0 引　言

船舶生活污水主要指船舶厕所的粪便冲洗水，具有水质浓度高，水质水量波动性大等特点，这要求船舶生活污水处理系统具有高效的处理能力、抗冲击负荷的能力，对船舶运动的动力效应及恶劣的机舱环境，具有较好的适应性^[1]。目前主流的船舶生活污水处理装置采用生物处理法，又以生物接触氧化法为典型。在技术研究上，陈志莉等^[2]采用生物接触氧化法处理模拟船舶生活污水中试，在进水平均水质COD=560～650 mg/L，NH₃-N=25～40 mg/L，HRT=3.5 h，出水水质符合我国及MEPC.107（49）排放标准；在装置上，WCMBR装置采用序批式生物接触氧化法+膜组件，出水水质符合IMO.MEPC 159（55）排放要求^[3]。

生物接触氧化法利用附着生物膜或悬浮污泥将污水COD，BOD，TSS等污染物有效去除，生物接触氧化装置中含有一定量的悬浮污泥，一方面易于引起后继膜组件膜污染，频繁反冲洗或清洗，影响膜的使用寿命；另一方面污泥的回流和排放系统，增加了维护管理及污泥的处理压力大。相对于生物接触氧化法，曝气生物滤池有以下优势：1）通过滤料的截留作用，出水含泥量少，缓解后继泥水分离和污泥处理压力；2）结构简单，不需要污泥的回流，减轻维护管理工作量；3）选用强吸附性滤料，有利于强化有机物和氮去除性能。能否用曝气生物滤池替换WCMBR中生物接触氧化柜，基于该问题，本文提出用曝气生物滤池处理处理模拟船舶生活污水。

1 材料与方法 1.1 实验装置

实验装置采用实验室构建的多层曝气生物滤池，如图1直径50 cmm，高300 mm，有效容积0.4 L；填料为沸石，分3层布置以利于生物沸石、污水、氧充分接触；顶部进水，底部曝气；管1#作为反冲洗进水管、排水管、取样管、放空管，管2#作为反冲洗出水管；间歇运行。

1.2 进水水质

进水采用由NH₄Cl，K₂HPO₄，NaH₂PO₄，MgSO₄等试剂按比例溶于自来水配制而成，NH₃-N=40～60 mg/L并用葡萄糖调节COD=150～2 100 mg/L，模拟废水的pH约8.5。

1.3 滤料

滤料采用经盐酸、硫酸、NaCl改性处理的40目沸石。沸石具有特殊的晶体结构，孔隙率高、比表面大、离子交换能力强、吸附能力大，是微生物附着生长的良好载体，沸石生物膜已被广泛应用于生活污水、工业废水处理及污水脱氮除磷中^{[4 – 9]}，但用于处理船舶生活污水的报道并不多。

1.4 分析方法

COD：采用密封消解分光光度法；NH₃-N：纳氏试剂分光光度法。

1.5 曝气生物滤池的挂膜培养

接种污泥来源于镇江市某城市污水处理厂曝气池污泥。在反应器中加入活性污泥，COD=1 500 mg/L、NH₃-N=42 mg/L的模拟船舶生活污水，曝气，每24 h沉淀后排出上清液，重新补充COD=1 500 mg/L的模拟船舶生活污水。3 d后，排出污泥，低COD进水，并逐渐提高进水COD（150～400 mg/L），维持NH₃-N=42 mg/L，HRT=6 h，过量曝气，T=30 ℃，pH=8.5左右，间歇运行10个周期后，沸石表面颜色加深，反应器内壁肉眼可见大量絮状体附着，当进水COD=376.57 mg/L，NH₃-N=42 mg/L，出水COD=55.53 mg/L，NH₃-N=5.53 mg/L，两者去除率分别为85.28%和86.83%，至此挂膜培养完成。继续运行数个周期，开展实验。

2 结果与讨论 2.1 HRT的确定

进水COD=390.86 mg/L，NH₃-N=56.74 mg/L，过量曝气，T=30 ℃，pH=8.5，间歇取样分析。由图2可见，反应初期，由于较高的底物浓度和沸石高效的吸附性能，COD和NH₃-N去除速率较快；随着反应的进行，底物浓度的降低，两者的去除速率逐渐降低（COD尤为明显）；反应180 min，两者去除率达94.56%和87.63%。以COD为主要去除对象，结合NH₃-N的处理效果，初步确定反应体系HRT=1.5 h。由于硝化细菌为自养细菌，世代周期长，在ZBAF生态系统中，硝化细菌不占优势，尤其在低HRT（1.5 h）的情况下去除效果欠佳（69.01%）。

2.2 温度对COD，NH₃-N去除的影响

进水COD=379.42 mg/L，NH₃-N=62.20 mg/L，过量曝气，pH=8.5，HRT=1.5 h，T=20～50 ℃。由图3可见，沸石曝气生物滤池对温度具有较好的适应性，即能适应船舶机舱温度的波动。在20 ℃～50 ℃，COD和NH₃-N去除率先增大后降低，最佳运行温度为分别为40 ℃左右（COD去除率94.81%）和30 ℃左右（NH₃-N去除率71.99%）。考虑实船运行能耗问题，船舶污水温度，结合COD和NH₃-N去除效果，后继运行T=30 ℃。

2.3 pH对COD，NH₃-N去除的影响

进水COD=382.29 mg/L，NH₃-N=58.94 mg/L，过量曝气，HRT=1.5 h，T=30 ℃，控制pH=5～10。由图4可见，沸石曝气生物滤池对pH适应范围较广，pH=5～10，COD和NH₃-N去除率分别维持在91%和61%以上（pH=7～9，NH₃-N去除率＞68%），两者都有先上升后下降的趋势，最佳pH为8左右，去除率分别为95.96%和71.68%。考虑碱性环境对船舶设备的腐蚀性，结合COD和NH₃-N去除效果，后继运行pH=7。

2.4 曝气量对COD，NH₃-N去除的影响

进水COD=379.42 mg/L，NH₃-N=58.94 mg/L，pH=7，HRT=1.5 h，T=30 ℃，Q=0.08～0.6 L/min。由图5可见，Q=0.08～0.6 L/min，随曝气量的变化，COD和NH₃-N去除率先增大后降低，COD和NH₃-N的最佳曝气量为0.16 L/min和0.4 L/min，去除率分别为95.77%和72.23%。根据双膜理论^[10]，有限地提高曝气量，有利于提高生物膜内溶解氧浓度，相应提高好氧微生物的活性及生物降解速率；曝气量过大，受氧的平衡溶解度限制，溶解氧不再增加，过强的湍流反而造成溶解氧的解析与生物膜的脱落，导致出水水质降低。从经济性出发，结合COD和NH₃-N去除效果，本实验最佳曝气量Q=0.16 L/min。

2.5 底物COD浓度对COD去除的影响及进出水底物浓度相关性

COD是船舶生活污水重要的有机指标之一，其进水底物浓度也是影响COD去除的重要因素，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，维持进水NH₃-N=51.24 mg/L，调节进水COD浓度，探讨进水底物浓度对COD去除的影响。由图6可见，反应器对底物COD浓度具有较好的抗冲击负荷的能力，COD=364.57～2 068.57 mg/L，去除率维持在90%以上，随着底进物浓度（S₀）的增加，出水COD（S_e）增加，且S₀与S_e近乎呈线性关系（R²=0.982 3）。

根据IMO.MEPC227（64）决议，船舶生活污水排放标准COD≤125 mg/L，以S_e=125 mg/L计，则S₀=1 560.86 mg/L，即当进水COD≤1 561 mg/L，能保证出水COD≤125 mg/L。

关于生物膜反应器中进出水底物的相关性，刘雨提出S₀-S_e模型^[11]：

${S_e} = K{S_0}/({S_{oc}} - {S_0}) + {S_{en}}\text{，}$

(1)

式中：S_oc为临界进水底物浓度，即理论最大进水底物浓度（mg/L）；S_en为生活污水中非生物降解的底物浓度（mg/L），污水由葡萄糖配制，故S_en=0；K为浓度系数。对式（1）两边取倒数，得

$1/{S_e} = {S_{oc}}/K{S_0} - 1/K\text{，}$

(2)

用该模型拟合1/S₀–1/S_e关系如图7，其中K=28.90，S_oc=1 573.80 mg/L。

当进水底物负荷大于底物去除率，增加单位进水底物浓度就会引起相应的出水水质的变化，该生物膜反应器被定义“被底物击穿”，故方程（1）的稳定性满足边界条件：dS_e/dS₀=1，此时的进水底物浓度S₀被称为实际临界进水底物浓度 $S_{oc}^p$ ，由此得：

$S_{oc}^p = {S_{oc}} - {\left( {K{S_o}_c} \right)^{1/2}}\text{。}$

(3)

将所得的K=28.90，S_oc=1 573.80 mg/L代入式（3），该反应器实际所能承受的最大进水底物浓度 $S_{oc}^p$ =1 360.53 mg/L。这可解释图6中现象：当进水底物浓度较小（COD＜799 mg/L），COD去除率曲线随进水浓度增加而降低；当进水底物浓度适中（COD=799～1 440 mg/L），COD去除率曲线较为平缓（维持在93%左右）；当进水底物浓度超过临界值（COD＞1 440 mg/L），COD去除率随进水浓度增加而降低。

从排放标准和S₀-S_e模型综合考虑，该反应器的最大进水COD浓度设置为1 361 mg/L。当进水COD高于此值时，可通过增加停留时间，以保证出水COD达标排放。

2.6 反冲洗对COD、NH₃-N去除的影响

进水COD=798.86 mg/L，NH₃-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，曝气量Q=0.16 L/min，研究反冲洗对出水水质的影响。由图8可见，反冲洗后出水水质有较大改善，COD，NH₃-N去除率分别由冲洗前（0周期）的94.49%和60.28%上升至98.78%和78.48%，且随着运行周期的增加（1～4周期），去除率逐渐降低。由此可见，当出水水质恶化时，反冲洗是改善水质的又一有效途径。

2.7 反应动力学

在当进水COD=720 mg/L，NH₃-N=52 mg/L，T=30 ℃，pH=7，Q=0.16 L/min，间歇取样检测反应系统中COD，NH₃-N值，研究反应动力学。滤池中COD的去除可表示为^{[12, 13]}：

$\frac{{{\rm{d}}C}}{{{\rm{d}}t}} = - k{C^\alpha }C_x^\beta \text{，}$

(4)

式中：C为COD或NH₃-N的浓度（mg/L）；k为反应速率常数；C_x为微生物的浓度（mg/L）；α为COD或NH₃-N的反应级数；β为微生物的反应级数。

滤池中的微生物主要以生物膜的形式存在，可认为微生物过量，即 $C_x^\beta $ 恒定。若α=1，则COD或NH₃-N的去除速率对其浓度为一级反应，即

$\frac{{{\rm{d}}C}}{{{\rm{d}}t}} = - kC\text{，}$

(5)

得：

$C = {C_0}{e^{ - kt}}\text{。}$

由图9可见，滤池的反应动力学方程为：C_COD=720e^{–0.314 1t}，C_NH3-N=52e^{–0.013 1t}，两者均符合一级反应动力学方程。

2.8 船舶适应性研究

进水COD=798.86 mg/L，NH₃-N=56.45 mg/L，T=30 ℃，pH=7，HRT=1.5 h，Q=0.16 L/min，反冲洗后，研究船舶在倾斜（30°）、摆动（随机）对出水COD的影响。由图10可见，在倾斜和摇摆情况下，COD和NH₃-N去除率略有下降（摇摆略好于倾斜），仍维持在96%，68%以上，可见ZBAF对船舶环境具有较好的适应性，能在任何平面上倾斜22.5°仍能运行的要求。系统处于平稳状态时，滤池内部气流分布较为均匀，气、液相及填料内生物膜的氧的传质较为稳定；当系统发生倾斜时，由于气流的上升作用，气流偏于一侧，导致局部位置供氧不足，出水水质降低；当系统处于剧烈的摇摆状态时，一方面气水湍流促进了氧的溶解和均匀分布，另一方面较强的湍流加剧了氧的解析和生物膜的脱落，出水水质略有降低。

3 结　语

用间歇运行的沸石曝气生物滤池处理船舶生活污水的研究表明：

1）ZBAF对COD和NH₃-N有较好的去除能力，在HRT=1.5 h，T=30 ℃，pH=7，Q=0.18 L/min，进水COD=798.86 mg/L，NH₃-N=56.45 mg/L，出水水质COD=48.41 mg/L，NH₃-N=14.78 mg/L，两者去除率分别为93.94%和73.82%，且反冲洗能有效的改善水质。

2）从排放标准和S₀-S_e模型综合考虑，装置进水最大COD浓度约为1 361 mg/L；装置中COD，NH₃-N的去除反应符合一级动力学方程。

3）对船舶环境具有较好的适应性，船舶发生倾斜、摇晃，出水水质略有下降，且摇摆略好于倾斜。

4）与陈志莉等^[2]运行的生物接触氧化法处理模拟船舶生活污水的数据对比表明，沸石曝气生物滤池（HRT=1.5 h）对COD的去除效果远优于生物接触氧化装置（HRT=3.5 h），且抗冲击负荷强；但由于HRT短（1.5 h），滤池对NH₃-N的处理受到影响（最高去除率为78%），研究也发现适当增加HRT可明显改善NH₃-N去除效果。综上所述，在WCBMBR装置中将沸石曝气生物滤池取代生物接触氧化柜具有可行性。