醫(yī)院生活污水回用處理工藝的參數(shù)確定及工程應(yīng)用效果

董欣楊，劉為

1.核工業(yè)北京化工冶金研究院 2.中國皮革制鞋研究院有限公司

醫(yī)院生活污水排放量大，若將生活污水處理后再生利用，既可減少對周圍水體的污染，又可為醫(yī)院節(jié)省自來水的使用量[1-2]，具有很大的經(jīng)濟(jì)價值。醫(yī)院生活污水中主要污染物為化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、懸浮顆粒物(SS)、氨氮、病原微生物等[3-5]，常采用以沉淀+生化法+消毒為主的三級處理工藝[6-9]。生化法常用的處理工藝有活性污泥法、生物膜法、生物接觸氧化法等[10]，其中活性污泥法容易發(fā)生污泥膨脹和污泥流失，泥齡難于控制，且受水溫等條件限制，分離效果不十分理想；生物膜法有對場地要求嚴(yán)格，負(fù)荷率低，容易產(chǎn)生濾池蠅等缺點(diǎn)；生物接觸氧化法是介于活性污泥法與生物膜法之間的生物處理技術(shù)，在污水處理中穩(wěn)定性相對較好[11-14]。消毒工藝段通常采用液氯(Cl2)、次氯酸鈉、二氧化氯(ClO2)、紫外線等作為消毒劑，研究表明[15-16]，0.50 mg/L的Cl2、次氯酸鈉作用5 min后殺菌率最高可達(dá)75%；0.5 mg/L的ClO2作用5 min后即可殺滅99%以上的異養(yǎng)菌，且ClO2不與水體中的有機(jī)物作用生成三鹵甲烷等致癌物質(zhì)，無致癌、致畸、致突變作用；相對于氯消毒，紫外線對孢子、孢囊和病毒等耐受性高的病原微生物處理效果不好，不易做到在整個處理空間內(nèi)輻射均勻，存在有照射陰影區(qū)、設(shè)備造價高和壽命短等缺點(diǎn)。

天津市某專科醫(yī)院生活污水處理設(shè)施原采用活性污泥法+次氯酸鈉消毒工藝，出水不能達(dá)到GB/T 18920—2002《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》[17]回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為提高出水水質(zhì)使其達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，針對該醫(yī)院水質(zhì)特征，提出采用預(yù)處理+接觸氧化+高效沉淀+過濾消毒工藝對污水進(jìn)行處理。筆者在小試試驗確定該工藝最佳參數(shù)的基礎(chǔ)上，按此工藝對該醫(yī)院污水處理設(shè)施進(jìn)行升級改造，使污水處理后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB/T 18920—2002回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以期為同類污水處理設(shè)施的工藝升級改造提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 醫(yī)院生活污水

以天津市某專科醫(yī)院門診、宿舍等生活污水為研究對象，由于該生活污水排入專門的化糞池，因此取化糞池污水用于試驗，其水質(zhì)指標(biāo)見表1。由表1可知，該醫(yī)院生活污水BOD5/COD為0.44，大于0.30，污水可生化性較好；水質(zhì)指標(biāo)總大腸菌群數(shù)較高，需進(jìn)行消毒處理。

表1 醫(yī)院生活污水水質(zhì)

1.2 污水處理工藝

根據(jù)該醫(yī)院生活污水可生化性較好、生物脫氮效果好的特點(diǎn)，采用預(yù)處理+生物接觸氧化+高效沉淀+過濾消毒工藝對污水進(jìn)行處理(圖1)。

圖1 醫(yī)院生活污水處理工藝流程Fig.1 Flow chart process of domestic sewage from hospital

1.2.1預(yù)處理

包括格柵、集水池、調(diào)節(jié)池、一沉池。在集水池進(jìn)水口設(shè)置格柵，以去除水中大量的懸浮物和漂浮物，保證后續(xù)污水處理設(shè)備的正常運(yùn)行。由于醫(yī)院生活污水用水量和排入污水中雜質(zhì)的不均勻性，污水流量和濃度在一晝夜內(nèi)有較大變化，為均衡污水水質(zhì)與水量，設(shè)置了調(diào)節(jié)池，該調(diào)節(jié)池分隔為2個部分，分別設(shè)置穿孔管攪拌和曝氣裝置，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況調(diào)整污泥回流比，以保證系統(tǒng)中有機(jī)物、氨氮等去除效果的穩(wěn)定。

1.2.2生物接觸氧化

生物接觸氧化法可通過控制活性污泥的污泥負(fù)荷(F/M)，提高有機(jī)物去除率和脫氮率，降低污泥產(chǎn)量。采用兩級生物接觸氧化工藝：一級接觸氧化池內(nèi)F/M高，微生物增值不受污水中營養(yǎng)物濃度制約，處于對數(shù)增殖期，生物膜增長快，保證有機(jī)物的去除和脫氮效率；二級接觸氧化池內(nèi)F/M低，微生物增殖處于減速期或內(nèi)源呼吸期，硝化菌占比較高，硝化反應(yīng)可充分進(jìn)行，同時有效降低污泥產(chǎn)量。

1.2.3高效沉淀池

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況，在高效沉淀池加入混凝劑聚合氯化鋁(PAC)、助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，采用多點(diǎn)污泥回流措施，保證氨氮和SS的去除率。高效沉淀池包括混合反應(yīng)區(qū)、絮凝反應(yīng)區(qū)、澄清區(qū)，在混合反應(yīng)區(qū)加入PAC，靠攪拌器的提升混合作用完成泥渣、藥劑、原水的快速凝聚反應(yīng)；在絮凝反應(yīng)區(qū)加入PAM，進(jìn)行慢速絮凝反應(yīng)，以結(jié)成大的絮凝體。

1.2.4過濾與消毒

過濾系統(tǒng)有效保證BOD5、SS的去除效果，降低消毒劑的用量，保證出水水質(zhì)；消毒工藝采用ClO2發(fā)生器，該發(fā)生器采用化學(xué)法生成ClO2，對污水和污泥進(jìn)行消毒，殺菌率超過99%。

1.3 工藝參數(shù)確定

1.3.1生物接觸氧化工藝參數(shù)

在50 L的塑料桶中掛入1組直徑為125 mm的彈性立體填料，加入城市污水處理廠二沉池污泥20 L進(jìn)行接種掛膜。掛膜成功后，采用預(yù)處理后的污水作為進(jìn)水，水質(zhì)指標(biāo)CODCr為197.1～246.4 mg/L，BOD5為98.6～123.2 mg/L，SS濃度為68.8～85.0 mg/L，氨氮濃度為30.2～41.8 mg/L，總大腸菌群數(shù)大于18 000個/L。在控制溫度等其他條件不變時，分別進(jìn)行氣水比、容積負(fù)荷、pH對BOD5和氨氮去除率的影響單因素試驗。

1.3.1.1氣水比

為有效降解污水中的有機(jī)物，生物接觸氧化池中需提供充足的溶解氧(DO)，以保證有機(jī)物的正常氧化，而氣水比直接影響反應(yīng)器中DO濃度。在容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)，進(jìn)水流量為6.25 L/h，溫度為20～26 ℃的條件下，設(shè)置氣水比分別為5∶1、10∶1、15∶1、18∶1，研究其對污水中BOD5、氨氮去除的影響。

1.3.1.2容積負(fù)荷

在污水pH為7.0，氣水比15∶1時，設(shè)置容積負(fù)荷分別為0.15、0.30、0.50、0.80和1.00 kg/(m3·d)，即對應(yīng)的進(jìn)水流量分別為1.875、3.750、6.250、10.000和12.500 L/h，水力停留時間分別為24.0、12.0、7.2、4.5、3.6 h，研究容積負(fù)荷對污水中BOD5、氨氮去除的影響。

1.3.1.3pH

在容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)，氣水比15∶1時，設(shè)置pH分別為6.0、6.8、7.0、7.5、8.0、8.5和9.0，研究其對污水中BOD5、氨氮去除的影響。

1.3.2高效沉淀池工藝參數(shù)

采用六聯(lián)攪拌裝置，在1 000 mL燒杯中進(jìn)行混凝試驗，考察單獨(dú)投加PAC、聯(lián)合投加PAC與PAM情況下，混凝劑投加量對處理效果的影響。

1.3.2.1PAC

取接觸氧化池出水(SS濃度為87 mg/L)，分別加入10、12、15、18和20 mg/L的PAC，混合3 min，靜置沉降30 min后，取上清液測定SS濃度。

1.3.2.2PAC+PAM

取接觸氧化池出水(SS濃度為87 mg/L)，加入15 mg/L的PAC，快速攪拌3 min，混合均勻，然后加入PAM并慢速攪拌8 min，沉淀30 min，取上清液測定SS濃度。

1.3.3消毒池工藝參數(shù)

以高效沉淀池的出水為研究對象，在1 000 mL的燒杯中，分別投加5、10、15和20 mg/L(以有效氯計)的ClO2，接觸時間為1 h，檢測進(jìn)水(高效沉淀池出水)及消毒后出水的總大腸菌群數(shù)，分析消毒前后總大腸菌群數(shù)變化。

1.4 指標(biāo)檢測方法

主要水質(zhì)指標(biāo)檢測方法見表2。

表2 主要水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)確定

2.1.1生物接觸氧化工藝參數(shù)

2.1.1.1氣水比

生物接觸氧化在不同氣水比時BOD5、氨氮的去除率見圖2。由圖2可知，隨著氣水比的增加，BOD5去除率變化幅度不大；而氨氮去除率隨氣水比增加明顯增大。當(dāng)氣水比為5∶1、10∶1時，由于曝氣量不足，使硝化菌生長繁殖可利用氧量不足，成為硝化反應(yīng)的限制因素，造成氨氮去除率不高；當(dāng)氣水比為15∶1、18∶1時，由于可利用氧量充足，滿足硝化菌的需要，氨氮去除率明顯提高。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，確定最佳氣水比為15∶1。

圖2 不同氣水比時BOD5、氨氮去除率的變化Fig.2 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different gas water ratio

2.1.1.2容積負(fù)荷

圖3 不同容積負(fù)荷時BOD5、氨氮去除率的變化Fig.3 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different volume loads

在不同容積負(fù)荷下生物接觸氧化對BOD5、氨氮去除率見圖3。由圖3可知，容積負(fù)荷由0.15 kg/(m3·d)增至0.8 kg/(m3·d)時，BOD5去除率保持在94.8%左右；容積負(fù)荷超過0.8 kg/(m3·d)時，BOD5去除率快速降低。容積負(fù)荷對氨氮的影響與BOD5差異較大，容積負(fù)荷為0.15 kg/(m3·d)時，氨氮去除率高達(dá)99.9%，但隨著容積負(fù)荷的增加，氨氮去除率快速下降。這是因為容積負(fù)荷增加造成水力停留時間減小，使微生物與污水中污染物接觸時間減少，而硝化細(xì)菌世代更新時間較長，留給硝化細(xì)菌降解氨氮的時間不充足，致使氨氮的去除率降低，當(dāng)容積負(fù)荷過高時，使同步硝化受到抑制。在較低容積負(fù)荷時〔<0.5 kg/(m3·d)〕，BOD5、氨氮均有較好的處理效果，在工程應(yīng)用中由于容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)較0.30 kg/(m3·d)節(jié)約了1/3的池體容積，綜合考慮出水水質(zhì)與工程投資成本，容積負(fù)荷以0.50 kg/(m3·d)為宜。

2.1.1.3pH

圖4 不同pH時BOD5、氨氮去除率的變化Fig.4 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different pH

2.1.2高效沉淀池工藝參數(shù)

2.1.2.1PAC投加量

不同PAC投加量時污水中SS去除率變化如圖5所示。由圖5可知，SS去除率隨PAC投加量加大而提高；PAC投加量超過15.0 mg/L時，增加PAC投加量，SS去除率呈下降趨勢。確定PAC最佳投加量為15.0 mg/L。

圖5 不同PAC投加量時SS去除率的變化Fig.5 Variation of SS removal rate at different PAC dosages

2.1.2.2聯(lián)合處理時PAM的投加量

PAC+PAM聯(lián)合處理時，PAC投加量穩(wěn)定在15.0 mg/L，不同PAM投加量下污水中SS去除率變化如圖6所示。由圖6可知，隨著PAM投加量的增加，SS去除率明顯增加；PAM投加量超過1.0 mg/L時，SS去除率穩(wěn)定在95%左右。

圖6 PAC+PAM聯(lián)合處理時不同PAM投加量下SS去除率的變化Fig.6 Variation of SS removal rate at different PAM inputs under PAC+PAM joint treatment

采用PAC+PAM聯(lián)合處理方式，PAC投加量為15.0 mg/L，PAM投加量為1.0 mg/L時，SS去除率較穩(wěn)定。

2.1.3消毒池工藝參數(shù)

不同ClO2投加量時總大腸菌群數(shù)如表3所示。由表3可知，ClO2投加量高于12 mg/L時，消毒后出水總大腸菌群數(shù)可被控制在1個/L以下，總余氯濃度保持在1.5 mg/L。確定ClO2最佳投加量為12 mg/L。

表3 不同ClO2投加量時總大腸桿菌群數(shù)的變化

2.1.4最佳工藝條件

通過小試試驗確定的最佳設(shè)計參數(shù)：容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)，pH為7.5～8.0，氣水比為15∶1，投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分別為15.0、1.0 mg/L)，同時采用12 mg/L的ClO2對出水進(jìn)行消毒。

2.2 工程應(yīng)用及效果

在天津市某?？漆t(yī)院的生活污水處理設(shè)施升級改造中，采用預(yù)處理+生物接觸氧化+高效沉淀+過濾消毒工藝進(jìn)行設(shè)計，生活污水設(shè)計水量為2 000 m3/d。于2014年8月完成工藝升級，9月進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，10月穩(wěn)定運(yùn)行，此時該工程最佳運(yùn)行工況：容積負(fù)荷為 0.50 kg/(m3·d)，pH為7.8左右，氣水比為17.5∶1.0，聯(lián)合投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分別為21.0、0.8 mg/L)，ClO2投加量為12 mg/L。于2014年11月對進(jìn)水、出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見表4[18]。由表4可知，出水主要指標(biāo)均達(dá)到GB/T 18920—2002回用水沖廁水質(zhì)要求。

表4 工程穩(wěn)定運(yùn)行時進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

(續(xù)表4)

3 結(jié)論

(1)針對醫(yī)院生活污水特點(diǎn)，采用“預(yù)處理+接觸氧化+高效沉淀+過濾消毒”工藝進(jìn)行處理，小試試驗確定其最佳工藝條件：容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)，pH控制在7.5～8.0，氣水比為15∶1，聯(lián)合投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分別為15.0、1.0 mg/L)，ClO2投加量為12 mg/L。

(2)采用“預(yù)處理+接觸氧化+高效沉淀+過濾消毒”工藝，對天津市某?？漆t(yī)院生活污水進(jìn)行升級改造，工程規(guī)模為2 000 m3/d，穩(wěn)定運(yùn)行時工程最佳運(yùn)行工況：容積負(fù)荷為0.50 kg/(m3·d)，pH控制在7.8左右，氣水比為17.5∶1.0，投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分別為21.0、0.8 mg/L)，采用ClO2發(fā)生器產(chǎn)生的ClO2進(jìn)行消毒(投加量為12 mg/L，接觸時間為1 h)。處理后出水達(dá)到GB/T 18920—2002回用水沖廁水質(zhì)要求。