本研究所采用的污水、污泥均来自位于青岛某地的半集中式分质供排水与资源化系统(semi-centralized resource recovery center，SCRRC)处理中心，该处理中心是国内外第一个基于污水源分离的半集中式分质供排水和资源化工程。图 1为该处理中心的平面布置及实物图，处理模块分为灰水、黑水和厌氧消化产气模块。灰水、黑水的进出水分别取自相应模块生产装置的进水槽和出水储池，污泥取自厌氧消化系统的生污泥储池和消化污泥储池。

灰水处理模块设计处理水量为700 m³·d^-1，各建筑物的灰水通过重力流管道输送至处理中心。灰水处理模块的核心是MBR工艺，其处理流程如下：进水→提升泵→调节池→微细格栅→生化池(缺氧/好氧)→MBR膜池→氯消毒池→清水池→再生水外送泵。

灰水的MBR处理设施由2格生化池和2格膜池组成，单座净尺寸分别为4.7 m×4.2 m×6.7 m和2.9 m×2.5 m×4.2 m，总有效容积为275 m³，设计总HRT为9.4 h，MLSS浓度为10 g·L^-1，设计进水的BOD₅负荷率为0.027 kg·(kg·d)^-1。MBR出水消毒后作为周边居住区、办公区域和酒店的冲厕用水，多余的再生水可以用于道路清扫、洗车或者补充到景观水体。

考虑到居住区的建筑物装修过程中的排水管道可能出现混接现象，在灰水生化池设置了搅拌和曝气2种模式：如果灰水处理模块的进水COD、氮、磷浓度低时，生化池采用完全好氧处理，仅去除以COD为主的有机物即可；如果灰水混接黑水、需要脱氮除磷时，则将2格生化池全部或部分转化为厌氧搅拌模式，充分利用膜区的生物硝化功能，通过控制膜区混合液回流比例及泥龄，形成缺氧/好氧环境，强化多种污染物的去除，达到回用要求^[16]。

黑水处理模块设计处理水量为800 m³·d^-1，采用AAO-MBR工艺，深度处理后的出水主要用于周边区域的绿化浇灌、景观用水补水和道路清洗水，冬季回用水量低时，多余的出水汇入市政管网。本项目的黑水处理模块黑水处理模块的工艺流程如下：进水→提升泵→调节池→细格栅及砂水分离器→初沉池→微细格栅→AAO池→MBR膜池→活性炭过滤罐(可超越)→氯消毒清水池→外供水泵。

黑水处理模块共分2组，可平行运行，每组的生化池与膜池净尺寸分别为24.0 m×4.0 m×7.2 m和5.4 m×2.5 m×4.2 m，总有效容积为628.65 m³，HRT为37.7 h。

黑水处理模块不仅处理来自大小便的总氮，还接收消化污泥压滤液(消化污泥压滤液：厌氧消化污泥经板框压滤机脱水得到的上清液，以下简称压滤液)，故进水氨氮和总氮负荷率高。为提高TN去除效率，黑水处理模块的生化池从前到后共分为6格，其中，第1、2、6格仅设置推流搅拌装置，为缺氧厌氧段；第4、5格仅在底部设置微孔曝气装置，为好氧段；第3格同时布置了微孔曝气和推流搅拌装置，可灵活地调整为缺氧或好氧状态。膜区的混合液先回流至第4格，第5格末端的混合液再回流至生化池的进水端，回流比可调。虽然黑水的C/N正常，但是经过初次沉淀后C/N降低，含有较高的TP，因此，黑水处理模块为满足达标排放(TN≤15 mg·L^-1，TP≤0.5 mg·L^-1)，生化处理时需要采用外加碳源(乙酸钠)和化学除磷等手段强化去除氮磷。此外，由于黑水和压滤液的色度偏高^[17]，为控制再生水的色度，设置了活性炭过滤罐(可超越)。

厌氧消化系统由2个彼此独立的橄榄形厌氧发酵池组成，设有罐底至罐顶的外循环系统。一方面完成消化污泥的排出和生污泥(进入厌氧消化系统之前，储存在生污泥池中的污泥)的排入；另一方面提前加热生污泥。预处理后的餐厨垃圾与污泥在生污泥池混合后，进入消化罐厌氧消化产生沼气。其中，餐厨垃圾与污泥在生污泥池的混合，完成浆液调节与酸化过程，减轻对后续过程的抑制^[18]。沼气先后经过初级过滤、脱硫后至储气罐储存，再经二次过滤和加压操作后进入热电联产装置制热或发电，通过火炬燃烧过量沼气。厌氧消化后的消化污泥定期排放至消化污泥池，再经板框压滤机脱水后外运处置。

厌氧消化罐的单池有效容积为553 m³，设计进入污泥与餐厨垃圾混合物51.6 m³·d^-1 (其中污泥30 m³、餐饮生物垃圾21.6 m³)，厌氧消化时间20 d，满负荷条件下总产气量预计可达到2 100 m³·d^-1。

针对生产性装置的实际处理水量和水质状况，在连续稳定的运行条件下，考察半集中式分质供排水与资源化系统在不同季节和水量等条件下主要处理模块的运行效果，再生水的回用状况、污泥与城市有机质联合厌氧消化产气效率、污泥的泥质特征等，总结整套系统在不同的运行条件、处理负荷下的运行稳定性。

实验中COD的测定采用HACH消解法(DR200、DR2800，美国哈希公司)；NH₃-N、TN分别采用纳氏试剂分光光度法、紫外分光光度法(UV-mini 1800，日本岛津公司)；浊度采用分光光度法(2100 P，美国哈希公司)；色度采用铂-钴比色法；TS、VS的测定采用重量法(DHG-9101.2，上海三发科学仪器有限公司)；沼气产气量、甲烷含量和厌氧消化温度等参数直接根据现场的仪表器械读数。

项目投产并调试正常后，逐步转入正常运行状态。由于项目所在区域属于新建社区，总体处理量低，且受到旅游季节的影响，不同季节的灰水和黑水的水量波动较大，分别为50~150 m³·d^-1和200~350 m³·d^-1。同时项目所在区域的博览会展期结束后，餐饮垃圾产量少，收集困难，为此拓展了其他有机废物的来源，如采用废糖蜜联合厌氧消化产沼气。以2017年11月—2018年5月各处理模块的运行状况总结其性能。

灰水处理模块的进水实测COD、TN、TP浓度超过设计指标，见表 1。根据灰水净化后的利用途径及所需要达到的水质标准，生化池仅开启推流搅拌器，不曝气，采用微氧/缺氧模式运行，实测生化池DO浓度低于0.2 mg·L^-1；而好氧阶段则在膜池内完成，DO为7~8 mg·L^-1，膜池的混合液回流至生化池的进水端，形成交替的厌氧、好氧环境，实现生物脱氮、除磷。

图 2为灰水处理模块的COD去除情况，从不同季节的运行结果来看，灰水的进水COD范围为350~800 mg·L^-1，出水的COD均低于40 mg·L^-1，超过94%的条件下出水COD低于30 mg·L^-1，去除率均超过90%。从运行结果看，灰水存在一定程度的混接现象，致使实际进水COD较高，最高达到设计值的4倍左右，但由于实际处理水量仅为设计值的7.14%~21.43%，COD实际日处理总量仅为设计条件下的34%左右。因此，在当前的混接情况下，灰水的有机物容易去除，从而可使出水的COD仍可以达到较低的水平。当回用水量过剩时，出水COD均可以满足一级A排放标准，直接排放入市政管网或自然接纳水体。

从表 1中可以看出，由于管道的混接，灰水进水TN浓度最高达到了设计浓度的18倍左右，TN实际日处理量仅为(5.89±0.31) kg·d^-1，为设计水平下的1.68倍，然而实际进水量低，回流比高达11.5，同时当前灰水的进水C/N达到7~10，在反硝化过程中有充足的碳源可供反硝化细菌利用，且难降解物质较少。因此，生物脱氮过程中，不用投加外碳源即可达到较好的出水效果。

图 3表示灰水处理模块的TN、NH₃-N的去除情况。灰水的进水NH₃-N浓度范围在30~65 mg·L^-1，出水NH₃-N浓度通常稳定于5.0 mg·L^-1以下，除处理量较低之外，也由于MBR系统的高污泥浓度和长泥龄有助于生物硝化进程^[16]。2017年冬季灰水处理模块的进水量有时出现成倍增加现象，且该阶段生化池的污泥浓度仅2.0~3.5 g·L^-1，导致进水硝化负荷率过高，出水NH₃-N浓度波动，但2017年底以后进水水量稳定，MLSS稳定于9.3~10.0 g·L^-1，系统运行良好，NH₃-N平均去除率达到97%，出水的NH₃-N浓度低于1.0 mg·L^-1，满足多种回用要求。尽管灰水进水的TN浓度远高于设计浓度，但是灰水的碳源丰富，C/N达到7~10，生化池改造为生物脱氮运行后，无需外碳源即可达到良好的TN去除效果。从2017年12月以来，TN的去除率稳定于80%以上，出水TN浓度低于10 mg·L^-1，甚至达到5 mg·L^-1以下。

从图 4可以看出，由于灰水的致色物质少，经过生化处理，绝大部分致色污染物被去除，出水的色度均为15~20度之间，满足回用冲厕的色度要求。MBR膜组件采用平板膜组件，膜的孔径为0.04 μm，高效截留使出水的悬浮物很低，出水浊度不超过0.7 NTU，满足再生水回用冲厕的水质要求。有研究^[19]认为，将再生水的浊度控制在较低的水平，可以有效防止两虫(隐孢子虫、贾第鞭毛虫)污染，一些中水公司也常采用膜工艺来控制出水浊度，达到较好的出水效果。

黑水处理模块的进水量一般在200~350 m³·d^-1。由于进水量不足，目前仅运行一组生化池和膜池。其实测水质与设计进水水质对比如表 2所示。黑水中混入部分污染程度较轻的灰水，污染物浓度相比于设计指标均有所降低。同时由于水量不足，黑水系统COD日处理量仅为(228.24±90.94) kg·d^-1，单线运行时，满负荷条件下COD处理量为516 kg·d^-1，当前条件下COD平均处理量仅为设计条件下的44%左右。由图 5可知，黑水处理模块的进水COD范围在800~1 200 mg·L^-1，COD为最高达到1 500 mg·L^-1，经过MBR处理后，出水COD一般在20~ 40 mg·L^-1之间，最低可达到10 mg·L^-1左右。黑水中颗粒态和悬浮态COD的比例较高^[20]，经过初次沉淀，进入生化池的COD仅有450~600 mg·L^-1左右；再经过生化段和膜池，有机物被充分利用、矿化分解，平均去除率仍然可以达到97%以上。

图 6表示黑水处理模块的TN和NH₃-N的运行效果。黑水处理模块的进水TN介于110~150 mg·L^-1之间，80%以溶解性NH₃-N形式存在。从图 6看出，黑水处理模块的NH₃-N硝化十分彻底，进水的NH₃-N浓度在80~130 mg·L^-1，多月运行的出水浓度低于2.0 mg·L^-1，NH₃-N去除率超过97%。出水的氮主要以NO₃-N形式存在。2017年11—12月的水量有较大波动且黑水模块的运行不稳定，MBR出水的TN较高，平均在20~40 mg·L^-1之间，去除率仅为70%~80%；进入2018年后，出水的TN达到15 mg·L^-1以内，去除率超过92%。通过优化乙酸钠的投加点，投加位置从生化池进水端改为生化池的后置厌氧区(生化池第6格)，提高了外碳源的利用效率^[21]。

多月运行结果表明，黑水处理模块的出水浊度一般低于0.3 NTU，最高不超过0.6 NTU；出水色度最高达到35度，波动性较大。这可能是由于黑水的有机污染物浓度高，致色基团多，生化处理过程未能彻底去除，出水仍含少量致色成分，导致出水色度偏高。目前黑水净化后再生水的色度能满足道路洒水和绿化等要求，主要用于周边区域的绿化和道路洒水等。因此，没有启动黑水处理模块的活性炭过滤罐及后续消毒环节，且未加消毒剂，偶尔出现色度超过回用水要求。

联合厌氧消化与产气模块自运行以来，餐厨垃圾收集难以保障，有时仅以灰水、黑水处理过程中产生的初沉污泥和剩余污泥作为厌氧消化的基质，所产生的沼气通过锅炉转化为热能，维持自身消化池温度。厌氧消化系统从2017年10月开始，采用了高温厌氧消化(55 ℃)的运行模式，持续至12月中旬后逐渐转为中温厌氧消化模式，至2018年2月，消化温度稳定在34~36 ℃之间。厌氧消化罐的污泥进料量仅为5.4~5.6 m³·d^-1 (含水率97%~98%)，为此仅运行了一个厌氧消化池。

从图 7可看出，高温运行条件下，日均产气量可以达到40~60 m³·d^-1，单位生物泥(raw sludge，RS)平均产气率(10.27±5.22) m³，且甲烷含量可以达到70%。从图 7中可以发现，进料量增加时，产气量也随之上升，说明当前情况下厌氧消化系统仍然处于较低的运行负荷，进入厌氧消化系统的有机物量是影响产气量的主要因素。

为考察污泥与城市有机质协同厌氧消化产气的效果，从2018年3月开始，厌氧消化系统进泥量与消化温度不变条件下，每天向生污泥池中投加废糖蜜100 L(折合COD 6.35×10⁵ mg·L^-1)，维持60 d运行时间，考察其产气效率的变化。由此可见，产气量从未加糖蜜时的50~60 m³·d^-1上升并稳定于100~140 m³·d^-1之间，是未投加糖蜜条件下的2倍左右，且对甲烷含量无明显影响。经物料分析发现，每100 L糖蜜中所含COD总量与5.5 m³生污泥正常运行条件下被消耗的COD总量相近(1:1.16)，所以单位有机质的产气量翻倍。进一步分析发现，投加废糖蜜后，厌氧消化池的挥发性固体(volatile solid，VS)降解率提高了10%，且消化后熟污泥的VS含量无明显变化，说明废糖蜜的有机物可以被充分利用。作为制糖过程中的副产品，糖蜜用于污泥协同厌氧发酵产沼气的同时，并不会改变厌氧消化后污泥性质，用来作为厌氧消化过程中的辅料，可以有效实现废物的资源化与能源化。

灰水净化后的再生水主要指标均满足多种用水需求，夏秋季已用于景观、周边区域的绿化和杂用等；黑水处理模块因接收压滤液，再生水的色度偏高，主要用于周边地区的绿化和道路清扫等。统计表明，冬季的再生水用量少，2018年3月以后再生水利用率最高达到了50%以上。污泥厌氧消化后的消化污泥经过PAM和FeCl₃调理后，采用板框压滤机脱水，得到了含水率78%~80%的泥饼，取样进行污泥农用的各项指标检测的结果见表 3。

本项目从规划与建设阶段即要求所有建筑物的排水实行污水源头分离，分别收集灰水和黑水，在室外分别设置灰水和黑水检查井，由独立管道输送至处理中心。项目建成投产后，从灰水与黑水的实测水质来看，出现了少量管道混接现象，表现为灰水的浓度有所增加，黑水的浓度比设计值低，经过对居住小区、宾馆和公共建筑的取样和检测分析，发现灰水和黑水的平均混接率约为27.9%^[23]。进一步调查发现，项目服务区内的某五星级酒店局部实现了污水源分离，但在室外混接，该区域的生活污水全部进入黑水管道；某商务办公大楼的灰水和黑水管道汇入道路各自的主管道时，出现反接现象。某新建住宅区属于毛坯房，业主装修乱接排水管道，该小区的灰水与黑水管道混接问题突出；2个三星级酒店、精装修住宅区和商务楼管道则未发生混接现象，水质呈现典型的灰水和黑水的水质特点。从项目实际运行效果来看，尽管灰水处理模块的进水主要污染物浓度比设计值高，但出水除了色度有所增加外，其它水质指标均很低，与纯灰水净化后的出水相近，消毒后可作为高品质再生水，满足居民家庭冲厕、生态补水等敏感用水需求。从实际运行来看，在一定的区域内实现彻底的污水源头分离、分别收集处理和资源化利用，尚需要在规划设计、施工、技术规范与标准等方面开展更加系统性的工作。

黑水处理模块的出水偶尔出现TN浓度偏高现象，尤其是压滤液进入处理模块时更突出。本项目的黑水来源于大小便冲洗水和厨房排水，从产生至输送到处理中心的时间仅数小时，对黑水进水进行COD组分分析，结果如表 4所示。其中颗粒态COD (particulate chemical oxygen demand，pCOD)占总COD (total chemical oxygen demand，tCOD)的比例达到了51.6%，而胶体态(colloidal chemical oxygen，cCOD)和溶解态COD (soluble chemical oxygen demand，sCOD)仅占48.4%。黑水经过调节池和初次沉淀后，tCOD下降至400~600 mg·L^-1，平均tCOD/TN为4.09~5.45，sCOD组分约为250 mg·L^-1，用于生物脱氮的碳源更低，对生物脱氮工艺来说，影响较大。此外，压滤液进入黑水系统，增大了进水氮负荷，黑水处理模块在运行中需要外加碳源约130 mg·L^-1才能稳定达到一级A标准。

根据表 4所示的黑水组分特点，可将黑水的碳源回收、发酵产酸并与主流短程生物脱氮工艺结合，既实现回收碳源，又能保证脱氮效果。为此，本研究开展了黑水的碳源回收研究，以高负荷活性污泥法回收碳源为例，分析了碳源回收后水解发酵产酸(VFAs)并用于短程生物反硝化脱氮的可行性。在投加铁盐(30 mg·L^-1)条件，达到了最佳的回收效果(75%)，过程中COD和TN的物质流见图 8。由于不同的污泥性质，污泥产酸过程中的VFAs转化率各不相同(图 8中用“X”表示不同污泥性质下的产酸能力)，因此，在实际产酸过程中，需要控制合适的短程硝化率，最大程度利用碳源。分析表明，当黑水生化池的短程硝化率达到87.7%时，每克回收的碳源经发酵可产生VFAs 506 mg (以COD计)，即可满足黑水短程反硝化对外碳源的要求。

本项目的污泥与餐厨垃圾联合厌氧消化体系由于缺少餐厨垃圾，厌氧消化的底物仅为初沉污泥与剩余污泥，总产气量较低，仅能用于加热维持厌氧消化池的温度，剩余的沼气量不足以运行热电联产装置。在进行餐厨垃圾的与污泥协同厌氧消化期间发现，牙签、纸巾、塑料薄膜等成分的分选不彻底，容易堵塞管道，增加运行和维护难度；与此同时，食物残渣中的贝壳等成分不仅影响预处理设备的效率，而且进入厌氧消化罐后也会磨损设备和管道。为此，在收集餐厨垃圾时，需要落实分类收集原则，有必要在预处理单元中强化这些成分的去除率，避免进入后续厌氧消化系统。除了餐厨垃圾，其他城市有机质，如尾菜、食品发酵废物以及青草有机质等，在强化预处理后均可与污泥混合进入厌氧消化系统，以拓展产气来源。

处理中心采用模块化处理单元，如何实现各处理模块之间的协同性和兼容性，尚待深入探讨。目前，灰水和黑水处理模块可以互相作为应急处理保障手段。而厌氧消化系统则难以得到保障，以处理压滤液的SBR装置为例，SBR出现故障时，高氨氮压滤液将直接进入黑水系统，造成严重的负荷冲击，导致出水总氮超标，有待在工艺参数等方面及时调整。

1) 灰水净化后的出水COD低于30 mg·L^-1，TN可降低至5 mg·L^-1左右，可作为高品质再生水回用于冲厕等；黑水处理单元的进水水质波动较大，出水COD一般在20~40 mg·L^-1之间，投加外碳源强化脱氮后，TN可稳定达到一级A标准。目前，2种再生水均已不同程度地实现周边区域回用。

2) 以污泥为底物时，厌氧消化系统单位产气量达到7.27~10.91 m³，沼气甲烷含量超过70%，有机物降解率为30%~50%。投加废糖蜜后，产气量提高一倍，有机物降解率平均提高10%，且甲烷含量无明显变化。目前，所产沼气用于加热锅炉，维持厌氧系统温度。消化污泥脱水后，主要指标均可满足农用污泥标准(CJ/T 309-2009)中B级污泥标准，现已免费向周边农户提供，用作土壤改良。

3) 为更好地实现资源、能源的高效回收利用，基于污水源分离的半集中式处理系统的推广应用时还需进一步开展集成化和应用研究，如源分离管道的设计、施工等技术规范建设、黑水接收压滤液后的生物脱氮、生物垃圾高杂质条件下的预处理工艺优化以及拓展厌氧消化有机质来源等。