果

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為降低黑水處理周期時(shí)長，提高污水處理效果，常采用厭氧-好氧技術(shù)結(jié)合工藝，其中人工濕地技術(shù)以其良好的處理效果及附加生態(tài)景觀價(jià)值受到了眾多研究者的推崇。在巴西密西西比州1 戶9 人家庭中，Paulo 等［6］建設(shè)了1 套黑水蒸發(fā)結(jié)合人工濕地的處理系統(tǒng)，黑水經(jīng)蒸發(fā)濃縮后進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)氣結(jié)束后沼液與盥洗污水一起排入人工濕地，污水逐漸流經(jīng)濕地內(nèi)厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)進(jìn)行脫氮除磷及有機(jī)物降解過程。經(jīng)過400 d 的運(yùn)行證明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，厭氧消化單元對COD 和BOD 的平均去除率分別為45%和80%，而經(jīng)過垂直流人工濕地處理后，COD 去除率可達(dá)90%，且濕地出水中大腸桿菌等病原菌含量均低于灌溉回用水標(biāo)準(zhǔn)。Jin等［73］則直接以滴灌的方式將黑水排入垂直流濕地進(jìn)行原位處理，研究了HRT 和滴灌頻率對處理性能的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對氨氮和總磷酸鹽的去除率隨著HRT 的增加而增加，并且滴水頻率對TP 去除率有顯著影響。微生物分析結(jié)果表明，微生物群落的多樣性沿垂直和水平方向沒有明顯變化，但在垂直方向優(yōu)勢種發(fā)生了改變，從液面往下，異養(yǎng)硝化和反硝化細(xì)菌逐漸減少，而自養(yǎng)硝化細(xì)菌，尤其是氨氧化細(xì)菌逐漸增多。

與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模黑水處理研究相比，實(shí)際工程應(yīng)用案例中黑水COD 去除率與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所得結(jié)果基本相符，但對于碳、氮、磷及鉀資源的回收率普遍較低。在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)后可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際工程應(yīng)用中易出現(xiàn)有機(jī)物降解不徹底、管道結(jié)垢、環(huán)境溫度變化等不利影響因素，因此應(yīng)進(jìn)一步探究黑水處理技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)化方案。

4 結(jié)論與展望

隨著污水處理系統(tǒng)由集中式向分散式轉(zhuǎn)變，黑水單獨(dú)處理逐漸受到重視，研究者們已經(jīng)設(shè)計(jì)研發(fā)出越來越多的黑水無害化及資源化處理技術(shù)。但大部分新型生態(tài)處理系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模或中試規(guī)模，一方面由于系統(tǒng)的實(shí)際操作、運(yùn)行、調(diào)試環(huán)節(jié)仍然存在各種各樣的問題，需要不斷改進(jìn)和完善；另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口劇增，能源和資源危機(jī)已經(jīng)成為人類必須面對的問題和挑戰(zhàn)，如何在無害化處理黑水的同時(shí)，盡可能回收黑水中可再生資源將成為新的研究熱點(diǎn)。

未來黑水處理將趨向一體化集成黑水處理系統(tǒng)發(fā)展。在選擇處理技術(shù)時(shí)，除了技術(shù)本身的性價(jià)比和可靠性，也需要結(jié)合考慮居民文化及習(xí)俗、便器沖洗類型、當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)等因素，因地制宜選擇合適的黑水綜合處理技術(shù)。深入研究這些問題，將進(jìn)一步推動(dòng)黑水處理技術(shù)發(fā)展，從而逐漸緩解目前糞污廢水排放帶來的污染問題。