監(jiān)測數(shù)據(jù)：城鎮(zhèn)污水廠進(jìn)水污染物負(fù)荷變化規(guī)律

對QH2再生水廠旱季（汛前4月、汛后11月）與雨季（主汛期7月）進(jìn)水污染物負(fù)荷變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析。結(jié)果表明：QH2進(jìn)水污染物負(fù)荷受源頭用水特性、管網(wǎng)運(yùn)維狀態(tài)，以及水廠抽升策略的綜合影響。旱季QH2柵前液位與居民用水量均呈雙峰分布，且峰值間隔時長接近。管網(wǎng)對上游來水的生物緩沖、稀釋緩沖、容積緩沖效應(yīng)，隨旱季低液位抽升與汛期大水量沖刷而發(fā)生變化。旱季進(jìn)水耗氧污染物負(fù)荷（OCPL）略高，汛前、汛后生物池單位容積需氧量為22.36、21.41 g/（m3·h）。且低液位抽升易導(dǎo)致管網(wǎng)沉積物中顆粒態(tài)COD、TP的混入。雖監(jiān)測到污染物濃度升高的初雨效應(yīng)，但雨季進(jìn)水OCPL略低，主汛期生物池單位容積需氧量為20.58 g/（m3·h）。旱季、雨季非降雨日，早間時段進(jìn)水OCPL與需氧量約為其他時段的1/2。不考慮雨水稀釋作用，進(jìn)水氨氮濃度全年保持穩(wěn)定，Anammox對泥區(qū)回流液的處理，有效降低了生物系統(tǒng)氨氮負(fù)荷。

排水戶用水特性屬于源頭因素，由用戶類型、生產(chǎn)生活習(xí)慣等決定。市政管網(wǎng)在排水戶與再生水廠間起紐帶作用，排水體制類型、管網(wǎng)運(yùn)維狀態(tài)，以及汛前汛后管網(wǎng)緩沖能力的變化為進(jìn)廠污染物負(fù)荷的波動增加了諸多不確定性。而再生水廠進(jìn)水泵抽升策略是實(shí)現(xiàn)前端管網(wǎng)性能維持與后端生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。本文以北京市50萬m3/d的QH2再生水廠汛前、主汛期、汛后進(jìn)水污染物負(fù)荷監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合分析水廠服務(wù)區(qū)域內(nèi)用水特性、排水管網(wǎng)性能，以及水廠抽升策略等多因素的影響，以期更加系統(tǒng)地呈現(xiàn)污水處理廠進(jìn)水污染物變化規(guī)律，為再生水廠運(yùn)行調(diào)控提供基礎(chǔ)支撐。

01 材料與方法

北京市某排水流域QH1廠、QH2廠流域面積近150 km2，用地性質(zhì)主要為居住與商業(yè)，以合流制管網(wǎng)為基礎(chǔ)。QH1廠位于管網(wǎng)上游，超出其接收能力的來水，經(jīng)下開式聯(lián)通閘與排水干線（直徑2.6m，長度約10km）向下游QH2廠輸運(yùn)。聯(lián)通閘溢流輸運(yùn)水量占QH2廠處理水量的比例＞30%。

選取2021年汛前（4月19日至21日）、汛中（7月16日至20日）、汛后（11月16日至18日）三個典型時段，對QH2廠進(jìn)水水量水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測分析。自動采樣器型號為哈希AS950，取樣間隔1h。COD、氮、磷等污染物指標(biāo)的測定均按照國家環(huán)?？偩职l(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。樣品經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，測定溶解性COD（SCOD）與正磷酸鹽含量。

02 結(jié)果與討論

2.1 QH2進(jìn)水流量、水質(zhì)年度變化情況

如圖1所示，QH2廠進(jìn)水水量與水質(zhì)以主汛期為分水嶺，呈現(xiàn)明顯變化。汛前（1月至6月）與主汛期（7月至9月），日均處理水量分別為36.36萬m3、52.76萬m3，汛后（10月至12月）日均處理水量44.66萬m3，較主汛期下降15.35%。

汛前進(jìn)水每日COD、TP含量大幅波動，差異系數(shù)分別為0.47、0.45，而主汛期及汛后相對穩(wěn)定，差異系數(shù)分別為0.27、0.20。分析原因：汛前污水在管道輸運(yùn)過程中形成沉積層。例如，旱季QH1廠前南側(cè)排水干線局部積泥厚近1.0m，沉積比約30%，接近滿管流。當(dāng)管網(wǎng)下游污水處理廠低液位抽升時，對管網(wǎng)沉積物產(chǎn)生擾動，顆粒態(tài)COD、TP組分的混入導(dǎo)致進(jìn)水COD、TP總量升高。

由于雨水的稀釋作用，主汛期進(jìn)水氨氮較汛前與汛后明顯降低。若以主汛期與汛前日均水量比值為雨水稀釋倍數(shù)，扣除雨水稀釋作用，則主汛期進(jìn)廠原污水氨氮均值為30.6 mg/L，與汛前進(jìn)水氨氮均值32.3 mg/L接近。而汛后氨氮含量異常偏低，12月中旬才恢復(fù)到汛前水平，推測受汛期降雨影響，地下水位上升，施工降水排入管網(wǎng)導(dǎo)致進(jìn)廠氨氮含量降低。QH2廠進(jìn)水氨氮含量全年保持穩(wěn)定的原因：Ⅰ氨氮來源穩(wěn)定，城市污水中近80%的氮素源自尿液；Ⅱ存在形式單一，國內(nèi)外分析數(shù)據(jù)表明尿液中85%~94%的氮素以NH4+形式存在。

2.2 QH2進(jìn)水流量日變化情況

市政管網(wǎng)來水水量水質(zhì)波動情況受源頭用水特性的直接影響，主要取決于用戶類型，且呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律與季節(jié)性。QH2廠服務(wù)區(qū)域內(nèi)主要為居住、商業(yè)用地。冬春時節(jié)（旱季），居住區(qū)每日分別圍繞早7至9時與晚18至20時出現(xiàn)兩個用水量峰值，峰值間隔時間近11h。夜間1至5時為最小用水量時段。夏秋季節(jié)，早、晚用水量高峰會分別提前與延后約1h，且晚間峰值流量更大。而商業(yè)辦公區(qū)在工作時段內(nèi)用水量保持穩(wěn)定，會適當(dāng)提升兩峰值中間時段的用水量，但不會改變雙峰特征。

受水區(qū)域內(nèi)用水量的峰谷變化，導(dǎo)致排水管網(wǎng)充滿度的規(guī)律性潮汐波動，并最終體現(xiàn)在水廠進(jìn)水流量與柵前液位的變化上。如圖2所示，QH1廠柵前液位（12月8日至11日）每日下午14時、夜間24時出現(xiàn)兩個峰值，峰值間隔約10h，與旱季每日用水量峰值間隔接近，但兩峰的達(dá)峰時間較用水峰分別延遲了5~6h。且午間柵前液位升高后，維持在較高水平，未見退峰現(xiàn)象，與程珣等監(jiān)測規(guī)律相似。此外，每日早6時至9時，柵前液位出現(xiàn)谷值。受上游管網(wǎng)來水變化與QH1廠抽升的影響，QH2廠柵前液位每日下午17至18時與夜間2至4時分別出現(xiàn)一個小峰與大峰，峰值間隔同樣約10h，但是較上游QH1廠柵前液位的達(dá)峰時間延遲2~3h。QH1與QH2抽升水量的日變化規(guī)律接近，每天為低水量時段，午間兩廠水量提升后均維持在高位。

2.3 QH2旱季進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.3.1 旱季進(jìn)水流量與柵前液位

旱季，污水處理廠進(jìn)水水量水質(zhì)主要由居民用水規(guī)律性變化決定，并受水廠抽升狀態(tài)的影響。柵前液位與抽升水量為兩關(guān)鍵控制參數(shù)。兩種工況下水廠會發(fā)生低液位抽升，Ⅰ預(yù)報降雨前執(zhí)行低液位抽升為管網(wǎng)騰容；例如，4月15日凌晨、4月21日上午開始QH1與QH2提前開始低液位抽升，以應(yīng)對4月15日下午與4月21日夜間的降雨，而流域降雨量均＜2mm，降雨量對水廠水量影響有限。QH1兩次低液位抽升導(dǎo)致通過干管聯(lián)通閘溢流進(jìn)入下游的水量明顯減少，且QH2最低時均液位分別降至1.42 m、1.25 m，較平日最低液位2.58 m，降幅高達(dá)46.97%、52.65%（見圖3a、3b）。Ⅱ流域總來水量穩(wěn)中有降，而上游QH1廠抽升量偏大，導(dǎo)致下游QH2廠偶發(fā)性低液位抽升。

圖3 旱季（4月）連續(xù)監(jiān)測期間QH1、QH2進(jìn)水流量與柵前液位變化情況

2.3.2 旱季進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)

由圖1可知，汛后11月QH2進(jìn)水流量較主汛期雖明顯回落，但較汛前4月份仍偏高16.62%。受其影響，11月16日6時至19日5時，進(jìn)水COD、氨氮、總磷濃度三日時均值分別為330.45、29.32、4.57 mg/L，較汛前4月19日6時至21日5時三日時均值，降幅分別為19.21%、19.72%、33.0%。4月21日雨前低液位抽升導(dǎo)致，進(jìn)水COD、TP劇烈波動（見圖4），當(dāng)日COD、TP差異系數(shù)為0.41、0.43，分別為前兩日的2.69、5.96倍。而溶解態(tài)組分SCOD與正磷酸鹽未見明顯波動，進(jìn)一步證實(shí)低液位抽升期間進(jìn)水COD、TP的升高與波動，主要由管網(wǎng)沉積物中顆粒態(tài)組分的混入導(dǎo)致。例如，汛后11月某次低液位抽升期間，上游排水干線的積泥厚度降低量近14 cm。進(jìn)水氨氮未受低液位抽升影響，氨氮濃度相對平穩(wěn)，三日變異系數(shù)均值僅為0.053。11月16日凌晨的偶發(fā)性低液位抽升，同樣引發(fā)了進(jìn)水COD、TP的波動，但由于汛期水力沖刷，管網(wǎng)沉積層厚度降低，顆粒態(tài)組分含量變化對進(jìn)水COD、TP的影響較汛前明顯減弱。受泥區(qū)回流液的影響，4月份三日進(jìn)水氨氮濃度在早間低水量時段未呈現(xiàn)規(guī)律性下降。而泥區(qū)回流液經(jīng)Anammox系統(tǒng)處理后，11月份三日早間時段進(jìn)水氨氮濃度出現(xiàn)谷值，與上游QH1進(jìn)水氨氮日變化規(guī)律相似。此外，進(jìn)入冬季，氣溫逐漸降低，伴隨居民飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以及氮素在管網(wǎng)輸運(yùn)過程中轉(zhuǎn)化效率的變化，進(jìn)水有機(jī)氮含量與占總氮比例，分別提升22%、7.50%。

圖4 旱季（4月、11月）連續(xù)監(jiān)測期間QH2進(jìn)水水質(zhì)變化情況

水廠進(jìn)水水量水質(zhì)由居民用水規(guī)律決定，并受低液位抽升、汛期大水量沖擊過程中“管網(wǎng)緩沖容量”變化的影響。管網(wǎng)緩沖容量可體現(xiàn)在三方面：

①生物緩沖，汛前管道附著生物膜、底部沉積物中含有豐富的微生物，其菌群結(jié)構(gòu)較源頭人類腸道菌群與下游污水處理廠活性污泥菌群結(jié)構(gòu)均有所不同，且微生物多樣性與豐度呈現(xiàn)時空差異與季節(jié)性變化。污水在管道輸運(yùn)過程中，微生物對有機(jī)物及營養(yǎng)鹽的利用與轉(zhuǎn)化，對水質(zhì)起到一定的穩(wěn)定作用。而經(jīng)過汛期大水量沖刷后，管道內(nèi)生物量降低，厭氧環(huán)境被破壞，生物緩沖作用減弱；

②稀釋緩沖，旱季管網(wǎng)充滿度潮汐波動，下游管網(wǎng)蓄水量對上游來水的稀釋緩沖作用相對穩(wěn)定。但是汛后管網(wǎng)淤堵情況緩解，下游對上游的頂托效應(yīng)減弱，整體充滿度降低，管網(wǎng)存蓄水量減少，稀釋緩沖作用減弱；

③容積緩沖：汛前管道底部沉積物多、局部管阻明顯、充滿度高，管網(wǎng)容積緩沖容量被壓縮。汛后管道底部沉積物較汛前減少、管路相對通暢，容積緩沖容量得到一定程度釋放。但對于充滿度控制合理的管網(wǎng)系統(tǒng)，容積緩沖只在汛期大水量沖擊負(fù)荷下發(fā)揮作用。

2.3.3 Anammox對泥區(qū)回流氨氮的去除

剩余污泥中蛋白質(zhì)含量較高，占有機(jī)物總量的近75%以上，其在厭氧消化過程中會產(chǎn)生大量的氨氮。如圖5所示，板框?yàn)V液氨氮日均濃度1 852mg/L，濾液量626m3/d，Anammox系統(tǒng)投運(yùn)前，泥區(qū)板框?yàn)V液均回流至水區(qū)前端，回流氨氮量折算生物池容積負(fù)荷為0.12 g/（m3·h），占旱季（4月份）全天及早間時段管網(wǎng)來水氨氮負(fù)荷的比例分別為9.16%、13.72%。6月份Anammox系統(tǒng)投運(yùn)后，平均82.33%的氨氮經(jīng)短程硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)去除，有效緩解了泥區(qū)回流氨氮對生物系統(tǒng)的沖擊，尤其對早間時段氨氮負(fù)荷的穩(wěn)定效果顯著。

2.4 QH2雨季進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.4.1 雨季進(jìn)水流量與柵前液位

雨季降水頻發(fā)，水廠低液位抽升為管網(wǎng)騰容頻次也顯著增加。7月16日6時至21日4時，對QH2廠開展主汛期進(jìn)水水量水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測。如圖6所示，7月15日8時至16日19時。35h內(nèi)柵前液位經(jīng)歷了高低液位6~10倍的劇烈波動，上游管網(wǎng)水力沖擊顯著增加。降雨于7月17日21時陸續(xù)展開，至19日早6時結(jié)束，流域平均降雨量100.9mm。

即7月17日22時，抽升量高于平日，且穩(wěn)中有升，柵前液位開始上漲，表明降雨匯流傳輸至水廠端部，管網(wǎng)容積緩沖開始發(fā)揮作用。直至18日5時，抽升量與柵前液位達(dá)到臨界值。18日6時，抽升量雖繼續(xù)提升，但柵前液位由4.09m迅速升至8.69m，管網(wǎng)容積緩沖容量全部釋放。7月17日22時至18日5時，時均抽升量2.63萬m3/h，較非降雨日該時段抽升量1.8萬~2.0萬m3/h，8h累計(jì)多抽升4.52萬~6.62萬m3。該數(shù)值可近似等同于QH2廠上游管網(wǎng)汛期容積緩沖容量。

2.4.2 雨季進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)

受低液位抽升與管網(wǎng)緩沖容量降低的影響，前兩日進(jìn)水COD、TP波動明顯。進(jìn)水氨氮變化規(guī)律與旱季11月份相似，早間低水量時段濃度低，其他時段濃度較高（見圖7）。7月17日1時至5時，進(jìn)水COD、TP快速升高，呈現(xiàn)明顯的初雨效應(yīng)，COD、TP時均濃度分別為前一天均值的2.32、1.52倍。因此，初期雨水應(yīng)作為合流制管網(wǎng)汛期調(diào)蓄與溢流污染控制的重點(diǎn)。監(jiān)測后三日（7月18日8時至21日4時），在2.7萬~3.8萬m3/h大水量抽升的同時，柵前液位仍維持在＞7.5m的高位。雨水對進(jìn)水水質(zhì)的稀釋作用凸顯，污染物濃度維持在較低水平。以COD為例，后三日均值195mg/L，最低值僅為113 mg/L。

圖7 雨季（7月）連續(xù)監(jiān)測期間QH2進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.5 QH2進(jìn)水污染物負(fù)荷與生物池需氧量

如圖8a所示，三次連續(xù)取樣監(jiān)測過程中，受進(jìn)水流量與污染物濃度變化的影響，生物池主要耗氧污染物指標(biāo)COD與氨氮的24h時均容積負(fù)荷呈現(xiàn)波動。但日均值相對穩(wěn)定，汛前（4月19日至21日）、汛中（7月16日至20日）、汛后（11月16日至18日），COD容積負(fù)荷分別為15.81、14.96、15.12 g/（m3·h），氨氮容積負(fù)荷分別為1.43、1.22、1.38 g/（m3·h）。若以1mg氨氮轉(zhuǎn)化成硝氮需要消耗4.57mgO2計(jì)算，即耗氧污染物總負(fù)荷=COD+4.57NH3-N。則汛前、主汛期、汛后，生物池單位容積需氧量分別為22.36、20.58、21.41 g/（m3·h），基本保持不變，差異系數(shù)僅為0.042。汛前、汛后雖然水量小，但是耗氧污染物負(fù)荷與需氧量均略高于汛期，與劉茜等的分析結(jié)果類似。參照《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021），曝氣器氧利用率取30%，核算供氣量為120萬m3/d，則汛前、主汛期、汛后生物池氣水比分別為3.3、2.2、2.7，年均氣水比約為2.8。與此同時，不考慮受低液位抽升與降雨影響天數(shù)，每天早間時段，通常6:00至10:00，QH2廠進(jìn)水污染物濃度與水量均處于低值。早間時段與其他時段，生物池耗氧污染物負(fù)荷分別為11.64、22.96 g/（m3·h），其他時段的需氧量約為早間時段的2倍（見圖8b）。因此，每天應(yīng)聚焦耗氧污染物負(fù)荷高、低兩時段，通過鼓風(fēng)機(jī)供氣量的及時調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)其低碳運(yùn)行。

圖8 進(jìn)水耗氧污染物負(fù)荷與生物池需氧量

2.6 討論

水廠執(zhí)行低液位抽升期間，進(jìn)水顆粒態(tài)COD的升高會增加需氧量，不能僅根據(jù)水量降低，減少供氣量。秋末至早春低溫期，居民高蛋白高熱量食品的攝入量增加。例如，2018年至2020年，北京市生豬出欄量最多的時段均發(fā)生在第一季度或第四季度，大北農(nóng)企業(yè)數(shù)據(jù)同樣顯示，2021年其第四季度月均生豬銷量45.3萬頭，較前三季度高出38%。期間，大量的有機(jī)份隨排水進(jìn)入管網(wǎng)，其中的顆粒物沉積下來。而春季溫度逐漸回升，管網(wǎng)微生物代謝作用增強(qiáng)，顆粒態(tài)有機(jī)物的厭氧轉(zhuǎn)化效率提高。導(dǎo)致旱季4月份前后，水廠進(jìn)水COD與氨氮負(fù)荷偏高，并會伴隨管網(wǎng)水力條件的變化出現(xiàn)短時耗氧污染物沖擊負(fù)荷，對水廠生物系統(tǒng)硝化段的調(diào)控產(chǎn)生影響。

此外汛期DO監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，由于降雨的混入以及管道湍流的加劇，進(jìn)水DO較非降雨日，有不同程度的升高，這與WALSH等研究結(jié)果一致。而該情況可能會產(chǎn)生兩方面的消極影響，Ⅰ管網(wǎng)厭氧環(huán)境受到?jīng)_擊，加之沉積物減少，大分子有機(jī)物通過水解產(chǎn)酸過程向VFAs的轉(zhuǎn)化效率降低，水廠生物池活性污泥可利用的優(yōu)質(zhì)碳源減少；Ⅱ直接對生物池前端預(yù)缺氧段的缺氧環(huán)境產(chǎn)生沖擊，QH2廠汛期缺氧段ORP漲幅≥50 mV。受Ⅰ、Ⅱ共同作用，生物池預(yù)缺氧段聚磷菌與聚糖菌對碳源的競爭趨緊，并且汛期高水溫對聚糖菌有利。QH2廠旱季生物除磷現(xiàn)象，在汛期消失，化學(xué)除磷系統(tǒng)面臨較大壓力，藥量調(diào)控需更及時。

03 結(jié) 論

（1）QH2進(jìn)水污染物負(fù)荷受上游排水戶用水規(guī)律、中間管網(wǎng)運(yùn)維狀態(tài)、末端水廠抽升策略以及廠內(nèi)回流的綜合影響。其中居民用水規(guī)律相對穩(wěn)定，而管網(wǎng)的生物緩沖、容積緩沖、稀釋緩沖容量易受水廠低液位抽升與汛期大水量沖擊的影響。

（2）旱季（汛前4月、汛后11月）與雨季（主汛期7月）非降雨日，QH2柵前液位與居民用水量均呈雙峰分布，且峰值間隔時長接近，約為10h。每天早間為低水量時段，午間進(jìn)水量提升后維持在高位。

（3）旱季水廠低液位抽升易對管網(wǎng)沉積物產(chǎn)生擾動，并導(dǎo)致進(jìn)水顆粒態(tài)COD與TP組份的升高。雨季降水對污染物稀釋作用凸顯，且降雨初期污染物濃度明顯升高。而由于來源與存在形式較為單一，進(jìn)水氨氮濃度全年平穩(wěn)。泥區(qū)回流液中82.33%的氨氮在Anammox系統(tǒng)中被去除。旱季低溫時節(jié)居民飲食習(xí)慣的改變，會加劇有機(jī)份在管網(wǎng)內(nèi)的沉積，并在春季，引發(fā)進(jìn)水耗氧污染物負(fù)荷的升高。

（4）QH2廠全年進(jìn)水耗氧污染物負(fù)荷保持穩(wěn)定，汛前、主汛期、汛后，單位生物池容積需氧量分別為22.36、20.58、21.41 g/（m3·h），差異系數(shù)僅為0.042。而每天早間時段的進(jìn)水耗氧污染物負(fù)荷與需氧量為其他時段的1/2。