医院生活污水回用处理工艺的参数确定及工程应用效果

摘要：为使医院生活污水处理后满足出水回用的要求,针对医院生活污水特点,提出预处理+接触氧化+高效沉淀+过滤消毒工艺,通过小试试验确定其最佳工艺参数,并在天津市某专科医院生活污水升级改造工程中应用。小试试验的最佳工艺条件:容积负荷为0.50 kg∕(m³·d),pH控制在7.5~8.0,气水比为15∶1,联合投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分别为15.0、1.0 mg∕L),ClO₂投加量为12 mg∕L。工程应用结果表明,工艺运行状况良好,处理后出水水质达到GB∕T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》回用水冲厕水质要求。

关键词：医院污水;生物接触氧化;沉淀;消毒;回用

医院生活污水排放量大,若将生活污水处理后再生利用,既可减少对周围水体的污染,又可为医院节省自来水的使用量[1,2],具有很大的经济价值。医院生活污水中主要污染物为化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、悬浮颗粒物(SS)、氨氮、病原微生物等[3,4,5],常采用以沉淀+生化法+消毒为主的三级处理工艺[6,7,8,9]。生化法常用的处理工艺有活性污泥法、生物膜法、生物接触氧化法等[10],其中活性污泥法容易发生污泥膨胀和污泥流失,泥龄难于控制,且受水温等条件限制,分离效果不十分理想;生物膜法有对场地要求严格,负荷率低,容易产生滤池蝇等缺点;生物接触氧化法是介于活性污泥法与生物膜法之间的生物处理技术,在污水处理中稳定性相对较好[11,12,13,14]。消毒工艺段通常采用液氯(Cl2)、次氯酸钠、二氧化氯(ClO2)、紫外线等作为消毒剂,研究表明[15,16],0.50 mg∕L的Cl2、次氯酸钠作用5 min后杀菌率最高可达75%;0.5 mg∕L的ClO2作用5 min后即可杀灭99%以上的异养菌,且ClO2不与水体中的有机物作用生成三卤甲烷等致癌物质,无致癌、致畸、致突变作用;相对于氯消毒,紫外线对孢子、孢囊和病毒等耐受性高的病原微生物处理效果不好,不易做到在整个处理空间内辐射均匀,存在有照射阴影区、设备造价高和寿命短等缺点。

天津市某专科医院生活污水处理设施原采用活性污泥法+次氯酸钠消毒工艺,出水不能达到GB∕T 18920—2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》[17]回用水质标准。为提高出水水质使其达到回用标准,针对该医院水质特征,提出采用预处理+接触氧化+高效沉淀+过滤消毒工艺对污水进行处理。笔者在小试试验确定该工艺最佳参数的基础上,按此工艺对该医院污水处理设施进行升级改造,使污水处理后出水水质稳定达到GB∕T 18920—2002回用水水质标准,以期为同类污水处理设施的工艺升级改造提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 医院生活污水

以天津市某专科医院门诊、宿舍等生活污水为研究对象,由于该生活污水排入专门的化粪池,因此取化粪池污水用于试验,其水质指标见表1。由表1可知,该医院生活污水BOD5∕COD为0.44,大于0.30,污水可生化性较好;水质指标总大肠菌群数较高,需进行消毒处理。

1.2 污水处理工艺

根据该医院生活污水可生化性较好、生物脱氮效果好的特点,采用预处理+生物接触氧化+高效沉淀+过滤消毒工艺对污水进行处理(图1)。

1.2.1 预处理

包括格栅、集水池、调节池、一沉池。在集水池进水口设置格栅,以去除水中大量的悬浮物和漂浮物,保证后续污水处理设备的正常运行。由于医院生活污水用水量和排入污水中杂质的不均匀性,污水流量和浓度在一昼夜内有较大变化,为均衡污水水质与水量,设置了调节池,该调节池分隔为2个部分,分别设置穿孔管搅拌和曝气装置,根据系统运行情况调整污泥回流比,以保证系统中有机物、氨氮等去除效果的稳定。

1.2.2 生物接触氧化

生物接触氧化法可通过控制活性污泥的污泥负荷(F∕M),提高有机物去除率和脱氮率,降低污泥产量。采用两级生物接触氧化工艺:一级接触氧化池内F∕M高,微生物增值不受污水中营养物浓度制约,处于对数增殖期,生物膜增长快,保证有机物的去除和脱氮效率;二级接触氧化池内F∕M低,微生物增殖处于减速期或内源呼吸期,硝化菌占比较高,硝化反应可充分进行,同时有效降低污泥产量。

1.2.3 高效沉淀池

根据进水水质情况,在高效沉淀池加入混凝剂聚合氯化铝(PAC)、助凝剂聚丙烯酰胺(PAM),采用多点污泥回流措施,保证氨氮和SS的去除率。高效沉淀池包括混合反应区、絮凝反应区、澄清区,在混合反应区加入PAC,靠搅拌器的提升混合作用完成泥渣、药剂、原水的快速凝聚反应;在絮凝反应区加入PAM,进行慢速絮凝反应,以结成大的絮凝体。

1.2.4 过滤与消毒

过滤系统有效保证BOD5、SS的去除效果,降低消毒剂的用量,保证出水水质;消毒工艺采用ClO2发生器,该发生器采用化学法生成ClO2,对污水和污泥进行消毒,杀菌率超过99%。

1.3 工艺参数确定

1.3.1 生物接触氧化工艺参数

在50 L的塑料桶中挂入1组直径为125 mm的弹性立体填料,加入城市污水处理厂二沉池污泥20 L进行接种挂膜。挂膜成功后,采用预处理后的污水作为进水,水质指标CODCr为197.1~246.4 mg∕L,BOD5为98.6~123.2 mg∕L,SS浓度为68.8~85.0 mg∕L,氨氮浓度为30.2~41.8 mg∕L,总大肠菌群数大于18 000个∕L。在控制温度等其他条件不变时,分别进行气水比、容积负荷、pH对BOD5和氨氮去除率的影响单因素试验。

1.3.1.1 气水比

为有效降解污水中的有机物,生物接触氧化池中需提供充足的溶解氧(DO),以保证有机物的正常氧化,而气水比直接影响反应器中DO浓度。在容积负荷为0.50 kg∕(m3·d),进水流量为6.25 L∕h,温度为20~26 ℃的条件下,设置气水比分别为5:1、10:1、15:1、18:1,研究其对污水中BOD5、氨氮去除的影响。

1.3.1.2 容积负荷

在污水pH为7.0,气水比15:1时,设置容积负荷分别为0.15、0.30、0.50、0.80和1.00 kg∕(m3·d),即对应的进水流量分别为1.875、3.750、6.250、10.000和12.500 L∕h,水力停留时间分别为24.0、12.0、7.2、4.5、3.6 h,研究容积负荷对污水中BOD5、氨氮去除的影响。

1.3.1.3 pH

在容积负荷为0.50 kg∕(m3·d),气水比15:1时,设置pH分别为6.0、6.8、7.0、7.5、8.0、8.5和9.0,研究其对污水中BOD5、氨氮去除的影响。

1.3.2 高效沉淀池工艺参数

采用六联搅拌装置,在1 000 mL烧杯中进行混凝试验,考察单独投加PAC、联合投加PAC与PAM情况下,混凝剂投加量对处理效果的影响。

1.3.2.1 PAC

取接触氧化池出水(SS浓度为87 mg∕L),分别加入10、12、15、18和20 mg∕L的PAC,混合3 min,静置沉降30 min后,取上清液测定SS浓度。

1.3.2.2 PAC+PAM

取接触氧化池出水(SS浓度为87 mg∕L),加入15 mg∕L的PAC,快速搅拌3 min,混合均匀,然后加入PAM并慢速搅拌8 min,沉淀30 min,取上清液测定SS浓度。

1.3.3 消毒池工艺参数

以高效沉淀池的出水为研究对象,在1 000 mL的烧杯中,分别投加5、10、15和20 mg∕L(以有效氯计)的ClO2,接触时间为1 h,检测进水(高效沉淀池出水)及消毒后出水的总大肠菌群数,分析消毒前后总大肠菌群数变化。

1.4 指标检测方法

主要水质指标检测方法见表2。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数确定

2.1.1 生物接触氧化工艺参数

2.1.1.1 气水比

生物接触氧化在不同气水比时BOD5、氨氮的去除率见图2。由图2可知,随着气水比的增加,BOD5去除率变化幅度不大;而氨氮去除率随气水比增加明显增大。当气水比为5:1、10:1时,由于曝气量不足,使硝化菌生长繁殖可利用氧量不足,成为硝化反应的限制因素,造成氨氮去除率不高;当气水比为15:1、18:1时,由于可利用氧量充足,满足硝化菌的需要,氨氮去除率明显提高。从经济方面考虑,确定最佳气水比为15:1。

2.1.1.2 容积负荷

在不同容积负荷下生物接触氧化对BOD5、氨氮去除率见图3。由图3可知,容积负荷由0.15 kg∕(m3·d)增至0.8 kg∕(m3·d)时,BOD5去除率保持在94.8%左右;容积负荷超过0.8 kg∕(m3·d)时,BOD5去除率快速降低。容积负荷对氨氮的影响与BOD5差异较大,容积负荷为0.15 kg∕(m3·d)时,氨氮去除率高达99.9%,但随着容积负荷的增加,氨氮去除率快速下降。这是因为容积负荷增加造成水力停留时间减小,使微生物与污水中污染物接触时间减少,而硝化细菌世代更新时间较长,留给硝化细菌降解氨氮的时间不充足,致使氨氮的去除率降低,当容积负荷过高时,使同步硝化受到抑制。在较低容积负荷时〔<0.5 kg∕(m3·d)〕,BOD5、氨氮均有较好的处理效果,在工程应用中由于容积负荷为0.50 kg∕(m3·d)较0.30 kg∕(m3·d)节约了1∕3的池体容积,综合考虑出水水质与工程投资成本,容积负荷以0.50 kg∕(m3·d)为宜。

2.1.1.3 pH

进水pH对氨氮、BOD5去除率的影响见图4。由图4可知,进水pH变化对BOD5去除率影响较小,但对氨氮去除率影响较大。当进水pH从6.0增至7.0时,氨氮去除率明显升高;pH为7.0~8.0时,氨氮去除率趋于稳定;pH>8.0时,氨氮去除率略有降低。进水pH对氨氮去除率的影响与硝化菌活性相关,pH>8.0或pH<7.0时,硝化菌的生物活性受到抑制并趋于停止;pH>8.0时,NH+4H4+的电离平衡使NH3浓度迅速增加,由于硝化菌对NH3较为敏感,会影响硝化速度;pH<7.0时,真菌开始与细菌竞争,硝化速度减慢。可见,pH为7.5~8.0时,氨氮的硝化效果较好。