水力负荷冲击对洗浴废水处理效果的影响研究

刘 振,刘 丽

(1.天津市政工程设计研究总院有限公司,天津 300392;2.天津市基础设施耐久性企业重点实验室,天津 300392;3.临沂市建筑设计研究院有限责任公司,山东 临沂 276000)

0 引 言

洗浴废水作为城镇生活污水的重要来源,其直接排放不仅会造成水资源的流失,还会加剧水体及其他环境介质的污染[1]。为降低其环境影响,常采用气浮、沉降、混凝、过滤等物化法对其进行处理,存在成本较高的问题,而以传统的生物方法处理时,又存在抗冲击能力差、操作流程繁琐等不足。探索能够净化洗浴废水的低成本、高效率的方法,对废水的再生利用而言具有现实意义。

人工快速渗滤(Constructed Rapid Infiltration,CRI)系统工艺流程简易、运行成本低,能够通过人工介质与特殊填料高效且快速的处理污水[2]。DAI等采用焦炭为填料构建CRI滤柱对废水中的磺胺类抗生素和喹诺酮类抗生素进行去除,结果表明,磺胺类抗生素存在时,CRI滤柱对化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和总磷(TP)的去除率分别超过了75%、40%和91%,比喹诺酮类抗生素存在时的CRI滤柱分别低6.61%、12.13%和2.68%。陈佼等采用好氧CRI池+厌氧CRI池组合工艺对印染厂的二级排水进行深度净化,结果表明,其对COD的去除率均值为87.2%,对NH4+-N的去除率均值可达到99.0%,TN的去除率均值可达到96.9%。张杰斌等构建改良型CRI系统以处理实际农村生活污水,研究结果表明,运行16 d后出水水质趋于稳定,NH4+-N出水浓度均值低于2.5 mg/L,TN出水浓度偏高,均值达到8.38 mg/L,TP出水浓度较低,均值仅为0.21mg/L,达到排放要求。李刘柱等采用CRI工艺对某河的河道水进行处理,运行结果证明其对NH4+-N有着较为突出的去除效果,去除率均值达到92.08%,COD去除率均值则达到82.03%,而TP去除率均值相对较低,但也超过85%,出水悬浮物浓度<10mg/L[3-5]。由于CRI系统具有能耗低、环境友好的特点,在发展中国家具有广泛的应用价值与前景,将其用于洗浴废水处理表现出良好的可行性。然而,洗浴废水来源广泛,作为洗浴废水三大主要来源之一的居民洗浴废水,其排放时间和排放水量均具有不确定性,探究水力负荷冲击对洗浴废水处理效果的影响显得尤为必要。

因此,本研究将启动CRI双池系统进行洗浴废水的处理,考察水力负荷冲击下该系统对污水中主要污染物去除效果的影响,并根据运行情况提出相关的应对策略,以期为CRI系统的稳定运行提供技术参考,并推进该技术在洗浴废水处理领域的应用与发展。

2 材料与方法

2.1 反应装置

图1为CRI双池系统示意图,由CRI内池和外池组成。CRI内池高120 cm,内径7 cm,内池由上往下依次为进水区(高15 cm,不作填充)、碎石区(高5 cm,内填碎石,粒径5～15 mm)、滤料区(高100 cm,内填混合滤料,由天然河砂、沸石砂、大理石砂构成,粒径分别是0.2～0.3、0.5～0.8、0.8～1.5 mm,质量百分比分别为70%、20%、10%,填充前已采用二沉池回流污泥接种)。CRI外池高60 cm,内径21 cm,底部通过碎石区(高5 cm,内填碎石,粒径5～15 mm)与CRI内池连通,上方设有滤料区(高50 cm,内填混合滤料,由天然河砂、自制反硝化颗粒构成,粒径分别为0.1～0.2、0.5～1.0 mm,质量百分比分别为70%、30%,填充前已采用反硝化池污泥接种),滤料区上方再设有碎石区并在一侧设有排水口。

图1 系统装置示意图

2.2 进水水质

洗浴废水收集自成都某高校公寓区学生洗浴后排出的实际废水,该废水中表面活性剂(LAS)浓度范围在11.9～12.5 mg/L,COD浓度范围在170.3～180.2 mg/L,NH4+-N浓度范围在7.8～8.5 mg/L,总氮(TN)浓度范围在12.9～13.4 mg/L,TP浓度范围在3.1～3.7 mg/L,pH值不作特别调控。进水前,先采用简单的静沉和过滤方法去除水中较为明显的杂质,以减缓CRI双池系统表层的堵塞。

2.3 运行方案

从CRI内池进水区的上方均匀布水,稳定运行期间的水力负荷控制在1.0 m3/(m2·d),每个周期运行时间为12 h,湿干比控制在1∶3,运行期间温度控制在25℃左右。水力负荷冲击阶段,将水力负荷提高到1.5 m3/(m2·d),单周期运行时间和总运行天数如表1所示。

表1 主要运行参数

2.4 分析方法

每天展开1次水质分析,水质指标均采用国家标准方法进行分析。

3 结果与讨论

3.1 对LAS去除效果的影响

水力负荷冲击下CRI双池系统的LAS去除效果见图2。

图2 水力负荷冲击对LAS去除的影响

由图2可知,第1～7d时,进水的水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12h,CRI双池系统运行稳定,对洗浴废水中LAS的平均去除率可达到97.4%。从第8d开始当水力负荷突增至1.5 m3/(m2·d)时,可以明显看到出水LAS浓度增加,LAS平均去除率降低至91.5%。因为随着水力负荷的突增,单位时间的洗浴废水进水水量增加,系统需要处理的洗浴废水中的LAS污染物量也随之大幅增加,废水在CRI双池系统内的水力停留时间有所缩短,因而单位时间内的处理效率也有所降低。

为提高LAS去除效果,从第15d开始将CRI双池系统的单周期运行时间从12h增至18h,此时LAS平均去除率增至97.6%,增长率为6.1%,出水LAS浓度重新回到系统运行初期的较低水平。因为单周期运行时间增长,淹水期和落干期都有所变长,洗浴废水中的污染物能够在淹水期被充分吸附或截留在系统内,落干期微生物的转化效果也更加充分,出水LAS浓度随之降低。从第22 d开始,继续增加单周期运行时间至24h,可以看出LAS去除效率进一步提高,平均去除率达99.3%。相较水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12h时的LAS平均去除率提高了1.9%,相较水力负荷为1.5 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12 h时提高了7.8%。但从经济角度考虑,当水力负荷突增至1.5 m3/(m2·d)时,提高单周期运行时间至18 h即可满足LAS的去除要求,以此作为应对策略。

3.2 对COD去除效果的影响

水力负荷冲击下,CRI双池系统对洗浴废水中COD的去除情况见图3。

图3 水力负荷冲击对COD去除的影响

由图3可知,当水力负荷由稳定期的1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d)时,平均COD去除率从88.2%下降到80.1%,降低了8.1%,第8～14 d时COD出水浓度相较前7 d有明显升高,这是因为随着水力负荷的增加,单位时间进入系统的COD量明显变多,进而降低了CRI双池系统单位时间下对COD的去除效果。从第15d开始,提高CRI双池系统的单周期运行时间至18h,COD出水浓度逐渐下降到初始水平,平均去除率相较单周期运行时间为12 h时提高了7.7%,升至87.8%,相较于1.0 m3/(m2·d)的水力负荷、12h的单周期运行时间时仅低0.4%,在考虑系统运行效率的前提下已经可以保证COD的去除效果。

为进一步研究增加单周期运行时间对COD处理效果的影响,第22d起将CRI双池系统的单周期运行时间从18h增加到24h,结果显示COD的出水浓度进一步降低,平均去除率增至90.1%,相比前一阶段提高了2.3%,相比水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12 h时提高了1.9%。由此可以看出,增加CRI双池系统的单周期运行时间能够提高其对COD的平均去除率,这是由于淹水期和落干期都随着运行时间的增加而变长,微生物能够对洗浴废水中COD进行更充分地转化,同时系统的吸附和截留效果随之提高。但是综合时间成本与处理效果考量,不必将CRI双池系统的单周期运行时间提高至24h。

3.3 对氮素去除效果的影响

图4、图5分别反映了水力负荷冲击对CRI双池系统处理洗浴废水时NH4+-N、TN的去除效果的影响。

图4 水力负荷冲击对NH4+-N去除的影响

图5 水力负荷冲击对TN去除的影响

由图4可知,水力负荷稳定期间,NH4+-N的去除率均值为96.9%。在第8～14 d,CRI双池系统的单周期运行时间保持在12 h,但水力负荷从1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d),此时出水NH4+-N浓度明显增高,NH4+-N平均去除率降至81.1%,降低率达到15.8%。由图5可知,受到水力负荷冲击后,TN的去除表现出与NH4+-N类似的规律,TN平均去除率从91.8%降至79.5%,降低率为12.3%,可以看出随着进水量的增加,洗浴废水的水力停留时间缩短,会明显导致CRI双池系统对氮素污染物的去除效果降低。为保持水力负荷突增至1.5 m3/(m2·d)时CRI双池系统对洗浴废水中氮素污染物的去除效果,从第15 d开始将其单周期运行时间从12 h提高到18 h,此时NH4+-N、TN出水浓度回落至较低水平,其中NH4+-N的平均去除率提高到95.3%,相比前一阶段增长了14.2%,TN的平均去除率提高到91.1%,相比前一阶段增长了11.6%,两者去除率均已接近水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12 h时的水平。如果进一步增加CRI双池系统的单周期运行时间至24 h,相比单周期运行时间为18 h时,NH4+-N和TN的平均去除率会继续提高,分别达到98.1%和93.9%,NH4+-N及TN的出水浓度也会进一步降低。

综上所述,当水力负荷由1.0 m3/(m2·d)突增至1.5 m3/(m2·d)时,考虑运行成本与NH4+-N、TN的实际处理效果,选择18 h作为单周期运行时间更适合,可将此作为应对该水力负荷冲击时的调控策略。

3.4 对TP去除效果的影响

水力负荷冲击对CRI双池系统处理洗浴废水时TP去除效果的影响如图6所示。

图6 水力负荷冲击对TP去除的影响

由图6可知,前7 d时CRI双池系统的单周期运行时间为12 h,TP平均去除率为92.9%。从第8 d起水力负荷突然从1.0 m3/(m2·d)增至1.5 m3/(m2·d),由于随洗浴废水进入系统的含磷污染物增多导致系统单位时间内的处理能力降低,TP出水浓度明显增高,平均去除率降至75.3%,相比稳定运行阶段低了17.6%。从第15 d开始保持水力负荷为1.5 m3/(m2·d),将CRI双池系统的单个运行周期的时间从12 h增长至18 h,TP平均去除率变为91.5%,相较单周期运行时间为12 h时增长率达16.2%。这是由于随着运行中的淹水期、落干期增长,吸附、截留、微生物转化效率提高,出水磷含量明显下降。为进一步降低出水中的磷含量,从第22 d起将单周期运行时间延长到24 h,此时TP平均去除率为96.6%,相比前一阶段提高了5.1%,相较水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12 h时提高了3.7%。由此可见,当水力负荷突增至1.5 m3/(m2·d)时,虽然将单周期运行时间增加到24 h时TP去除率会进一步提高,但增加到18 h已经可以保证良好的TP去除效果,考虑系统运行效率带来的运营成本影响,选择提高单周期运行时间至18 h即可满足恢复处理效果的要求。

4 结 论

为实现洗浴废水处理系统的稳定运行,研发了CRI双池系统用于洗浴废水的净化,探讨了水力负荷冲击对污染物去除效果的影响并提出了相关的应对措施,得到如下结论:

1)稳定运行阶段,当水力负荷为1.0 m3/(m2·d)、单周期运行时间为12 h时,CRI双池系统对LAS的平均去除率为97.4%,COD去除率均值为88.2%,NH4+-N去除率均值为96.9%,TN去除率均值为91.8%,对TP的平均去除率为92.9%,洗浴废水处理效果良好。

2)当水力负荷突增至1.5 m3/(m2·d)时,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%,水力负荷冲击会对CRI双池系统的洗浴废水处理效果造成较大的负面影响。

3)为保持CRI双池系统面对水力负荷冲击时的稳定运行性能,将单周期运行时间由12 h提高到18 h,可使其基本恢复至水力负荷为1.0 m3/(m2·d)时的去除效果,将单周期运行时间进一步提高到24 h,可使污染物去除效率进一步提升,但选择单周期运行时间增至18 h是更具经济性的应对策略。