上海中心城区城镇污水水质特性分析
导读：城市污水处理厂是城市发展的重要基础设施,是城市水污染控制、水环境保护工作的关键工程。根据城乡建设统计年鉴,截至2020年,全国城市污水处理厂共2 618座,处理能力为19 267万m3/d。随着国家“双碳”目标的提出,从污水处理行业角度出发,积极推进污水处理系统节能降耗,提升污水处理厂的精细化运行水平面临新的挑战。
上海是国际著名的金融中心,地处长江三角洲冲积平原的边缘,全市面积为6 340.5 km2。气候属于北亚热带东亚季风气候,四季分明,冬夏长、春秋短,雨量充沛,光照较足。多年平均降雨量为1 123.7 mm,平均降雨日约为132 d,全年总降雨量的60%集中在5月—9月。汛期在6月—9月,平均降雨量为524.9 mm,占全年48.3%,9月雨量最多,占全年的14.9%。至2020年年底,上海市城镇污水处理厂出水水质全面达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A及以上标准,城镇污水处理总规模达到840.3万m3/d,城镇污水处理率为96.7%。
目前,上海市中心城区污水处理区域主要包括石洞口片区、竹园片区、白龙港片区三大片区,如图1所示。不同污水处理片区的污水水质受不同的收水区域内居民生活、工商业门类、排水体制和降雨等因素影响,导致污水处理厂的进水特性时刻在变化。研究表明,进水水量水质在时间和空间尺度上存在一定的变化规律,进水特性的不同也对废水处理工艺及操作运行条件提出了不同的要求。孙艳等在2014年曾对上海市50座城市污水处理厂进水水质进行统计学分析。但随着上海城市发展和人口变迁,新的排水规划出台,部分中心城区内的管网系统和污水处理厂已经进行了功能性调整。白龙港片区现作为中心城区主要收水区域,开展对现状白龙港片区的污水水质特征分析十分必要。通过分析管网输送末端污水处理厂不同特征天的进水特征,一方面为污水处理厂扩建和运行管理提供数据支持,另一方面用于指导污水处理厂生产工艺的优化调整,发挥不同处理单元的最大优势,对提高污水处理效果和降低运行费用具有重要意义。
图1 上海污水处理系统及污泥处理处置规划布局
1 白龙港片区概述
目前,白龙港片区服务面积为1 060 km2,收水面积包括黄埔、静安、徐汇、长宁4个浦西中心城区,以及闵行、浦东及青浦,共计7个区,服务人口为950万～1 000万人。2021年日均处理水量约为323万m3/d,约占全市污水处理总量的1/3。规划期限内,白龙港污水区域污水量约为360万m3/d,其中,浦东新区为169万m3/d、闵行区为109万m3/d、徐汇区为42万m3/d、黄浦区为22万m3/d、长宁区为13.3万m3/d、青浦区为4.6万m3/d,此外,强排系统规划初期雨水总量约为149.3万m3。上述区域的污水分别通过沿线管网布设的多级输送泵站输送至管网末端的污水处理厂,白龙港片区排水体制为合流制和分流制并存。新建地区采用分流制,建成地区已建分流制系统持续推进雨污混接改造,已建合流制系统予以完善,有条件的逐步向分流制过渡。排水体制不仅影响城市水环境质量,而且影响进入污水处理厂的水质,尤其是雨季期间对污水处理厂进水水质影响较大。
2 研究方法
本文以白龙港片区管网输送末端污水处理厂进水为研究对象,以2021年全年进水主要污染物水质化验数据为统计分析依据,主要分析了CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP的浓度变化规律,以及各指标之间的相关性及概率分布,同时对不同特征天各指标的变化规律进行了对比分析,以此为该片区污水处理厂内的工艺优化和运行调控提供科学指导。
3 结果与讨论
3.1全年进水水质特性分析
3.1.1 各水质指标统计分析
对2021年度全年进水日均进水CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN以及TP每日化验数据进行统计分析与正态性检验,分析结果如表1所示。
表1 进水水质统计分析与正态性检验
由表1可知,进水CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP各指标平均值分别低于设计值约33.7%、34.6%、26.4%、44.6%、43.5%、48.2%。通过对各指标数值进行Kolmogorov-Smirnov检验,当P值>0.05时代表该项指标服从正态分布,根据检验结果可知,SS、TP符合正态分布;CODCr、BOD5、氨氮和TN不符合正态分布。偏度系数反映曲线偏离正态的程度,负值为左偏,正值为右偏。由此可知,CODCr、BOD5是右偏态分布,氨氮、TN是左偏态分布。
如图2所示,CODCr全年平均进水质量浓度在78.00～438.67 mg/L,日均值为238.67 mg/L;BOD5全年平均进水质量浓度在34.90～207.00 mg/L,日均值为104.68 mg/L;氨氮全年平均进水质量浓度在7.78～35.10 mg/L,日均值为22.16 mg/L;TP全年平均进水质量浓度在1.00～4.70 mg/L,日均值为2.59 mg/L;TN全年平均进水质量浓度在11.80～39.20 mg/L,日均值为25.42 mg/L;SS全年平均进水质量浓度在35.00～196.00 mg/L,日均值为103.07 mg/L。从图2箱体图上可直观地看出,6月—9月各指标进水浓度基本低于其他月份,主要原因是上海市地处南方,雨季降雨较多,同时该片区上游存在部分合流制收水管网,降雨期间雨水通过雨污混接管道进入污水管网。与此同时,上海白龙港片区排水管网存在雨污混接的现象,雨水混接使雨水进入污水系统,造成雨天污水处理厂进水浓度降低,进而影响污水处理厂的正常运行。此外,受降雨入渗的影响,地下水水位升高,当地下水水位高于管底标高时,入渗进入污水管道,同时,地表水通过合流截流管、分流制雨水沿河截流管倒灌进入污水系统,其会造成污水管道满管流、高水位,以及污水处理厂进水水量增加、水质浓度降低。不同月份各指标最大值与最小值差距较大,这也与排污管网体制和管网漏损有较大关系。雨天大量初期雨水混入管网的同时,对管网内沉积物进行冲刷,造成降雨初期管网内污染物浓度较高。随着降雨的持续,管网内污染物浓度逐步降低,而管网漏损也会导致含有一定污染物的外水进入输水管网,造成全年部分时段内污染物浓度波动较大。徐尚玲研究了4场降雨期间合流制排水系统不同来源的污染物特性及污染贡献,研究表明降雨径流过程中,管道总出口污染物浓度的变化具有波动性,并出现多个峰值,污染物浓度的峰值不一定出现在径流开始,最大值不都在第一峰值处。因此,管道沉积物所占负荷比例与降雨强度、降雨历时及晴天累计数息息相关,管道沉积物中污染物释放规律具有较高的复杂性。本年度2月进水浓度也较低,与雨季6月—9月浓度接近,而查阅该厂2018年—2021年不同月份进水水质,也发现2月进水浓度较低,这与孙艳等报道的上海月度水质变化规律一致。
注:“箱体”上下两边分别对应数据的上下四分位数,“箱体”内部一条横线段位置代表数据的中间值,箱体内部的空心方块对应数据的平均值,“箱体”上线两边延伸出去的竖线代表最大值与最小值。
图2 进水主要水质指标年变化
3.1.2 线性拟合回归分析
通过对2021年进水全年主要指标进行统计分析,通过Origin9软件对数据进行线性拟合,得到各污染物浓度之间的回归方程和相关系数如表2所示。为直观地展示,将所得的结果绘制成图,如图3所示。
表2 进水水质各指标回归分析
图3 进水各水质指标拟合曲线
由表2、图3可知,进水CODCr分别与BOD5、SS、TN、TP、氨氮进行最小二乘法线性拟合后,相关系数分别为0.947、0.884、0.246、0.420、0.265,由此可知CODCr与BOD5和SS相关性较高,与TP相关性一般,与TN和氨氮的相关性最差;进水BOD5分别与SS、TN、TP、氨氮进行最小二乘法线性拟合后,相关系数分别为0.828、0.235、0.391、0.247,由此可知BOD5与SS相关性较高,与TP相关性一般,与TN和氨氮的相关性最差;进水SS分别与TN、TP、氨氮进行最小二乘法线性拟合后,相关系数分别为0.291、0.411、0.299,由此可知SS与TP相关性一般,与TN和氨氮的相关性较差;进水TN分别与TP、氨氮进行最小二乘法线性拟合后,相关系数分别为0.260、0.964,由此可知TN与氨氮相关性较高,与TP的相关性较差;进水TP与氨氮进行最小二乘法线性拟合后,相关系数为0.223,由此可知TP与氨氮相关性一般,拟合结果与邹吕熙等报道的结果基本一致。
通过上述拟合结果可以判断,进水CODCr浓度升高时,其进水BOD5和SS同步升高,当进水大部分的SS被菌胶团捕获进入污泥后,会进一步造成污泥产量同步增加。因此,后续可进一步研究进水浓度和产泥量关系,可以用于指导污水处理厂在不同进水浓度条件下,如何动态调整排泥量来保持生物系统相对稳定的运行环境;进水TP与进水浓度相关性一般,结合该厂实际运行情况,当进水CODCr在一定范围变化时,实际生物出水TP质量浓度在0.4～0.8 mg/L,出水水质相对比较稳定;而进水SS与进水CODCr、BOD5相关性较大,说明进水SS的浓度对进水CODCr和BOD5产生较大影响,由此可知进水CODCr和BOD5很大一部分为颗粒态有机物。进水的CODCr、BOD5、SS浓度与进水的营养物质TN、氨氮相关性较差。TN、氨氮一般以溶解态存在,当进水有机物质浓度与TN、氨氮浓度相差较大且进水颗粒物有机物占比较大时,如果生物系统超负荷运行期间,水力系统停留时间缩短,颗粒态有机物不能完全转化为溶解态有机物,会对生物系统的脱氮效果造成一定影响;而进水氨氮与进水TN相关性较高,说明经过管网长距离输送部分有机氮类物质经过氨化、水解脱氨反应基本生成了氨氮,有机氮占比相对较低。
3.1.3 营养物比例分析
通过对全年营养物比例数据进行统计分析并把结果绘制成图,结果如图4所示。
图4 进水营养比例频率分布
(1)BOD5/CODCr
由图4可知,进水BOD5/CODCr最小值为0.36,最大值为0.51,平均值为0.44,中位数为0.44。其中,在0.42～0.48的占比约为84.9%,由此可见,全年内进水BOD5/CODCr保持基本稳定。一般BOD5/CODCr用于表征污水的可生化性能,BOD5/CODCr≤0.3代表污水较难生化处理,0.3<BOD5/CODCr≤0.5代表污水可以生化处理,BOD5/CODCr>0.5代表极易生化处理。由此可知,进水水质可生化性一般,而由表1可知,污水经过长距离输送后,进水水质浓度也较低,较低的进水浓度需要生物池保持较低的污泥浓度,以免污泥浓度过高,造成污泥老化,影响出水水质。
(2)BOD5/TN、BOD5/TP
由图4可知,BOD5/TN最小值为1.40,最大值为8.41,平均值为4.15,中位数为4.12。其中,在3.34～5.69的占比约为90.4%;进水BOD5/TP最小值为17.64,最大值为77.43,平均值为40.94,中位数为40.45,其中在35.31～55.63的占比约90.7%。根据反硝化方程式,每反硝化1 g硝酸盐氮需要2.86 g BOD5,为保证脱氮除磷效果,一般脱氮除磷工艺要求BOD5/TN>4,BOD5/TP>17。而通过统计分析,进水BOD5/TN>4的天数占比约为66.9%,故约1/3的天数BOD5/TN存在偏低的问题,在进水BOD5/TN较低的天数时需要通过工艺调控,甚至必要时投加碳源保障TN的去除效果。
(3)SS/BOD5
由图4可知,进水SS/BOD5最小值为0.76,最大值为1.83,平均值为0.97,中位数为0.98,其中在0.93～1.15的占比约为87.1%,较其他污水处理厂偏高。有文献报道,城市生活污水中约65%的CODCr以SS的形态存在,可知进水SS与进水有机物具有一定的比例关系。SS/BOD5可以表征进水悬浮物对污泥产量和污泥中活性组分占比的影响,进水SS/BOD5占比越高,活性污泥中挥发性污泥浓度(MLVSS)比例越低。污水处理厂进水SS/BOD5>1.2时,反硝化效果降低,颗粒物质在厌、缺氧区利用效率降低。大量的颗粒碳源进入到好氧段,通过相对较长的停留时间在好氧段被消耗,造成脱氮、除磷效果变差。同时,活性污泥中活性组分较低,为保证硝化反应充分进行,需要增大污泥浓度,会进一步导致污泥老化甚至二沉池跑泥,影响后续处理,甚至导致出水SS超标。
3.2不同日期类型进水特征
3.2.1 雨天、旱天进水污染物特征
通过对全年数据按照旱天和雨天进行分析统计,并绘制成图5和图6,可以直观地看出旱天、雨天各指标数值频率分布情况。
图5 旱天进水指标频率分布
图6 雨天进水指标频率分布
其中,旱天各污染物的实测值变化范围较雨天变化范围窄,同时各实测值在各区间范围的频率分布相比雨天变化差别较小,相邻频率所占比例变化趋势较缓。除TP之外各污染物指标的极值均出现在雨天,其中,雨天CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS最大值分别比旱天相应的极值高约28.1%、26.2%、18.6%、20.3%、24.8%,而旱天TP最大值较雨天最大值约高7.06%。雨天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS变动范围也较旱天分别高约88.4%、87.5%、125.8%、23.7%、132.2%、85.1%。旱天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS各指标污染物主要频率分布在215.0～320.0 mg/L的占比84.9%、101.25～145.0 mg/L的占比81.1%、22.1～26.5 mg/L的占比82.1%、2.16～3.69 mg/L的占比95.3%、24.4～30.5 mg/L的占比92.5%、91.3～147.5 mg/L的占比88.7%;雨天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS各指标污染物主要频率分布在130.0～340.0 mg/L的占比96.9%、76.0～151.0 mg/L的占比92.3%、15.0～29.0 mg/L的占比94.6%、1.75～3.00 mg/L的占比83.4%、20.0～30.0 mg/L的占比86.5%、40.0～145.0 mg/L的占比93.4%。旱天各污染物CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS平均值较雨天的对应污染物浓度平均值分别高约16.7%、13.9%、11.5%、16.8%、9.91%、16.2%。通过统计数据结果可以得出,雨天期间进水各进水污染物浓度变化范围较大且呈现出极值更大,主要是由于该片区多为合流制管网雨天受初期雨水对地面和管道沉积物冲刷的影响,造成进厂各污染物浓度会出现短时间的高值,后续随着降雨时间延长,进水浓度逐步降低,而旱天进水浓度相对雨天平均值偏高,通过分析旱天、雨天的各污染物浓度特征,对污水处理厂不同特征天条件下工艺运行调控具有指导意义。
3.2.2 雨天、旱天进水营养物比例特征
通过对全年雨天、旱天营养物比例进行统计分析并绘制成图,结果如图7所示。
图7 雨天、旱天营养物比例对比
由图7可知,雨天BOD5/CODCr均值、最大值、最小值均高于旱天;雨天BOD5/TN最大值较旱天偏大,均值和最小值均低于旱天;雨天BOD5/TP均值、最大值均高于旱天,而最小值低于旱天;雨天SS/BOD5最大值高于旱天,均值、最小值均低于旱天;雨天BOD5/TN、BOD5/TP、SS/BOD5数值的波动范围均大于旱天,而雨天BOD5/CODCr数值的波动范围较旱天小。整体来看,各营养物比例除雨天、旱天的最小值差别较大外,其他雨天、旱天均值、最大值幅度变化幅度较小。
3.2.3 不同季节水质变化情况
通过对全年水质数据按照季节整理统计后绘制成图,如图8所示。
图8 不同季节各水质指标和营养盐比例关系
由图8可知,进水CODCr、BOD5、SS污染物浓度随季节变化趋势基本相似,其中春季浓度最高,其次是秋季、冬季,夏季进水浓度最低;氨氮、TN和TP营养盐浓度随不同季节变化幅度较小,没有明显规律。进水各营养物质比例由于受不同季节进水浓度的影响,BOD5/TN随季节变化较大,其中夏季比例最低,春、秋、冬季节比例差别较小,BOD5/CODCr、BOD5/TP、SS/BOD5两者因各自的污染物浓度随季节变化趋势相近,故各自比值较接近。
3.2.4 不同日期类型水质变化情况
(1)进水各污染物水质特征统计分析
不同日期类型条件下各污染物水质特征如表3所示。周末期间CODCr、BOD5、SS水质浓度略低于非周末;周末期间氨氮、TP、TN水质浓度略高于非周末。有机物质和悬浮物质的浓度与营养盐类物质的浓度成相反的趋势,但总体上周末和工作日水质浓度偏差较小。该年度节假日期间进水浓度均低于非节假日进水浓度,主要与城区居民生活习惯有关。结合每日进水浓度数据来看,春节期间进水浓度相对较低,而五一期间因为进入雨季进水浓度也相对偏低,造成节假日相对非节假日浓度偏低。不同日期类型条件下,进水有机物质和SS的浓度相对偏差高于营养盐类污染物。
表3 不同日期类型各污染物水质特征统计
(2)进水营养比例统计分析
不同日期类型条件下各营养盐比例,如表4所示。
表4 不同日期类型各营养盐比例统计
由表4可知,周末期间BOD5/TN、BOD5/TP、SS/BOD5均低于非周末;节假日期间BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP均高于非节假日,而节假日期间SS/BOD5低于非节假日;不同日期类型条件下,BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP相对偏差较小,但SS/BOD5偏差较大。
4 结论
基于上文对2021年度进水水质特性数据进行全面的统计分析,得出下列观点。
(1)2021年是上海市《城镇污水处理提质增效三年行动实施方案(2019—2021年)》的最后一年,但是通过对比2021年白龙港片区污水处理厂进水浓度实际值与设计值,发现进水各指标浓度与设计值仍旧存在较大差距。建议未来继续大力推进白龙港片区提质增效方案,全面排查白龙港片区输送管网,摸清家底,加强管网改造,发现管网错接,渗漏、破损、河水倒灌等管道异常问题,及时处理,既要完善白龙港片区输水管网收集污水的量,更要注重收集污水的质。同时,建议水务部门把污水处理厂特定指标的进水浓度年度增长率纳入对排水单位的绩效考核内容。
(2)通过上文对旱天和雨天水质浓度对比,得出旱天各污染物浓度均值高于雨天,而雨天各污染物变化幅度较大,6月—9月各污染物进水浓度低于其他月份。BOD5/CODCr年均值为0.44,BOD5/TN随季节变化浮动较大,其中夏季比值最低。由此可知,白龙港片区污水水质可生化性一般,且全年存在近1/3的天数BOD5/TN存在偏低的问题,主要原因是白龙港片区收水范围较大、排水管线较长,污水处理厂的来水经过长距离输送,部分快速降解的有机物质在管网内被消耗。为此,建议上游排水输送单位,优化管网的排水调度和泵站抽升运行模式,尽量缩短在夜间或早上低水量期间,污水在管网的滞留时间和运行液位。上海中心城区污水收集和输送配套设施相对完善,因此,建议在适当的区域开展取消化粪池的试点,进一步提升污水管网内有机物浓度。同时,片区污水处理厂需要设置碳源投加系统,必要时需投加碳源,保证氮磷的有效去除。
(3)通过对各指标周末和非周末、节假日和非节假日期间进水浓度的对比,发现周末期间各进水浓度整体偏差较小,各指标节假日期间进水浓度均低于非节假日进水浓度,周末和非周末期间BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP营养比例偏差较小,SS/BOD5比例偏差较大。因此,建议污水处理厂节假日期间,关注进水浓度,根据进水浓度情况来动态调整运行参数。
(4)通过对2021年白龙港片区的全年进水特性的详细分析,其分析成果进一步用于指导污水处理工艺优化运行和实现精细化调度。针对不同季节进厂污染物的动态变化规律,采取精细化曝气调整,既有利于节能减耗,又可以防止活性污泥老化造成的出水水质波动。尤其是6月—9月,进水低浓度期间,保持较低的污泥浓度,适当提升生物系统负荷,增加生物处理水量,进一步降低用电、用药单耗和年度水量考核指标。针对上游部分时段碳源不足时,污水处理厂可以采取超越初沉池的策略,充分保证生物系统脱氮除磷所需的碳源;同时建议增加过程水质在线仪表,尤其是过程氨氮和硝酸盐类仪表,通过在线进水浓度和过程出水浓度数值动态调整内外回流比和曝气量,应对水质突变。
