上海典型城区阳台雨水管排放洗衣废水对水体污染的研究

沈世豪，秦贺贺，樊金红，周 燕， 王红武

(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.同济大学新能源高等研究院，上海 200092)

前 言

近年来，随着中国城镇化水平的逐渐提高，城镇生活污水的年产生总量在年总污水量占比逐年提升，根据中华人民共和国水利部的中国水资源公报，自2008～2018年全国生活用水与工业用水的比值从0.52逐步提升至0.68，而相对的，我国人均水资源稀少，属于世界上严重缺水的12个国家之一[1-2]，因此生活污水的治理成为水治理中日益重要的一环。而洗衣机废水作为城镇生活污水中占有极大比重的一部分，其最终去向及其对环境的影响是不容忽视的问题。针对2014年前建成的住宅，根据旧建筑设计规范，分流制社区住宅的排水系统由阳台及屋顶雨水收集系统和卫生间、厨房污水收集系统等组成，其中阳台屋面雨水系统所收集的雨水往往进入市政雨水管网排入附近河道；而卫生间、厨房废水通过城市污水管网系统输送至城市污水处理厂经处理达到国家排放标准后排入江河中或排入近海域[3-4]。而现有城镇住宅中，普遍存在阳台放置洗衣机的情况，因此洗衣废水通过雨水管网进入受纳水体的现状、洗衣废水进入水体的总量及其最终对水体的污染贡献等均是值得深入研究的问题。

本研究以上海这一城镇化[5]相对完善的城市作为主要研究对象，同时结合上海市水体污染控制的推进实施，针对上海市已建城区的洗衣污水无序排放现状[6～9]，从监管污染源和防治水污染的角度出发，调查典型城区洗衣污水水量和水质，尤其是洗衣污水的排放模式、排放去向、排放量以及水中的总磷、总氮、氨氮、COD等污染物浓度，最终模拟和分析其对城市河道或地表水体污染的贡献值，为之后该环境问题的解决提供理论依据与支持。

1 洗衣废水排放现状

本研究以上海社区为中心，选取了浦东、杨浦、虹口共三区中满足以下3点基本条件的部分社区作为研究对象，一是社区采用分流制排水系统；二是房屋建成年份早于2014年；三是阳台未设置污水管。在研究过程中，以相关部门访谈为基础，包括社区居委、区排水管理所等；以社区居民问卷调查为核心，发放问卷总计约300份，回收有效问卷共计202份，以此对上海目前洗衣废水通过阳台雨水管网排放的现状进行研究。

图1 上海老式社区洗衣机摆放阳台现状调查图Fig.1 the Proportion of washing machine on balcony of traditional community in Shanghai

图1是针对上海的3个调研区域，基于已有的202份问卷的统计结果。显然在上海洗衣机摆放阳台是比较普遍的现象，在浦东新区调研的社区中该现象犹为明显，洗衣机摆放阳台的比例高达62%。根据问卷调查结果，上海社区居民中了解洗衣废水通过阳台雨水管排放会对受纳造成污染这一环境问题的仅有不到60%，而居民选择将洗衣机放置阳台的主要原因有两点：一是洗后衣物晾晒方便，二是减少洗衣机在室内的占地面积。

图2 上海老式社区洗衣机平均使用频率与周期用水量Fig.2 Average frequency of using washing machine and cycle water consumption

图2为调研的202户上海老式社区居民的洗衣机平均使用频率与洗衣机周期用水量分布图，利用各用户的洗衣频率与洗衣机周期用水量的积，可以计算出每户居民的平均洗衣机废水产生量，公式如下：

Aw=k×∑(Qi×fi)/n

(1)

其中，Qi为第i位用户填写的洗衣机单阶段用水量；fi为第i位用户填写的洗衣频率;n为统计户数k为修正系数(基于用户填写与实测结果的修正)。

经数据处理，计算可得上海平均户均洗衣废水总量100.35L/户·洗衣周期，59.6L/户·d。

2 实际洗衣废水的污染统计

洗衣粉和洗衣液的成份共有五大类[1-2]：活性成份、助洗成份、缓冲成份、增效成份、分散剂、辅助成分，其中，起主要作用的成分是表面活性剂，为了保证洗涤用品的洗涤效果，国家主管部门对洗涤用品中活性成分的最低含量作了规定，根据所用活性剂的种类和产品的类别，洗衣粉中活性成分的量一般不得低于13%；洗涤用品中的助洗剂是用量最大的成分，一般会占到总组成的15%～40%，其主要作用就是通过束缚水中所含的硬度离子，使水得以软化，从而保护表面活性剂使其发挥最大效用，所谓含磷、无磷洗涤剂，实际是指所用的助洗剂是磷系还是非磷系物质。表1列出了常见的洗衣粉和洗衣液的主要成分与区别。

表1 洗涤剂主要成分表Tab.1 List of main ingredients of detergent

洗衣粉中除去苏打粉外，最主要的成分为活性组分表面活性剂，如十二烷基苯磺酸等。洗衣液中除去水以外，最主要的活性组分也是大分子有机物的表面活性剂，这些物质导致洗衣废水产生较高的COD。且排入自然界后，难以快速降解。部分活性助剂如乙醇胺是氮污染的主要来源，使总氮含量较高。且其可能发生部分解离，造成洗衣废水中氨的释放。含磷洗衣粉废水的无序排放是过去几十年中国水体磷污染的一项重要来源。含磷洗衣粉(液)以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐是一种高效助洗剂，同时也是藻类的助长剂，水中的磷含量升高，会导致水质趋向富营养化。因此本文以COD、氨氮、总氮、总磷作为水质研究指标。

本研究对44户社区居民洗衣过程中实际废水采样，每户测试了洗涤、漂洗、第二次漂洗和完整洗衣阶段所有出水的混合水样共计176个水样，并记录洗涤剂的种类和品牌、洗涤方式和衣物类型。分别测试了水样的COD、氨氮、总氮、总磷这4项指标，结果如表2所示。

表2 三个调研社区的水质指标的均值和标准差Tab.2 The means and standard deviations of water quality index of three communities

注：均值是各社区水样的算数平均数，标准差为各标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。

根据文献[10-11]，一般洗衣废水的COD浓度范围在300～800mg/L之间，上述3个社区的COD均值浓度皆在合理范围之内，C/N(COD/TN)值均在30±5，也符合洗衣废水的一般特征[1,3]，另外3个社区洗衣废水污染指标具有以下异同点：首先，3个小区的主要污染指标均为COD和总氮，而氨氮和总磷的污染比较小。COD与总氮浓度高，说明一般洗涤剂中均有较高的表面活性剂与含氮活性助剂含量，而由于近年来上海推广无磷洗涤剂，洗衣废中的总磷含量很低，使得总磷已不再是主要污染物;其次不同社区不同个体由于洗涤剂不同(洗衣粉、洗衣液、洗衣凝珠等)，洗涤剂投放量不同，洗衣机种类不同(波轮或滚筒)、单次洗衣量不同等原因，个体与个体之间差异极大，而不同社区由于不同的经济条件、生活习惯等原因也有比较大的差距，其中社区A与社区B地理位置较近均处于上海中心城区，具有类似的生活习惯和经济发展程度，因此比较相近，比如最常用的洗涤剂均为蓝月亮洗衣液等。而C社区所处地理位置相对偏远，所用洗涤剂与A、B社区差异较大，以各种品牌的洗衣粉为主，且由于洗衣机多为200L容量左右的半自动或波轮洗衣机，单次洗衣量较大，洗涤剂投放量较多，故而污染物浓度偏高。由于项目研究的重点在于洗衣废水对水体的污染贡献，因此本论文不详细对影响洗衣废水污染物浓度的因素进行具体的相关性分析。

3 阳台雨水管网排放洗衣废水的污染计算

洗衣废水通过阳台雨水管网排放进入受纳水体的污染主要分为以下两种形式，一是沿河排放口排放时造成的局部污染与污染扩散，二是污水排放总量对水体的污染贡献。由于C社区是3个社区中唯一雨水直排河道的社区，因此本文以社区C为例,计算C社区洗衣废水阳台雨水管网排放至河道对水体的影响，并以3个社区的污染物排放情况对上海平均污染源强进行污染估算。

3.1 洗衣废水污染物排放总量

对3个社区的洗衣废水测试的统计结果如表2所示，以各水质指标的浓度均值为基础，计算各指标的源强，估算洗衣废水对水体的影响。

Ti=R×A×Q×Di/n

(2)

其中，Ti为每人每天排放到周边水体中的某污染指标的污染物总量；

R为进入地表水体的洗衣废水的比例；

A为阳台洗衣机的比例；

Q为每户每天的洗衣废水量；

Di为洗衣废水各污染指标的浓度；

n为每户的人数。

根据上述公式计算，城市居民每人每天产生的洗衣废水中污染排放总量如表3所示。

表3 城市居民每人每天排放的洗衣废水中的各污染指标总量Tab.3 Total pollution of laundry wastewater discharged by urban residents

根据上海市统计局2017年《统计年鉴》，上海市2017年人口数为2 418万，2.68为每户人数均值, 59.6 L/d为每户排水量，365为每年天数，则以上海市为例的典型特大城市因洗衣废水排放的最大废水总量与污染物总量如表4所示。

表4 城市居民洗衣废水年排放总量及各污染指标年排放总量Tab.4 Total annual discharge of laundry wastewater and various pollutant (万t/a)

由各污染物排放总量，计算阳台雨水管网排放的洗衣废水对上海市总污染排放情况的贡献，公式如下

Gp=Wp/(Sr+Sp)

(3)

其中，Gp为污染物对总生活污水中相应的贡献率；Sr为生活污水中污染物排放总量统计数据；Wp为洗衣废水污染物排放总量；Sp为洗衣废水污染物排放总量。

根据国家统计局数据，2017年上海生活污水排放COD总量为12.58万t，氨氮3.58万t，上海2017年总氮排放7.76万t，总磷0.27万t，根据计算未经处理的洗衣废水对生活污水COD排放总量的贡献率为9%～33%，生活污水氨氮贡献率为0.1%～1.3%，而总氮贡献率与总磷贡献率均小于1%。

3.2 局部污染与污染扩散

对于排放口局部污染的计算，本文以C社区作为研究对象，按照均匀河道连续排放污染扩散模型进行计算[12]：

(4)

其中，M为排放强度，M=q×Cp，q为污水流量，Cp为某指标浓度;

h为水深，W为河宽，U为平均流速，约为0.1m/s;

E为紊流扩散系数，根据水力学相关原理，可取0.046;

n为河岸反射次数，取-2,-1,0,1,2即可满足计算精度;

a为排污口离岸的距离，为0m。

C社区的雨水受纳水体为L河。L河道宽度约为50m，长度3 681m，水深根据枯水期和丰水期不同，约为2m。小区人口数约为4 700余人。人均洗衣废水排量为27.7L/d，则排入河流的洗衣废水流量1.5L/s，其中COD浓度为784.6mg/L，氨氮浓度为9.27mg/L，总氮22.97mg/L，总磷0.17mg/L，由于总磷浓度过低，且影响较小，所以不予考虑。按照上式进行计算。按照上式计算，图3为计算结果。

图3 污染物分布图Fig.3 Pollutant distribution

从COD、氨氮和总氮的变化趋势可以看出，在排放口附近，由于河流的巨大稀释作用，污染物浓度在很小的空间内被很快稀释，沿着河宽方向，离岸边1m的距离，污染物浓度指标已经降至0，而沿着河的流向，污染物先经过迅速的稀释作用，然后缓慢减小。以COD为例，在排放口下游50m处的岸边，COD浓度为0.89mg/L，下游10km处的岸边，COD浓度为0.07mg/L。即C社区由于雨水管网直排河道，会导致L河岸边雨水排放口初出现沿河岸边宽度为1m的污染带。

3.3 洗衣废水排放水体累积污染平衡浓度计算

根据2017年上海统计局《统计年鉴》，上海市2017年人均地表水水资源年占有量为321 480L，假设将每个人产生的洗衣废水排入到自己占有的地表水资源中，以3个社区的污染排放状况，估算污染的可能范围，计算公式如下，污染的具体量值见下表5。

Ap=QP/n/321480

(5)

其中，Ap为人均日污染增加浓度；QP为每户日排污量；n为每户平均人数。

表5 均洗衣废水各指标排放量造成的人均地表水占有量的水污染情况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为理想状态下，假设洗衣废水均匀排放造成的水体污染，可见均匀分散排放不会造成水体污染。

资料表明[13]，大部分的地表水资源集中在上海郊区，其中以长江和太湖水资源为主要过境水资源，上海本地水资源仅占3%。根据2017年上海市《统计年鉴》各区人口分布，考虑按照80%的人集中在3%地表水资源的社区估算水体污染状况，具体数值如表6。

表6 海市区洗衣废水排放对地表水污染初始污染浓度增加值Tab.6 Added value of initial pollution concentration of surface pollution caused by laundry wastewater discharge in Shanghai (mg/L)

对于水体累积污染平衡浓度，由于洗衣废水中的有机物多难降解，水体自净的作用较小，考虑用较小的自净系数0.2/d来计算累积污染量，则第n天水体某污染物指标的浓度值Cn=0.8Cn-1+C浓度增加值(详见表7)。

经计算，如果连续排放，在第20天污染物浓度就趋于稳定。达到平衡时的污染物浓度范围为COD 0.49～2.9 mg/L，氨氮0.0014～0.03 mg/L，总氮0.014～0.08 mg/L，总磷小于6.3×10-4mg/L。这也是在这种人口密集区域洗衣废水对水体所能产生的污染情况。

表7 河流污染20天污染物浓度与河流污染本底值 Tab.7 Pollutant concentration and river pollution background value after 20 days of continuous pollution (mg/L)

由此计算洗衣废水对水体污染的贡献率，而总磷浓度过低，已低于最低检测限，因此不纳入计算范围。河流污染本底浓度值如表7所示，根据以下公式计算洗衣废水对河流污染指标的最大贡献值。

GW=Ca/B

(6)

其中，GW为废水对水体的污染贡献率；Ca为稳定排放累积平衡浓度；B为河流测量本底值。

经计算，对于上海，洗衣废水对水体的最大污染贡献为COD贡献率为1.1%～6.4%，总氮0.7%～3.7%，总磷基本无影响，而由于河流氨氮本底浓度较低，虽然氨氮的污染贡献率最高可达75%，其累计污染平衡浓度远低于国家一级A排放标准。

4 结 论

4.1 通过问卷调研与社区访谈，上海老式社区洗衣废水通过阳台雨水管排放的现象较为普遍，部分社区洗衣机摆放阳台比例高达64%，而社区居民对于该环境问题的了解程度较低，仅有不到60%的社区居民了解雨水管网排放洗衣废水会对水环境带来污染。

4.2 实地采样与水质检测结果表明，在上海由于无磷洗涤剂的推广，磷已不再是洗衣废水的主要污染指标，不同社区平均COD的浓度范围为422.71～784.57mg/L，总氮浓度范围为16.6～28.58 mg/L，氨氮浓度范围为1.08～9.27mg/L，总磷为0.17～0.31mg/L。

4.3 以C社区L河作为研究对象，通过计算与数据统计，对于受纳水体，洗衣废水的岸边排放造成的是沿河岸边宽度为1m的污染带。根据三个社区的污染物排放总量，计算得未经处理的洗衣废水对生活污水COD排放总量的贡献率为9%～33%，氨氮贡献率为0.1%～1.3%，而总氮与总磷贡献率均小于1%。洗衣废水对水体的最大污染贡献率为COD 1.1%～6.4%，总氮0.7%～3.7%，总磷基本无影响，而由于河流氨氮本底浓度较低，虽然氨氮的污染贡献率最高可达75%，其累计污染平衡浓度远低于国家一级A排放标准。

4.4 本研究指出了阳台雨水管网排放洗衣废水的普遍性，以及该问题对于水体的污染情况，为之后其它相关研究提供了研究思路以及理论与数据的支持。