超多数据！南方城市化粪池前后水质变化特征及思考
导 读Abstract
在全国普遍污水处理厂进水浓度低、污水系统提质增效持续推进的背景下，对华南地区某市260个生活小区全面监测，以3个不同特征的典型居民小区为研究对象，对化粪池前后水质进行了全时段监测分析，探究化粪池设置对城市生活污水水质变化特征影响及其原因，为污水收集系统建设改造提供方向。
引用本文：郑可,付浩,李一平. 基于南方城市化粪池前后水质变化特征的若干思考［J］. 给水排水，2023，49（10）：20-27.
1研究对象与方法
1.1 研究对象
选取华南某市污水处理厂作为研究范围，对污水处理厂服务范围内居民小区进行勘察、调研与监测。监测共分为两个部分，面上监测与典型监测。
选择260个居民小区作为面上监测对象。居民小区覆盖不同建成年代与房产类型。在面上监测的基础上，选取3个不同特征的典型居民小区作为本次重点研究对象，对小区内化粪池前后出水开展加密监测，居住小区主要信息与化粪池情况见表1。
表1 研究小区基本信息与化粪池设置情况
3个小区覆盖了不同建成年代、住房类型和人口密度类型，可简要定义为：A小区：合流制低层老旧小区；B小区：分流制高层商住混用小区；C小区：分流制高密度高层小区。根据调研，各小区化粪池近期均未进行清掏作业，其中，A小区化粪池内水位较高，运行状态较差，这是该类小区化粪池的运行常态，因此A、B、C小区化粪池具有不同小区类型化粪池的代表性。
1.2 监测方案与样品测定方法
1.2.1面上监测方案
面上监测在小区总排口设置采样，分三时段进行，21:00-24:00为用水晚高峰，凌晨4:00-6:00为晚低峰，12:00-14:00为午高峰时段，考虑到外界条件对化粪池进水水质的影响，同时避免瞬时采样的偶然性，采用“连续采样+混合”的方法进行采样，每个时间段内隔1~2 min进行一次采样，3次后混合作为本时段的水样，以减少瞬时样对数据的影响。为避免降雨对污水水质的影响，采样需满足连续3天以上无降雨。
1.2.2 典型监测方案
在3个小区化粪池前后同步设置采样，为24 h的加密监测。为减轻低流速和化粪池上清液回流对采样准确性的影响，采样点分别设置在化粪池进水口前一个检查井和出水口后一个检查井，取样方式仍是“连续采样+混合”，每小时采集1次水样，每次采集3~5小瓶（约100~200 mL），间隔时间为1~2 min，将所有水样均匀混合后作为本时段的本底水样。采样需满足连续3天以上无降雨。
1.2.3 样品测定方法
监测的水质参数为COD、BOD5、TSS、NH3-N、TN和TP，同时，典型监测试验选择一个生活小区检测颗粒态COD、颗粒态TN和固体悬浮物粒径分布。固体悬浮物粒径采用LISST-200X激光粒度仪分析，其余水质指标均按照国标法进行。
2结果与讨论
2.1 化粪池前后污水水质特征分析
2.1.1 面上监测水质特征分析
居民生活用水用水户出水结果如表2和图1所示。在实测的260个用水户中，污水COD晚低峰、晚高峰、午高峰均值分别为187.9、283.7和281.9 mg/L。各时段COD出水浓度均相对较低。BOD5呈现出类似的规律，晚低峰、晚高峰、午高峰均值分别为87.5、132.1和131.1 mg/L。任一监测时段出水BOD5浓度低于100 mg/L的小区占总量的41.6%，全时段BOD5低于100 mg/L的则达到21.6%。
表2 260个用水户居民生活排水水质均值
图1 居民小区排水各污染物变化特征
从整体上来看，小区排水口各时段已呈现出明显的污水浓度过低现象。
2.1.2 不同典型小区常规污染物变化特征
A、B、C 3座小区化粪池前后水质参数变化如图2所示。
图2 典型小区化粪池进出水污染物变化特征
对比3个小区污水排放特征，对于有机物含量，各小区关系为C>A>B；对于TP，各小区关系为A>C>B。可以看出，纯居民住宅生活污水排放浓度相较商住混合住宅更高，而同为纯居民小区，倾向于以老年人居多的A小区排放污水中营养盐浓度略高于C小区，可以理解为，随着居民年龄的增长，自身代谢机制减缓，对营养物质的吸收效果减弱，排泄量中氮磷物质呈增加趋势。赵海霞等研究表明居民小区出水中TN和TP的排放系数与年龄结构在0.05水平上显著正相关，但COD相关性不显著，与本次研究的结果不谋而合。
3个小区污水经化粪池后COD和BOD5平均浓度均有一定程度下降，COD（BOD5）平均去除率分别为8.4%（14.6%）、28.7%（5.7%）、14.7%（39.0%）。相比有机污染物，NH3-N化粪池前后变化较为特殊，各小区平均去除率分别为9.5%、-5.8%、-8.7%，TN、TP总体变化情况较小，三个小区TN（TP）平均去除率分别为14.0%（0.3%）、-1.3%（6.7%）和5.4%（7.0%）。大量有机颗粒物在化粪池内厌氧或缺氧条件下发生还原反应，有机氮水解转化为氨氮，这是化粪池后氨氮不升反降的主因。而A小区表现B、C小区有一定差别，TN去除率相对较高，但NH3-N化粪池后反而有所下降，可能是A小区化粪池本身运行水位较高，停留时间较短，仅发生了一定截流沉淀作用，水解反应不明显，可以看出，该小区COD去除率也是3个小区水平最低的。总体上，N、P等营养盐物质削减率显著低于COD、BOD5。
纵观全天化粪池前后水质随时间变化情况，推测化粪池的水解酸化作用一直奏效，截流沉淀作用则集中在7:00-22:00，该时段为用水高峰期，化粪池发挥了明显的水质削减效果。
2.1.3 污染物结构变化特征
部分学者认为化粪池设置的一个作用是改善污水污染物结构，提高污水可生化性与脱氮除磷效果，服务后续污水二级处理工艺。A、B、C各小区的污染物比例关系变化如表3所示。
表3 不同小区污染物比例关系变化特征
对于污水可生化性，A、B小区污水经过化粪池后B/C有所下降，说明在化粪池内的厌氧环境下，发酵作用对污水中的可生物降解有机物的去除量比总有机物量多，这与部分学者研究有所不同。实质上，化粪池改善污水可生化性是因为化粪池对难生物降解有机物（COD/BOD5）的截流沉淀，但本研究COD去除效果较不明显，减弱了该部分化粪池的作用，改善生化性并不是保留化粪池的有效论据和支撑点。
对于BOD5/TP、BOD5/TN和SS/BOD5 3个指标，化粪池前后均无改善效果，甚至由于化粪池对碳源的削减效果大于营养盐的削减效果，呈现一定负优化，直接影响到污水处理厂生物处理的脱氮效果。
2.1.4 化粪池前后颗粒物粒径分布特征
城市生活污水中污染物分为溶解态、颗粒态两种形态，悬浮物颗粒态是污染物主要的分布形式，王晓昌等研究显示，约65%的COD，60%的BOD，50%的磷和20%的氮均以悬浮物的形态存在。由于C小区生活污水变化特征最为明显，化粪池TSS和PCOD的削减率相对较高，选定C小区为粒径分析对象，将粒径分布数据分为<5、5~40、40~100、100~250和>250 μm 5个范围进行分析比较。
化粪池前后粒径体积分数与体积浓度如表4所示。
表4 C小区化粪池前后粒径分布变化
除<5 μm粒径段，其余粒径段体积浓度均显著降低，体现化粪池对小颗粒污染物较弱的削减效果。过化粪池后<5 μm和>250 μm两个粒径段体积分
数显著降低，5~40 μm、40~100 μm粒径段均有一定上升，可以看出，化粪池内同时发生了大颗粒物的
沉降和水解，污染物由大颗粒转化为较小颗粒。对于小颗粒污染物（<5 μm粒径段），进一步分析化粪池前后逐时体积浓度变化情况（见图3）。化粪池前<5 μm粒径段浓度波动较大，而池后趋于稳定，但整体削减效果较弱，化粪池对微小颗粒的沉积作用相当有限。
图3 C小区化粪池前后<5 μm粒径体积浓度变化
2.2 化粪池出水水质变化特征影响因素讨论
2.2.1 污水基底浓度影响分析
不同地区化粪池对各污染物的去除率水平也有一定差异（见表5）。整体上各地区化粪池对SS的去除率较大，均为40%~60%，而对COD的去除率相差较大，这与各地污水污染物排放特征和化粪池运行条件有关。对于NH3-N，从理论上来说，在厌
氧环境中部分有机氮会水解成NH3-N，过化粪池后NH3-N浓度应有所上升，但实际仍有部分文献中NH3-N在化粪池后浓度下降，可能是截流沉淀了一部分颗粒态TN，但停留时间较短，颗粒态污染物分解溶解的时间显著缩短，最终呈现出NH3-N浓度下降的处理效果。
表5 不同地区化粪池进出水水质与削减率统计
比对各地区化粪池进出水水质，进水水质与污染物特征一定程度上均会影响化粪池处理效果，南方地区化粪池进出水质和削减率均显著小于北方地区，本研究小区在全国范围内，不论是源头化粪池进水浓度，或是化粪池削减效果，均是属于水平较低范畴，与同属于华南地区的广州水平大体相接近，因此污水基底浓度对化粪池处理效果有显著影响，相同化粪池设置条件下，污水基底浓度越高，化粪池的水质削减效果也会相应提高。
2.2.2 化粪池建设条件影响分析
对于相同外界条件尤其是类似生活污水排放特征的化粪池，其削减效果也会存在很大差异，此时化粪池自身条件在设计、建设和运行中的变化影响了化粪池削减效果。其主要反映在污水停留时间和有效容积设计值与实际值的差异。
很多老城区小区化粪池数量和容量都无法达到设计标准，此时化粪池实际有效容积已不能满足服务范围，自然不符合预期效果。而化粪池又缺少定期维护与清淤，超负荷运行状况严重，削减效果减弱。此时，化粪池不仅存在堵塞、污水外溢等问题，更是会成为隐藏的点源污染，严重威胁周边水环境。
实质上，化粪池在运行中的停留时间和清掏周期又会反向影响实际有效容积。研究区域多数小区化粪池一年进行1~2次清掏，但清掏量有限，经过对三个典型小区的实地调查与勘测，估算各个小区化粪池水深、占地等主要参数，计算其有效容积，结果见表6。
表6 化粪池削减率与有效容积统计
经比较，3个小区实际有效容积均明显小于理论设计有效容积，C小区实际值和设计值存在近一倍差距，有效容积过小致使实际污水停留时间远远不足。化粪池仅发挥部分截流沉降的作用，厌氧消化作用显著减弱，因此表现为化粪池内大颗粒物沉降，TSS和COD有所削减，未发生进一步水解转化，BOD5、TN等削减有限。说明远小于设计值的有效容积影响了研究小区的化粪池削减效果，化粪池已不再具有原先设置的意义。
2.2.3 颗粒态污染物迁移影响
结合前文粒径分布变化，对各颗粒态污染物和粒径体积浓度作相关性分析，见图4。
图4 C小区化粪池颗前后水质与粒径分布相关性
对于化粪池前，颗粒态COD（PCOD）与<5、5~40和40~100 μm三个粒径段呈0.01水平显著正相关，相关系数分别为0.74、0.77和0.82，这也进一步表明未经过化粪池处理的生活污水中，颗粒态COD主要分布在这三个粒径段；TSS则与5~40、40~100、100~250 μm三个粒径段呈0.05水平显著正相关，相关系数分别为0.70、0.62和0.62，悬浮物主要分布在这三个粒径段。与>250 μm无相关性的主要原因为水体中该粒径段易于沉降，试验监测中容易产生误差。<5、5~40和40~100 μm三个粒径段也彼此呈现显著相关，三者大概率来源于同种生活废水。
对于化粪池后，由于池内截留沉积和水解酸化的共同作用，存在相关性的参数较少。但颗粒态COD仍与5~40 μm和40~100 μm两个粒径段呈正相关，与<5 μm无相关性。根据粒径分布与污染物变化情况，推测化粪池削减效果低于理论值的原因之一可能为：虽然化粪池内发生了大颗粒物的沉降，TSS和PCOD有所削减，但大粒径段COD转化为溶解态COD，且停留时间缩短，部分转变的溶解态COD并未进一步水解，导致化粪池后整体表现出较低的削减效果。
2.3 提质增效背景下化粪池设置对污水系统的影响
2.3.1 化粪池对污水系统水质参数影响
近年来，污水系统提质增效全面实施，住房和城乡建设部明确提出污水处理厂进水BOD5浓度低于100mg/L的，需制定“一厂一策”系统化整治方案。这个水质指标也逐渐成为考核城镇污水系统运行的重要标准，但由于地区居民用水习惯与监测评估的困难，各地方未明确给出源头排水户接管的污水浓度参考或指导。
以上述BOD5进厂浓度要求为基准计算源头污水浓度参考。《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）中提出10%~15%的入渗地下水量，在忽略管网输送过程中的自然衰减及其他外水入侵的理想条件下，仅考虑10%~15%的地下水入渗，则源头排水户BOD5浓度应分别维持在111~118 mg/L的水平才可达标，3个小区出水平均值勉强达到要求；若考虑更高外水入渗入流的可能性，水质将难以达到指标要求。
可以认为，对于源头污水排放浓度已较低的南方地区，单纯对管网系统的改造、修复并不能完全解决污水厂进水浓度低的问题，尽管化粪池的水质削减效果已明显小于设计情况，但考虑提质增效工作的系统性，源头化粪池的水质削减也是需要关注的，化粪池取消或改造仍是十分有必要的。
2.3.2 提质增效背景下化粪池改造建议
《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）中已明确要求新建排水系统中不再包含化粪池，但是城镇污水系统包括新建、改造和维护等多项环节，取消化粪池并不是简单地将其从系统中剔除，而是需要考虑去除化粪池对整个污水系统实际运行可能的影响。规范特意强调“取消化粪池的地区，有条件的应适当放大管径，提高坡度”，但是新的设计准则和要求仍然模糊。因此，在新建排水系统以及老旧系统改造的过程中，应有适用于其污水水质特征和管网现状的设计方案，对此提出以下建议：
（1）首先，应当明确的是，取消化粪池后排水不畅与是否设置化粪池并无直接关系，主要原因是：①出户管坡度小，污水流速较小，导致管道发生淤积现象；②出户管设计管径过小，污水充满度过高，在化粪池停留时发生堵塞。
（2）其次，对于新建的污水系统与排水户，明确取消化粪池，可在标准基础上进一步提高设计最小坡度与管径；并在小区出水口接入市政管网前增设格栅井。
（3）最后，对于现状建设有化粪池的居民排水户，尤其是合流制区域内老旧小区，应综合评估整体污水系统，逐步拆除化粪池，也可新建污水管网，将化粪池改建为雨水调蓄池。对于源头污水基底浓度较低的南方城市，每一环节的水质削减都不可忽略，化粪池改造和管网修复均是需要关注的部分，但污水系统的提质增效是一个系统性问题，应综合评估各环节的水质削减水平，明确强弱，分清主次，分阶段完成提质增效工作。
3结论与展望
（1）对某南方城市260个居民小区开展监测，COD、BOD5出水浓度均值分别为251.2、116.9 mg/L，居民排水在市政管网接入点已呈现明显的低浓度现象。化粪池对3个典型监测小区COD、BOD5、TSS出水平均削减率分别为8.4%~28.3%、5.7%~39.0%、21.7%~55.1%，TN、TP削减率几乎均不足10%，化粪池设置并未有效改善排水可生化性与C/N比，反而加剧了排水的低碳源特性，影响后续污水处理厂脱氮除磷工艺。
（2）化粪池已不再具有原先设置的意义，有效容积、停留时间的减小是削减率低于理论效果的重要因素。化粪池削减作用主要表现为颗粒态污染物的沉降，同时大颗粒污染物的酸化分解补充了一定的溶解态污染物，而停留时间的不足致使进一步的水解反应减弱，整体使化粪池表现出较低的削减效果。
（3）在源头基底水质浓度较低的南方城市，取消化粪池污水浓度的虽然提升有限，但仍是较为重要的污水系统提质增效措施之一。
（4）为深入分析化粪池前后污染物赋存形态变化与成因，可以考虑在本研究基础上探讨污水流速对化粪池水质削减效果的影响，并解析各粒径承载污染物分布特征，揭示化粪池前后污染物迁移转化机理。
