於勝洪，夏 瑜，張 麗，王海靜，王 君

（蘇州首創(chuàng)嘉凈環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215126）

0 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，河道環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，船舶作為內(nèi)河航運(yùn)中的交通工具，也是一種流動(dòng)污染源，船舶生活污水的排放對(duì)內(nèi)河及湖泊、水庫(kù)的影響加劇。為減少向內(nèi)陸河流直接排放生活污水，2019年交通運(yùn)輸部海事局發(fā)布的《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》明確規(guī)定：自2020年6月1日起，新建內(nèi)河船舶要配備生活污水處理或貯存裝置。各方均在努力消減沿線主要污染物的排放總量，控制入河污染物總量達(dá)標(biāo)，確保航運(yùn)內(nèi)河保持優(yōu)良水體。

內(nèi)河航運(yùn)中多數(shù)船舶類型為常住人口5 人以下（400 t 以下）的船舶，按照人均日排水量70 L 計(jì)，每天產(chǎn)生的污水污物總量約350 L，由于此類船舶的船艙空間較小，目前多數(shù)船舶只裝設(shè)“糞尿水”的收集貯存裝置，定期集中排放到岸上指定的接收裝置中[1]。該貯存裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，一旦儲(chǔ)存達(dá)到飽和，將不可避免的排入河道。由于此類儲(chǔ)存裝置容積有限，對(duì)于其它洗滌排水不作收集，直接排入河道，無(wú)法滿足保持航運(yùn)內(nèi)河優(yōu)良水體的要求。而市場(chǎng)上現(xiàn)有船舶生活污水處理裝置額定使用人數(shù)為10 人以上，多數(shù)采用生物接觸氧化法和加氯消毒來(lái)處理船舶生活污水，處理工藝流程長(zhǎng)，操作復(fù)雜，且裝置體積較大，無(wú)法在5 人以下船舶中使用。

由于常住人口5 人以下船舶每天產(chǎn)生的污水污物量較少，處理設(shè)備需要微型化，以保證船舶生活污水達(dá)標(biāo)排放和少量污物集中上岸的要求[2]。根據(jù)相關(guān)資料，采用MBR 膜法處理工藝能使船舶生活污水處理后的排放水達(dá)到IMO MEPC.159(55)的排放要求[3]。結(jié)合10 人以上船舶污水處理裝置的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套體積小、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的A/O-MBR處理工藝的處理裝置。經(jīng)過4 個(gè)多月的運(yùn)行測(cè)試，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到了GB 3552—2018 《船舶水污染排放控制標(biāo)準(zhǔn)》中船舶生活污水污染物排放限值（三）中的要求。

1 處理裝置與工藝流程

船舶生活污水處理裝置正視和俯視示意見圖1。由圖1可以看出，該裝置采用“原水→缺氧粉碎區(qū)→好氧MBR 區(qū)→紫外消毒→出水”的工藝流程。外殼采用碳鋼材質(zhì)，上下合蓋形式，該裝置主要由主體裝置、粉碎泵、空氣泵、曝氣系統(tǒng)、MBR 膜組、產(chǎn)水泵、反洗泵、液位計(jì)、紫外消毒裝置及進(jìn)出水管路等部分組成。

圖1 船舶生活污水處理裝置示意

船舶生活污水處理裝置內(nèi)部通過隔板分成缺氧粉碎區(qū)和好氧MBR 區(qū)2 個(gè)區(qū)域，生活污水從上部入口進(jìn)入裝置。缺氧粉碎區(qū)內(nèi)的粉碎泵間歇循環(huán)運(yùn)行，將混有顆粒雜質(zhì)的泥水粉碎和硝化液充分混合，完成生物脫氮和釋磷過程，同時(shí)避免水中大顆粒固體雜物對(duì)MBR 膜造成損害[4]。在好氧MBR 區(qū)中超短型中空纖維膜組件底部采用環(huán)形穿孔曝氣管對(duì)MBR 膜進(jìn)行曝氣沖刷，通過曝氣沖刷的方式來(lái)控制膜污染[5]。由于MBR 膜的截留使得好氧MBR 區(qū)的污泥質(zhì)量濃度保持在較高范圍完成生物硝化、除碳和吸磷過程。經(jīng)MBR 膜抽吸出的水經(jīng)外置的紫外消毒裝置進(jìn)行消毒。裝置內(nèi)產(chǎn)生的剩余污泥通過粉碎泵定期外排。

1.1 主要設(shè)備參數(shù)

裝置外形尺寸為850 mm×550 mm×950 mm，缺氧粉碎區(qū)容積約146 L，好氧MBR 區(qū)容積約93 L，通過內(nèi)置靜壓式液位計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)的高低水位差，高低位間容積差約40 L；粉碎泵為1 臺(tái)250 W帶切割的管道泵；1 臺(tái)40 L/min 的空氣泵用于好氧供氧、曝氣沖涮膜絲表面和氣提混合液回流；2 臺(tái)15 W 微型自吸泵分別用作MBR 膜的產(chǎn)水泵和反洗泵；1 根12 W 過流式紫外殺菌器對(duì)MBR 膜出水進(jìn)行消毒殺菌；好氧MBR 區(qū)安裝定制的微型柱狀MBR 膜組，有效膜面積約1.8 m2。采用定制開發(fā)的單片機(jī)線路板固定運(yùn)行程序，在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

采用蘇州某市政污水廠的原水作為試驗(yàn)用水，將經(jīng)過格柵去除雜質(zhì)后的污水定時(shí)泵入試驗(yàn)裝置內(nèi)，其原水pH 值為6.6～8.1，COD 質(zhì)量濃度為78～341.5 mg/L，NH3-N 質(zhì)量濃度為15～61 mg/L，TN 質(zhì)量濃度為17～54 mg/L，TP 質(zhì)量濃度為3.04～9.13 mg/L。

采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD 質(zhì)量濃度；采用納氏試劑比色法測(cè)定NH3-N 質(zhì)量濃度；采用過硫酸鹽消解法測(cè)定TN 質(zhì)量濃度；采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP 質(zhì)量濃度；采用雷磁便攜式溶解氧測(cè)定儀DO值；采用990 型pH/電導(dǎo)儀測(cè)定pH 值；采用奧林巴斯CX41RF 進(jìn)行微生物鏡檢。

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)從4月8日開始運(yùn)行至8月26日，考察裝置在不同運(yùn)行條件下的處理能力。通過液位高、低控制進(jìn)水，單次最大進(jìn)水水量約40 L，每日按照早、中、晚分別進(jìn)水2，3 和4 次的方式運(yùn)行，連續(xù)2 次進(jìn)水間隔在10～20 min 之間。好氧MBR 膜區(qū)的自吸泵按照運(yùn)行7 min、停止3 min 的方式連續(xù)抽吸產(chǎn)水，液位達(dá)到設(shè)定的低液位時(shí)暫停運(yùn)行。由于裝置容積受限，MBR 膜組件無(wú)法進(jìn)行日常自動(dòng)藥洗，只能定時(shí)人工將膜組件取出進(jìn)行輪換或清洗，膜通量設(shè)計(jì)取值較小，設(shè)計(jì)膜通量為10 L/(m2·h)。通過定時(shí)啟動(dòng)清水反洗泵對(duì)MBR 膜反洗及24 h 不停曝氣搽洗膜絲，延長(zhǎng)MBR 膜的更換周期。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 COD的去除效果

船舶生活污水處理裝置對(duì)COD 的去除效果見圖2。采用人工培菌方式向處理裝置內(nèi)投加市政污水廠污泥濃縮池的污泥，直至裝置內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度達(dá)到約5 g/L，在連續(xù)悶曝3 d 后，開始正常進(jìn)、出水。使得裝置內(nèi)的污泥質(zhì)量濃度不斷增加并穩(wěn)定在8.5 g/L 左右。由圖2可以看出，原水中COD 質(zhì)量濃度在78～341 mg/L 之間波動(dòng)，但出水中COD 濃度較穩(wěn)定，除培菌啟動(dòng)階段外，出水中COD 平均質(zhì)量濃度為57 mg/L，遠(yuǎn)低于《船舶水污染排放控制標(biāo)準(zhǔn)》中的指標(biāo)，平均去除率為72%。說(shuō)明該裝置有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。COD 去除效果較好是由于裝置內(nèi)維持了較高的污泥濃度，通過連續(xù)氣提回流好氧泥水混合液和缺氧粉碎泵的循環(huán)攪拌，使得缺氧粉碎區(qū)和好氧MBR 區(qū)的污泥濃度均維持在較高水平，有效緩解了原水水質(zhì)和水量波動(dòng)的影響。

圖2 船舶生活污水處理裝置對(duì)COD 的去除效果

2.2 NH3-N 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對(duì)NH3-N 的去除效果見圖3。由圖3可以看出，裝置對(duì)NH3-N 的去除效果較好，平均去除率在95%以上，出水中NH3-N 平均質(zhì)量濃度在1 mg/L 以下，遠(yuǎn)優(yōu)于相關(guān)排放要求。推斷原因是由于好氧MBR 區(qū)的污泥濃度較高，而有機(jī)物濃度較低，絕大部分的NH3-N 在此被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮(NO3--N)，硝化菌生長(zhǎng)很好，通過鏡檢發(fā)現(xiàn)污泥中有大量半圓表殼蟲以及鐘蟲、輪蟲等微生物。

圖3 船舶生活污水處理裝置對(duì)NH3-N 的去除效果

2.3 TN 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對(duì)TN 的去除效果見圖4。由圖4可以看出，裝置對(duì)TN 的去除效果較好，由于原水中TN 濃度相對(duì)較低，出水中TN 平均質(zhì)量濃度為10 mg/L。這主要是由于在缺氧區(qū)存在質(zhì)量濃度高于5 000 mg/L 污泥，在缺氧區(qū)能保證良好的缺氧環(huán)境，將水中大部分NO3--N 反硝化為氮?dú)狻Ｓ捎趪?guó)際海協(xié)環(huán)保會(huì)IMO MEPC.159（55）的排放要求中對(duì)TN沒有要求，而《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》中要求出水中ρ（TN）＜20 mg/L，因此，處理后出水中TN 濃度達(dá)到船舶生活污水污染物排放限值（三）的排放要求。

圖4 船舶生活污水處理裝置對(duì)TN 的去除效果

2.4 TP 的去除效果

船舶生活污水處理裝置對(duì)TP 的去除效果見圖5。由于船艙空間比較狹小，無(wú)法通過投加化學(xué)藥劑進(jìn)行物化除磷，在船舶航行過程中也無(wú)法經(jīng)常排泥除磷，只能在船舶靠岸時(shí)通過粉碎泵抽排裝置內(nèi)泥渣實(shí)現(xiàn)生物除磷。由圖5可以看出，在裝置運(yùn)行的前2個(gè)月，出水中TP 質(zhì)量濃度始終在較低值，均在1 mg/L以下，但2 個(gè)月后，出水中TP 濃度逐漸升高，超出排放限值。這主要是由于前2 個(gè)月好氧MBR 區(qū)的污泥濃度逐漸增加，污泥中吸磷微生物不斷吸收水中的磷酸鹽，當(dāng)污泥質(zhì)量濃度為20 g/L 時(shí)，好氧MBR 區(qū)的污泥粘度顯著增加，好氧溶解氧（DO）質(zhì)量濃度降至2 mg/L 以下，污泥增長(zhǎng)速度趨緩，對(duì)磷酸鹽的吸收基本飽和，導(dǎo)致裝置出水中TP 濃度超標(biāo)。

圖5 船舶生活污水處理裝置對(duì)TP 的去除效果

在通過粉碎泵外排缺氧粉碎區(qū)的泥水降低了裝置內(nèi)的污泥濃度后，出水中TP 濃度迅速降低，裝置內(nèi)的污泥恢復(fù)增殖狀態(tài)，出水中TP 質(zhì)量濃度降低到1 mg/L 以下，達(dá)到船舶生活污水污染物排放限值（三）中的要求。處理裝置依靠污泥增殖實(shí)現(xiàn)吸磷，微生物自身生長(zhǎng)對(duì)磷酸鹽的需求較少，在污泥增殖達(dá)到一定限值時(shí)，吸磷量達(dá)到飽和，出水中TP 濃度升高，此時(shí)需采用人工操作粉碎泵排泥實(shí)現(xiàn)除磷。

3 結(jié)論

（1）船舶生活污水處理裝置采用AO+MBR 處理工藝，經(jīng)4 個(gè)多月的連續(xù)測(cè)試，裝置處理效果顯著，出水中COD，NH3-N 和TN 指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際海協(xié)環(huán)保會(huì)IMO MEPC.159（55）和GB 3552—2018《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

（2）處理裝置在運(yùn)行前2 個(gè)月內(nèi)，隨著污泥濃度增加而不斷吸磷可實(shí)現(xiàn)出水中TP 質(zhì)量濃度低于1 mg/L，達(dá)到GB 3552—2018《船舶水污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求；但運(yùn)行2 個(gè)月后，出水中TP 濃度逐漸升高，需通過定期人工排泥除磷，才能保證出水中TP 濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（3）處理裝置設(shè)置約40 L 容積緩沖調(diào)節(jié)區(qū)，有效緩沖了對(duì)來(lái)水水質(zhì)和水量的沖擊；裝置采用1 臺(tái)粉碎泵和1 臺(tái)空氣泵作為主要?jiǎng)恿υ?，運(yùn)行能耗低；采用單片機(jī)線路板的方式使裝置在預(yù)設(shè)程序范圍內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)行無(wú)人值守，滿足內(nèi)河船舶生活污水對(duì)處理和運(yùn)行的要求。