沈世豪，秦賀賀，樊金紅，周 燕， 王紅武

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)新能源高等研究院，上海 200092)

前 言

近年來(lái)，隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化水平的逐漸提高，城鎮(zhèn)生活污水的年產(chǎn)生總量在年總污水量占比逐年提升，根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部的中國(guó)水資源公報(bào)，自2008～2018年全國(guó)生活用水與工業(yè)用水的比值從0.52逐步提升至0.68，而相對(duì)的，我國(guó)人均水資源稀少，屬于世界上嚴(yán)重缺水的12個(gè)國(guó)家之一[1-2]，因此生活污水的治理成為水治理中日益重要的一環(huán)。而洗衣機(jī)廢水作為城鎮(zhèn)生活污水中占有極大比重的一部分，其最終去向及其對(duì)環(huán)境的影響是不容忽視的問(wèn)題。針對(duì)2014年前建成的住宅，根據(jù)舊建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，分流制社區(qū)住宅的排水系統(tǒng)由陽(yáng)臺(tái)及屋頂雨水收集系統(tǒng)和衛(wèi)生間、廚房污水收集系統(tǒng)等組成，其中陽(yáng)臺(tái)屋面雨水系統(tǒng)所收集的雨水往往進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)排入附近河道；而衛(wèi)生間、廚房廢水通過(guò)城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送至城市污水處理廠經(jīng)處理達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后排入江河中或排入近海域[3-4]。而現(xiàn)有城鎮(zhèn)住宅中，普遍存在陽(yáng)臺(tái)放置洗衣機(jī)的情況，因此洗衣廢水通過(guò)雨水管網(wǎng)進(jìn)入受納水體的現(xiàn)狀、洗衣廢水進(jìn)入水體的總量及其最終對(duì)水體的污染貢獻(xiàn)等均是值得深入研究的問(wèn)題。

本研究以上海這一城鎮(zhèn)化[5]相對(duì)完善的城市作為主要研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合上海市水體污染控制的推進(jìn)實(shí)施，針對(duì)上海市已建城區(qū)的洗衣污水無(wú)序排放現(xiàn)狀[6～9]，從監(jiān)管污染源和防治水污染的角度出發(fā)，調(diào)查典型城區(qū)洗衣污水水量和水質(zhì)，尤其是洗衣污水的排放模式、排放去向、排放量以及水中的總磷、總氮、氨氮、COD等污染物濃度，最終模擬和分析其對(duì)城市河道或地表水體污染的貢獻(xiàn)值，為之后該環(huán)境問(wèn)題的解決提供理論依據(jù)與支持。

1 洗衣廢水排放現(xiàn)狀

本研究以上海社區(qū)為中心，選取了浦東、楊浦、虹口共三區(qū)中滿(mǎn)足以下3點(diǎn)基本條件的部分社區(qū)作為研究對(duì)象，一是社區(qū)采用分流制排水系統(tǒng)；二是房屋建成年份早于2014年；三是陽(yáng)臺(tái)未設(shè)置污水管。在研究過(guò)程中，以相關(guān)部門(mén)訪談為基礎(chǔ)，包括社區(qū)居委、區(qū)排水管理所等；以社區(qū)居民問(wèn)卷調(diào)查為核心，發(fā)放問(wèn)卷總計(jì)約300份，回收有效問(wèn)卷共計(jì)202份，以此對(duì)上海目前洗衣廢水通過(guò)陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放的現(xiàn)狀進(jìn)行研究。

圖1 上海老式社區(qū)洗衣機(jī)擺放陽(yáng)臺(tái)現(xiàn)狀調(diào)查圖Fig.1 the Proportion of washing machine on balcony of traditional community in Shanghai

圖1是針對(duì)上海的3個(gè)調(diào)研區(qū)域，基于已有的202份問(wèn)卷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。顯然在上海洗衣機(jī)擺放陽(yáng)臺(tái)是比較普遍的現(xiàn)象，在浦東新區(qū)調(diào)研的社區(qū)中該現(xiàn)象猶為明顯，洗衣機(jī)擺放陽(yáng)臺(tái)的比例高達(dá)62%。根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，上海社區(qū)居民中了解洗衣廢水通過(guò)陽(yáng)臺(tái)雨水管排放會(huì)對(duì)受納造成污染這一環(huán)境問(wèn)題的僅有不到60%，而居民選擇將洗衣機(jī)放置陽(yáng)臺(tái)的主要原因有兩點(diǎn)：一是洗后衣物晾曬方便，二是減少洗衣機(jī)在室內(nèi)的占地面積。

圖2 上海老式社區(qū)洗衣機(jī)平均使用頻率與周期用水量Fig.2 Average frequency of using washing machine and cycle water consumption

圖2為調(diào)研的202戶(hù)上海老式社區(qū)居民的洗衣機(jī)平均使用頻率與洗衣機(jī)周期用水量分布圖，利用各用戶(hù)的洗衣頻率與洗衣機(jī)周期用水量的積，可以計(jì)算出每戶(hù)居民的平均洗衣機(jī)廢水產(chǎn)生量，公式如下：

Aw=k×∑(Qi×fi)/n

(1)

其中，Qi為第i位用戶(hù)填寫(xiě)的洗衣機(jī)單階段用水量；fi為第i位用戶(hù)填寫(xiě)的洗衣頻率;n為統(tǒng)計(jì)戶(hù)數(shù)k為修正系數(shù)(基于用戶(hù)填寫(xiě)與實(shí)測(cè)結(jié)果的修正)。

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算可得上海平均戶(hù)均洗衣廢水總量100.35L/戶(hù)·洗衣周期，59.6L/戶(hù)·d。

2 實(shí)際洗衣廢水的污染統(tǒng)計(jì)

洗衣粉和洗衣液的成份共有五大類(lèi)[1-2]：活性成份、助洗成份、緩沖成份、增效成份、分散劑、輔助成分，其中，起主要作用的成分是表面活性劑，為了保證洗滌用品的洗滌效果，國(guó)家主管部門(mén)對(duì)洗滌用品中活性成分的最低含量作了規(guī)定，根據(jù)所用活性劑的種類(lèi)和產(chǎn)品的類(lèi)別，洗衣粉中活性成分的量一般不得低于13%；洗滌用品中的助洗劑是用量最大的成分，一般會(huì)占到總組成的15%～40%，其主要作用就是通過(guò)束縛水中所含的硬度離子，使水得以軟化，從而保護(hù)表面活性劑使其發(fā)揮最大效用，所謂含磷、無(wú)磷洗滌劑，實(shí)際是指所用的助洗劑是磷系還是非磷系物質(zhì)。表1列出了常見(jiàn)的洗衣粉和洗衣液的主要成分與區(qū)別。

表1 洗滌劑主要成分表Tab.1 List of main ingredients of detergent

洗衣粉中除去蘇打粉外，最主要的成分為活性組分表面活性劑，如十二烷基苯磺酸等。洗衣液中除去水以外，最主要的活性組分也是大分子有機(jī)物的表面活性劑，這些物質(zhì)導(dǎo)致洗衣廢水產(chǎn)生較高的COD。且排入自然界后，難以快速降解。部分活性助劑如乙醇胺是氮污染的主要來(lái)源，使總氮含量較高。且其可能發(fā)生部分解離，造成洗衣廢水中氨的釋放。含磷洗衣粉廢水的無(wú)序排放是過(guò)去幾十年中國(guó)水體磷污染的一項(xiàng)重要來(lái)源。含磷洗衣粉(液)以磷酸鹽作為主要助劑，磷酸鹽是一種高效助洗劑，同時(shí)也是藻類(lèi)的助長(zhǎng)劑，水中的磷含量升高，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)趨向富營(yíng)養(yǎng)化。因此本文以COD、氨氮、總氮、總磷作為水質(zhì)研究指標(biāo)。

本研究對(duì)44戶(hù)社區(qū)居民洗衣過(guò)程中實(shí)際廢水采樣，每戶(hù)測(cè)試了洗滌、漂洗、第二次漂洗和完整洗衣階段所有出水的混合水樣共計(jì)176個(gè)水樣，并記錄洗滌劑的種類(lèi)和品牌、洗滌方式和衣物類(lèi)型。分別測(cè)試了水樣的COD、氨氮、總氮、總磷這4項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 三個(gè)調(diào)研社區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 The means and standard deviations of water quality index of three communities

注：均值是各社區(qū)水樣的算數(shù)平均數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差為各標(biāo)準(zhǔn)值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根。

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]，一般洗衣廢水的COD濃度范圍在300～800mg/L之間，上述3個(gè)社區(qū)的COD均值濃度皆在合理范圍之內(nèi)，C/N(COD/TN)值均在30±5，也符合洗衣廢水的一般特征[1,3]，另外3個(gè)社區(qū)洗衣廢水污染指標(biāo)具有以下異同點(diǎn)：首先，3個(gè)小區(qū)的主要污染指標(biāo)均為COD和總氮，而氨氮和總磷的污染比較小。COD與總氮濃度高，說(shuō)明一般洗滌劑中均有較高的表面活性劑與含氮活性助劑含量，而由于近年來(lái)上海推廣無(wú)磷洗滌劑，洗衣廢中的總磷含量很低，使得總磷已不再是主要污染物;其次不同社區(qū)不同個(gè)體由于洗滌劑不同(洗衣粉、洗衣液、洗衣凝珠等)，洗滌劑投放量不同，洗衣機(jī)種類(lèi)不同(波輪或滾筒)、單次洗衣量不同等原因，個(gè)體與個(gè)體之間差異極大，而不同社區(qū)由于不同的經(jīng)濟(jì)條件、生活習(xí)慣等原因也有比較大的差距，其中社區(qū)A與社區(qū)B地理位置較近均處于上海中心城區(qū)，具有類(lèi)似的生活習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，因此比較相近，比如最常用的洗滌劑均為藍(lán)月亮洗衣液等。而C社區(qū)所處地理位置相對(duì)偏遠(yuǎn)，所用洗滌劑與A、B社區(qū)差異較大，以各種品牌的洗衣粉為主，且由于洗衣機(jī)多為200L容量左右的半自動(dòng)或波輪洗衣機(jī)，單次洗衣量較大，洗滌劑投放量較多，故而污染物濃度偏高。由于項(xiàng)目研究的重點(diǎn)在于洗衣廢水對(duì)水體的污染貢獻(xiàn)，因此本論文不詳細(xì)對(duì)影響洗衣廢水污染物濃度的因素進(jìn)行具體的相關(guān)性分析。

3 陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放洗衣廢水的污染計(jì)算

洗衣廢水通過(guò)陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放進(jìn)入受納水體的污染主要分為以下兩種形式，一是沿河排放口排放時(shí)造成的局部污染與污染擴(kuò)散，二是污水排放總量對(duì)水體的污染貢獻(xiàn)。由于C社區(qū)是3個(gè)社區(qū)中唯一雨水直排河道的社區(qū)，因此本文以社區(qū)C為例,計(jì)算C社區(qū)洗衣廢水陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放至河道對(duì)水體的影響，并以3個(gè)社區(qū)的污染物排放情況對(duì)上海平均污染源強(qiáng)進(jìn)行污染估算。

3.1 洗衣廢水污染物排放總量

對(duì)3個(gè)社區(qū)的洗衣廢水測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，以各水質(zhì)指標(biāo)的濃度均值為基礎(chǔ)，計(jì)算各指標(biāo)的源強(qiáng)，估算洗衣廢水對(duì)水體的影響。

Ti=R×A×Q×Di/n

(2)

其中，Ti為每人每天排放到周邊水體中的某污染指標(biāo)的污染物總量；

R為進(jìn)入地表水體的洗衣廢水的比例；

A為陽(yáng)臺(tái)洗衣機(jī)的比例；

Q為每戶(hù)每天的洗衣廢水量；

Di為洗衣廢水各污染指標(biāo)的濃度；

n為每戶(hù)的人數(shù)。

根據(jù)上述公式計(jì)算，城市居民每人每天產(chǎn)生的洗衣廢水中污染排放總量如表3所示。

表3 城市居民每人每天排放的洗衣廢水中的各污染指標(biāo)總量Tab.3 Total pollution of laundry wastewater discharged by urban residents

根據(jù)上海市統(tǒng)計(jì)局2017年《統(tǒng)計(jì)年鑒》，上海市2017年人口數(shù)為2 418萬(wàn)，2.68為每戶(hù)人數(shù)均值, 59.6 L/d為每戶(hù)排水量，365為每年天數(shù)，則以上海市為例的典型特大城市因洗衣廢水排放的最大廢水總量與污染物總量如表4所示。

表4 城市居民洗衣廢水年排放總量及各污染指標(biāo)年排放總量Tab.4 Total annual discharge of laundry wastewater and various pollutant (萬(wàn)t/a)

由各污染物排放總量，計(jì)算陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放的洗衣廢水對(duì)上海市總污染排放情況的貢獻(xiàn)，公式如下

Gp=Wp/(Sr+Sp)

(3)

其中，Gp為污染物對(duì)總生活污水中相應(yīng)的貢獻(xiàn)率；Sr為生活污水中污染物排放總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；Wp為洗衣廢水污染物排放總量；Sp為洗衣廢水污染物排放總量。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2017年上海生活污水排放COD總量為12.58萬(wàn)t，氨氮3.58萬(wàn)t，上海2017年總氮排放7.76萬(wàn)t，總磷0.27萬(wàn)t，根據(jù)計(jì)算未經(jīng)處理的洗衣廢水對(duì)生活污水COD排放總量的貢獻(xiàn)率為9%～33%，生活污水氨氮貢獻(xiàn)率為0.1%～1.3%，而總氮貢獻(xiàn)率與總磷貢獻(xiàn)率均小于1%。

3.2 局部污染與污染擴(kuò)散

對(duì)于排放口局部污染的計(jì)算，本文以C社區(qū)作為研究對(duì)象，按照均勻河道連續(xù)排放污染擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算[12]：

(4)

其中，M為排放強(qiáng)度，M=q×Cp，q為污水流量，Cp為某指標(biāo)濃度;

h為水深，W為河寬，U為平均流速，約為0.1m/s;

E為紊流擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)水力學(xué)相關(guān)原理，可取0.046;

n為河岸反射次數(shù)，取-2,-1,0,1,2即可滿(mǎn)足計(jì)算精度;

a為排污口離岸的距離，為0m。

C社區(qū)的雨水受納水體為L(zhǎng)河。L河道寬度約為50m，長(zhǎng)度3 681m，水深根據(jù)枯水期和豐水期不同，約為2m。小區(qū)人口數(shù)約為4 700余人。人均洗衣廢水排量為27.7L/d，則排入河流的洗衣廢水流量1.5L/s，其中COD濃度為784.6mg/L，氨氮濃度為9.27mg/L，總氮22.97mg/L，總磷0.17mg/L，由于總磷濃度過(guò)低，且影響較小，所以不予考慮。按照上式進(jìn)行計(jì)算。按照上式計(jì)算，圖3為計(jì)算結(jié)果。

圖3 污染物分布圖Fig.3 Pollutant distribution

從COD、氨氮和總氮的變化趨勢(shì)可以看出，在排放口附近，由于河流的巨大稀釋作用，污染物濃度在很小的空間內(nèi)被很快稀釋?zhuān)刂訉挿较颍x岸邊1m的距離，污染物濃度指標(biāo)已經(jīng)降至0，而沿著河的流向，污染物先經(jīng)過(guò)迅速的稀釋作用，然后緩慢減小。以COD為例，在排放口下游50m處的岸邊，COD濃度為0.89mg/L，下游10km處的岸邊，COD濃度為0.07mg/L。即C社區(qū)由于雨水管網(wǎng)直排河道，會(huì)導(dǎo)致L河岸邊雨水排放口初出現(xiàn)沿河岸邊寬度為1m的污染帶。

3.3 洗衣廢水排放水體累積污染平衡濃度計(jì)算

根據(jù)2017年上海統(tǒng)計(jì)局《統(tǒng)計(jì)年鑒》，上海市2017年人均地表水水資源年占有量為321 480L，假設(shè)將每個(gè)人產(chǎn)生的洗衣廢水排入到自己占有的地表水資源中，以3個(gè)社區(qū)的污染排放狀況，估算污染的可能范圍，計(jì)算公式如下，污染的具體量值見(jiàn)下表5。

Ap=QP/n/321480

(5)

其中，Ap為人均日污染增加濃度；QP為每戶(hù)日排污量；n為每戶(hù)平均人數(shù)。

表5 均洗衣廢水各指標(biāo)排放量造成的人均地表水占有量的水污染情況Tab.5 The water pollution situation of the per capita surface water possession caused by the discharge of each index of laundry wastewater per capita (mg/L)

表5為理想狀態(tài)下，假設(shè)洗衣廢水均勻排放造成的水體污染，可見(jiàn)均勻分散排放不會(huì)造成水體污染。

資料表明[13]，大部分的地表水資源集中在上海郊區(qū)，其中以長(zhǎng)江和太湖水資源為主要過(guò)境水資源，上海本地水資源僅占3%。根據(jù)2017年上海市《統(tǒng)計(jì)年鑒》各區(qū)人口分布，考慮按照80%的人集中在3%地表水資源的社區(qū)估算水體污染狀況，具體數(shù)值如表6。

表6 海市區(qū)洗衣廢水排放對(duì)地表水污染初始污染濃度增加值Tab.6 Added value of initial pollution concentration of surface pollution caused by laundry wastewater discharge in Shanghai (mg/L)

對(duì)于水體累積污染平衡濃度，由于洗衣廢水中的有機(jī)物多難降解，水體自?xún)舻淖饔幂^小，考慮用較小的自?xún)粝禂?shù)0.2/d來(lái)計(jì)算累積污染量，則第n天水體某污染物指標(biāo)的濃度值Cn=0.8Cn-1+C濃度增加值(詳見(jiàn)表7)。

經(jīng)計(jì)算，如果連續(xù)排放，在第20天污染物濃度就趨于穩(wěn)定。達(dá)到平衡時(shí)的污染物濃度范圍為COD 0.49～2.9 mg/L，氨氮0.0014～0.03 mg/L，總氮0.014～0.08 mg/L，總磷小于6.3×10-4mg/L。這也是在這種人口密集區(qū)域洗衣廢水對(duì)水體所能產(chǎn)生的污染情況。

表7 河流污染20天污染物濃度與河流污染本底值 Tab.7 Pollutant concentration and river pollution background value after 20 days of continuous pollution (mg/L)

由此計(jì)算洗衣廢水對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率，而總磷濃度過(guò)低，已低于最低檢測(cè)限，因此不納入計(jì)算范圍。河流污染本底濃度值如表7所示，根據(jù)以下公式計(jì)算洗衣廢水對(duì)河流污染指標(biāo)的最大貢獻(xiàn)值。

GW=Ca/B

(6)

其中，GW為廢水對(duì)水體的污染貢獻(xiàn)率；Ca為穩(wěn)定排放累積平衡濃度；B為河流測(cè)量本底值。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于上海，洗衣廢水對(duì)水體的最大污染貢獻(xiàn)為COD貢獻(xiàn)率為1.1%～6.4%，總氮0.7%～3.7%，總磷基本無(wú)影響，而由于河流氨氮本底濃度較低，雖然氨氮的污染貢獻(xiàn)率最高可達(dá)75%，其累計(jì)污染平衡濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

4.1 通過(guò)問(wèn)卷調(diào)研與社區(qū)訪談，上海老式社區(qū)洗衣廢水通過(guò)陽(yáng)臺(tái)雨水管排放的現(xiàn)象較為普遍，部分社區(qū)洗衣機(jī)擺放陽(yáng)臺(tái)比例高達(dá)64%，而社區(qū)居民對(duì)于該環(huán)境問(wèn)題的了解程度較低，僅有不到60%的社區(qū)居民了解雨水管網(wǎng)排放洗衣廢水會(huì)對(duì)水環(huán)境帶來(lái)污染。

4.2 實(shí)地采樣與水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明，在上海由于無(wú)磷洗滌劑的推廣，磷已不再是洗衣廢水的主要污染指標(biāo)，不同社區(qū)平均COD的濃度范圍為422.71～784.57mg/L，總氮濃度范圍為16.6～28.58 mg/L，氨氮濃度范圍為1.08～9.27mg/L，總磷為0.17～0.31mg/L。

4.3 以C社區(qū)L河作為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于受納水體，洗衣廢水的岸邊排放造成的是沿河岸邊寬度為1m的污染帶。根據(jù)三個(gè)社區(qū)的污染物排放總量，計(jì)算得未經(jīng)處理的洗衣廢水對(duì)生活污水COD排放總量的貢獻(xiàn)率為9%～33%，氨氮貢獻(xiàn)率為0.1%～1.3%，而總氮與總磷貢獻(xiàn)率均小于1%。洗衣廢水對(duì)水體的最大污染貢獻(xiàn)率為COD 1.1%～6.4%，總氮0.7%～3.7%，總磷基本無(wú)影響，而由于河流氨氮本底濃度較低，雖然氨氮的污染貢獻(xiàn)率最高可達(dá)75%，其累計(jì)污染平衡濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 本研究指出了陽(yáng)臺(tái)雨水管網(wǎng)排放洗衣廢水的普遍性，以及該問(wèn)題對(duì)于水體的污染情況，為之后其它相關(guān)研究提供了研究思路以及理論與數(shù)據(jù)的支持。