医院生活污水回用处理工艺的参数确定及工程应用效果

董欣杨，刘为

1.核工业北京化工冶金研究院 2.中国皮革制鞋研究院有限公司

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[3-5]，常采用以沉淀+生化法+消毒为主的三级处理工艺[6-9]。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[11-14]。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。

表1 医院生活污水水质

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)。

图1 医院生活污水处理工艺流程Fig.1 Flow chart process of domestic sewage from hospital

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。

1.3.1.3pH

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。

1.3.2.1PAC

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。

1.3.2.2PAC+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。

表2 主要水质指标检测方法

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。

图2 不同气水比时BOD5、氨氮去除率的变化Fig.2 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different gas water ratio

2.1.1.2容积负荷

图3 不同容积负荷时BOD5、氨氮去除率的变化Fig.3 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different volume loads

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。

2.1.1.3pH

图4 不同pH时BOD5、氨氮去除率的变化Fig.4 Variations of removal rate of BOD5 and ammonia nitrogen at different pH

2.1.2高效沉淀池工艺参数

2.1.2.1PAC投加量

不同PAC投加量时污水中SS去除率变化如图5所示。由图5可知，SS去除率随PAC投加量加大而提高；PAC投加量超过15.0 mg/L时，增加PAC投加量，SS去除率呈下降趋势。确定PAC最佳投加量为15.0 mg/L。

图5 不同PAC投加量时SS去除率的变化Fig.5 Variation of SS removal rate at different PAC dosages

2.1.2.2联合处理时PAM的投加量

PAC+PAM联合处理时，PAC投加量稳定在15.0 mg/L，不同PAM投加量下污水中SS去除率变化如图6所示。由图6可知，随着PAM投加量的增加，SS去除率明显增加；PAM投加量超过1.0 mg/L时，SS去除率稳定在95%左右。

图6 PAC+PAM联合处理时不同PAM投加量下SS去除率的变化Fig.6 Variation of SS removal rate at different PAM inputs under PAC+PAM joint treatment

采用PAC+PAM联合处理方式，PAC投加量为15.0 mg/L，PAM投加量为1.0 mg/L时，SS去除率较稳定。

2.1.3消毒池工艺参数

不同ClO2投加量时总大肠菌群数如表3所示。由表3可知，ClO2投加量高于12 mg/L时，消毒后出水总大肠菌群数可被控制在1个/L以下，总余氯浓度保持在1.5 mg/L。确定ClO2最佳投加量为12 mg/L。

表3 不同ClO2投加量时总大肠杆菌群数的变化

2.1.4最佳工艺条件

通过小试试验确定的最佳设计参数：容积负荷为0.50 kg/(m3·d)，pH为7.5～8.0，气水比为15∶1，投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分别为15.0、1.0 mg/L)，同时采用12 mg/L的ClO2对出水进行消毒。

2.2 工程应用及效果

在天津市某专科医院的生活污水处理设施升级改造中，采用预处理+生物接触氧化+高效沉淀+过滤消毒工艺进行设计，生活污水设计水量为2 000 m3/d。于2014年8月完成工艺升级，9月进行运行调试，10月稳定运行，此时该工程最佳运行工况：容积负荷为 0.50 kg/(m3·d)，pH为7.8左右，气水比为17.5∶1.0，联合投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分别为21.0、0.8 mg/L)，ClO2投加量为12 mg/L。于2014年11月对进水、出水水质进行监测，结果见表4[18]。由表4可知，出水主要指标均达到GB/T 18920—2002回用水冲厕水质要求。

表4 工程稳定运行时进出水水质监测结果

(续表4)

3 结论

(1)针对医院生活污水特点，采用“预处理+接触氧化+高效沉淀+过滤消毒”工艺进行处理，小试试验确定其最佳工艺条件：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。

(2)采用“预处理+接触氧化+高效沉淀+过滤消毒”工艺，对天津市某专科医院生活污水进行升级改造，工程规模为2 000 m3/d，稳定运行时工程最佳运行工况：容积负荷为0.50 kg/(m3·d)，pH控制在7.8左右，气水比为17.5∶1.0，投加PAC+PAM(PAC、PAM投加量分别为21.0、0.8 mg/L)，采用ClO2发生器产生的ClO2进行消毒(投加量为12 mg/L，接触时间为1 h)。处理后出水达到GB/T 18920—2002回用水冲厕水质要求。