水力負荷沖擊對洗浴廢水處理效果的影響研究

劉 振,劉 麗

(1.天津市政工程設計研究總院有限公司,天津 300392;2.天津市基礎設施耐久性企業重點實驗室,天津 300392;3.臨沂市建筑設計研究院有限責任公司,山東 臨沂 276000)

0 引 言

洗浴廢水作為城鎮生活污水的重要來源,其直接排放不僅會造成水資源的流失,還會加劇水體及其他環境介質的污染[1]。為降低其環境影響,常采用氣浮、沉降、混凝、過濾等物化法對其進行處理,存在成本較高的問題,而以傳統的生物方法處理時,又存在抗沖擊能力差、操作流程繁瑣等不足。探索能夠凈化洗浴廢水的低成本、高效率的方法,對廢水的再生利用而言具有現實意義。

人工快速滲濾(Constructed Rapid Infiltration,CRI)系統工藝流程簡易、運行成本低,能夠通過人工介質與特殊填料高效且快速的處理污水[2]。DAI等采用焦炭為填料構建CRI濾柱對廢水中的磺胺類抗生素和喹諾酮類抗生素進行去除,結果表明,磺胺類抗生素存在時,CRI濾柱對化學需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和總磷(TP)的去除率分別超過了75%、40%和91%,比喹諾酮類抗生素存在時的CRI濾柱分別低6.61%、12.13%和2.68%。陳佼等采用好氧CRI池+厭氧CRI池組合工藝對印染廠的二級排水進行深度凈化,結果表明,其對COD的去除率均值為87.2%,對NH4+-N的去除率均值可達到99.0%,TN的去除率均值可達到96.9%。張杰斌等構建改良型CRI系統以處理實際農村生活污水,研究結果表明,運行16 d后出水水質趨于穩定,NH4+-N出水濃度均值低于2.5 mg/L,TN出水濃度偏高,均值達到8.38 mg/L,TP出水濃度較低,均值僅為0.21mg/L,達到排放要求。李劉柱等采用CRI工藝對某河的河道水進行處理,運行結果證明其對NH4+-N有著較為突出的去除效果,去除率均值達到92.08%,COD去除率均值則達到82.03%,而TP去除率均值相對較低,但也超過85%,出水懸浮物濃度<10mg/L[3-5]。由于CRI系統具有能耗低、環境友好的特點,在發展中國家具有廣泛的應用價值與前景,將其用于洗浴廢水處理表現出良好的可行性。然而,洗浴廢水來源廣泛,作為洗浴廢水三大主要來源之一的居民洗浴廢水,其排放時間和排放水量均具有不確定性,探究水力負荷沖擊對洗浴廢水處理效果的影響顯得尤為必要。

因此,本研究將啟動CRI雙池系統進行洗浴廢水的處理,考察水力負荷沖擊下該系統對污水中主要污染物去除效果的影響,并根據運行情況提出相關的應對策略,以期為CRI系統的穩定運行提供技術參考,并推進該技術在洗浴廢水處理領域的應用與發展。

2 材料與方法

2.1 反應裝置

圖1為CRI雙池系統示意圖,由CRI內池和外池組成。CRI內池高120 cm,內徑7 cm,內池由上往下依次為進水區(高15 cm,不作填充)、碎石區(高5 cm,內填碎石,粒徑5～15 mm)、濾料區(高100 cm,內填混合濾料,由天然河砂、沸石砂、大理石砂構成,粒徑分別是0.2～0.3、0.5～0.8、0.8～1.5 mm,質量百分比分別為70%、20%、10%,填充前已采用二沉池回流污泥接種)。CRI外池高60 cm,內徑21 cm,底部通過碎石區(高5 cm,內填碎石,粒徑5～15 mm)與CRI內池連通,上方設有濾料區(高50 cm,內填混合濾料,由天然河砂、自制反硝化顆粒構成,粒徑分別為0.1～0.2、0.5～1.0 mm,質量百分比分別為70%、30%,填充前已采用反硝化池污泥接種),濾料區上方再設有碎石區并在一側設有排水口。

圖1 系統裝置示意圖

2.2 進水水質

洗浴廢水收集自成都某高校公寓區學生洗浴后排出的實際廢水,該廢水中表面活性劑(LAS)濃度范圍在11.9～12.5 mg/L,COD濃度范圍在170.3～180.2 mg/L,NH4+-N濃度范圍在7.8～8.5 mg/L,總氮(TN)濃度范圍在12.9～13.4 mg/L,TP濃度范圍在3.1～3.7 mg/L,pH值不作特別調控。進水前,先采用簡單的靜沉和過濾方法去除水中較為明顯的雜質,以減緩CRI雙池系統表層的堵塞。

2.3 運行方案

從CRI內池進水區的上方均勻布水,穩定運行期間的水力負荷控制在1.0 m3/(m2·d),每個周期運行時間為12 h,濕干比控制在1∶3,運行期間溫度控制在25℃左右。水力負荷沖擊階段,將水力負荷提高到1.5 m3/(m2·d),單周期運行時間和總運行天數如表1所示。

表1 主要運行參數

2.4 分析方法

每天展開1次水質分析,水質指標均采用國家標準方法進行分析。

3 結果與討論

3.1 對LAS去除效果的影響

水力負荷沖擊下CRI雙池系統的LAS去除效果見圖2。

圖2 水力負荷沖擊對LAS去除的影響

由圖2可知,第1～7d時,進水的水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12h,CRI雙池系統運行穩定,對洗浴廢水中LAS的平均去除率可達到97.4%。從第8d開始當水力負荷突增至1.5 m3/(m2·d)時,可以明顯看到出水LAS濃度增加,LAS平均去除率降低至91.5%。因為隨著水力負荷的突增,單位時間的洗浴廢水進水水量增加,系統需要處理的洗浴廢水中的LAS污染物量也隨之大幅增加,廢水在CRI雙池系統內的水力停留時間有所縮短,因而單位時間內的處理效率也有所降低。

為提高LAS去除效果,從第15d開始將CRI雙池系統的單周期運行時間從12h增至18h,此時LAS平均去除率增至97.6%,增長率為6.1%,出水LAS濃度重新回到系統運行初期的較低水平。因為單周期運行時間增長,淹水期和落干期都有所變長,洗浴廢水中的污染物能夠在淹水期被充分吸附或截留在系統內,落干期微生物的轉化效果也更加充分,出水LAS濃度隨之降低。從第22 d開始,繼續增加單周期運行時間至24h,可以看出LAS去除效率進一步提高,平均去除率達99.3%。相較水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12h時的LAS平均去除率提高了1.9%,相較水力負荷為1.5 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12 h時提高了7.8%。但從經濟角度考慮,當水力負荷突增至1.5 m3/(m2·d)時,提高單周期運行時間至18 h即可滿足LAS的去除要求,以此作為應對策略。

3.2 對COD去除效果的影響

水力負荷沖擊下,CRI雙池系統對洗浴廢水中COD的去除情況見圖3。

圖3 水力負荷沖擊對COD去除的影響

由圖3可知,當水力負荷由穩定期的1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d)時,平均COD去除率從88.2%下降到80.1%,降低了8.1%,第8～14 d時COD出水濃度相較前7 d有明顯升高,這是因為隨著水力負荷的增加,單位時間進入系統的COD量明顯變多,進而降低了CRI雙池系統單位時間下對COD的去除效果。從第15d開始,提高CRI雙池系統的單周期運行時間至18h,COD出水濃度逐漸下降到初始水平,平均去除率相較單周期運行時間為12 h時提高了7.7%,升至87.8%,相較于1.0 m3/(m2·d)的水力負荷、12h的單周期運行時間時僅低0.4%,在考慮系統運行效率的前提下已經可以保證COD的去除效果。

為進一步研究增加單周期運行時間對COD處理效果的影響,第22d起將CRI雙池系統的單周期運行時間從18h增加到24h,結果顯示COD的出水濃度進一步降低,平均去除率增至90.1%,相比前一階段提高了2.3%,相比水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12 h時提高了1.9%。由此可以看出,增加CRI雙池系統的單周期運行時間能夠提高其對COD的平均去除率,這是由于淹水期和落干期都隨著運行時間的增加而變長,微生物能夠對洗浴廢水中COD進行更充分地轉化,同時系統的吸附和截留效果隨之提高。但是綜合時間成本與處理效果考量,不必將CRI雙池系統的單周期運行時間提高至24h。

3.3 對氮素去除效果的影響

圖4、圖5分別反映了水力負荷沖擊對CRI雙池系統處理洗浴廢水時NH4+-N、TN的去除效果的影響。

圖4 水力負荷沖擊對NH4+-N去除的影響

圖5 水力負荷沖擊對TN去除的影響

由圖4可知,水力負荷穩定期間,NH4+-N的去除率均值為96.9%。在第8～14 d,CRI雙池系統的單周期運行時間保持在12 h,但水力負荷從1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d),此時出水NH4+-N濃度明顯增高,NH4+-N平均去除率降至81.1%,降低率達到15.8%。由圖5可知,受到水力負荷沖擊后,TN的去除表現出與NH4+-N類似的規律,TN平均去除率從91.8%降至79.5%,降低率為12.3%,可以看出隨著進水量的增加,洗浴廢水的水力停留時間縮短,會明顯導致CRI雙池系統對氮素污染物的去除效果降低。為保持水力負荷突增至1.5 m3/(m2·d)時CRI雙池系統對洗浴廢水中氮素污染物的去除效果,從第15 d開始將其單周期運行時間從12 h提高到18 h,此時NH4+-N、TN出水濃度回落至較低水平,其中NH4+-N的平均去除率提高到95.3%,相比前一階段增長了14.2%,TN的平均去除率提高到91.1%,相比前一階段增長了11.6%,兩者去除率均已接近水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12 h時的水平。如果進一步增加CRI雙池系統的單周期運行時間至24 h,相比單周期運行時間為18 h時,NH4+-N和TN的平均去除率會繼續提高,分別達到98.1%和93.9%,NH4+-N及TN的出水濃度也會進一步降低。

綜上所述,當水力負荷由1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d)時,考慮運行成本與NH4+-N、TN的實際處理效果,選擇18 h作為單周期運行時間更適合,可將此作為應對該水力負荷沖擊時的調控策略。

3.4 對TP去除效果的影響

水力負荷沖擊對CRI雙池系統處理洗浴廢水時TP去除效果的影響如圖6所示。

圖6 水力負荷沖擊對TP去除的影響

由圖6可知,前7 d時CRI雙池系統的單周期運行時間為12 h,TP平均去除率為92.9%。從第8 d起水力負荷突然從1.0 m3/(m2·d)增至1.5 m3/(m2·d),由于隨洗浴廢水進入系統的含磷污染物增多導致系統單位時間內的處理能力降低,TP出水濃度明顯增高,平均去除率降至75.3%,相比穩定運行階段低了17.6%。從第15 d開始保持水力負荷為1.5 m3/(m2·d),將CRI雙池系統的單個運行周期的時間從12 h增長至18 h,TP平均去除率變為91.5%,相較單周期運行時間為12 h時增長率達16.2%。這是由于隨著運行中的淹水期、落干期增長,吸附、截留、微生物轉化效率提高,出水磷含量明顯下降。為進一步降低出水中的磷含量,從第22 d起將單周期運行時間延長到24 h,此時TP平均去除率為96.6%,相比前一階段提高了5.1%,相較水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12 h時提高了3.7%。由此可見,當水力負荷突增至1.5 m3/(m2·d)時,雖然將單周期運行時間增加到24 h時TP去除率會進一步提高,但增加到18 h已經可以保證良好的TP去除效果,考慮系統運行效率帶來的運營成本影響,選擇提高單周期運行時間至18 h即可滿足恢復處理效果的要求。

4 結 論

為實現洗浴廢水處理系統的穩定運行,研發了CRI雙池系統用于洗浴廢水的凈化,探討了水力負荷沖擊對污染物去除效果的影響并提出了相關的應對措施,得到如下結論:

1)穩定運行階段,當水力負荷為1.0 m3/(m2·d)、單周期運行時間為12 h時,CRI雙池系統對LAS的平均去除率為97.4%,COD去除率均值為88.2%,NH4+-N去除率均值為96.9%,TN去除率均值為91.8%,對TP的平均去除率為92.9%,洗浴廢水處理效果良好。

2)當水力負荷突增至1.5 m3/(m2·d)時,LAS去除率均值降至91.5%,COD去除率均值降至80.1%,NH4+-N去除率均值降至81.1%,TN去除率均值降至79.5%,TP去除率均值降至75.3%,水力負荷沖擊會對CRI雙池系統的洗浴廢水處理效果造成較大的負面影響。

3)為保持CRI雙池系統面對水力負荷沖擊時的穩定運行性能,將單周期運行時間由12 h提高到18 h,可使其基本恢復至水力負荷為1.0 m3/(m2·d)時的去除效果,將單周期運行時間進一步提高到24 h,可使污染物去除效率進一步提升,但選擇單周期運行時間增至18 h是更具經濟性的應對策略。