成都市乡镇污水处理厂进水水质特征分析
导读：成都市是我国西南地区特大城市之一,地处四川盆地西部、青藏高原东缘。成都市幅员辽阔,土地面积为14 335 km2,常住人口2 093.8万人,其中城镇户籍人口1 015.61万人、乡村户籍人口504.09万人。作为常住人口数量超2 000万的超大城市,成都市污染治理设施建设还存在短板,如污水处理能力不足、分布不均。为深入学习贯彻习总书记对四川工作系列重要指示精神,建设践行国家赋予成都的新发展理念的公园城市示范区重大使命,成都市区域发展战略将加强生态环境保护作为重要任务之一。《成都市“十四五”生态环境保护规划》提出,到2025年,城市、县城和重点乡镇污水集中处理率分别达到98.5%、95%和85%以上。
污水水质特征是污水处理设施设计、提标改造的关键参考指标,决定了污水处理设施核心处理工艺的选择与关键设备的选型,也是污水处理设施调整工艺参数、优化生产运行管理的重要依据。了解和掌握污水水质特征对污水处理设施提高污水处理效果、有效降低运行成本、确保出水长期稳定达标具有重要意义。
本文以成都市8座乡镇污水处理厂为研究对象,系统分析了其进水水质特征[化学需氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)、悬浮物(SS)]的变化规律及指标间的相关性、一元线性关系,以及进水水质指标比值的概率分布特征,并与国内其他污水进水水质相关研究进行总结与对比,以便为乡镇污水处理厂的工艺选择、升级改造、运行管理提供科学依据。
1 研究方法
以成都市8座乡镇污水处理厂为研究对象,系统分析其2021年全年实际进水水质指标(CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS)的变化规律、各指标间的相关性和线性关系,以及水质指标比值的概率分布特征,对国内其他污水进水水质相关研究进行总结与对比。采用SPSS 17.0软件进行相关性分析等数据分析方法。
2 结果与讨论
2.1进水水质指标分布特征分析
成都市乡镇污水处理厂2021年全年进水水质指标CODCr、氨氮、SS、TN、TP、BOD5的描述性分析结果和正态性检验如表1所示,各月平均值如表2所示。
表1 进水水质指标统计分析和正态性检验
表2 进水水质指标月平均值
Kolmogorov-Smirnov与Shapiro-Wilk检验常用于分析数据分布是否符合正态性分布,如果观测值的总数为大样本(N>1 000),一般采用Kolmogorov-Smirnov统计量检验。本研究中各项水质指标显著性水平均小于0.05,表明各项指标不服从正态分布。此外,各项水质指标偏度系数均大于0,说明其数据分布为正偏分布,峰尖偏左,多集中于低值部分,平均值大于中位数。峰度系数除了氨氮之外,其余水质指标均大于0,是由较多低频度的大于或小于平均值的极端差值引起的,说明这些水质指标的数据分布比标准正态分布更为陡峭,尤其是TP最为陡峭。而氨氮的峰度小于0,说明其数据分布较正态分布更加平缓。
2.2进水水质指标逐月变化特征分析
进水水质指标(CODCr、氨氮、SS、TN、TP、BOD5)浓度逐月变化情况如图1所示。箱形图的上边缘和下边缘分别代表水质指标最大值和最小值,箱形的顶部与底部分别代表上下四分位数,箱形内的横线代表中位数,方块代表平均值。
注:箱体外的部分异常数据在图中未体现。
图1 进水水质指标逐月变化
CODCr质量浓度为19.00～1 930.00 mg/L,全年月均值为201.49～394.58 mg/L。CODCr全年平均值都大于中位数,特别是8月、9月、10月极高值的出现导致平均值甚至大于上四分位数。纵观全年可以发现,成都乡镇污水处理厂进水情况较为复杂,2021年1月—4月CODCr均值(347.47 mg/L)较5月—12月CODCr均值(258.78 mg/L)高,且有较多极高值出现导致变化幅度较大,而受雨季降雨影响,7月CODCr浓度普遍较低。
氨氮质量浓度为1.00～138.00 mg/L,全年月均值为25.23～36.21 mg/L,10月氨氮平均浓度最低,4月最高。除了1月、2月,全年平均值都大于中位数。虽然氨氮的数据整体分布较为平缓,但成都乡镇污水中氨氮在1月—4月的整体变化范围在全年来说仍处于较大水平。
进水SS浓度逐月变化规律与其余水质指标呈现出截然不同的变化规律。SS全年质量浓度为8.00～965.00 mg/L,月均值为47.72～364.79 mg/L,1月SS平均浓度最低,9月最高。值得注意的是,SS在1月—5月数据分布较为集中,而在6月—12月SS平均值较大且变化范围大。
TN质量浓度为4.00～125.00 mg/L,全年月均值为30.28～46.19 mg/L,10月TN平均浓度最低,2月最高。除了1月—2月,全年平均值都明显大于中位数。与CODCr、氨氮较为类似,TN在1月—4月变化幅度较大,尤其是2月变化范围最大且平均值小于中位数。
TP质量浓度为0.00～17.00 mg/L,全年月均值为3.07～4.64 mg/L,8月TP平均浓度最低,2月最高。除了2月、3月,全年平均值都大于中位数。SS各月均值较为接近,但结合峰度、偏度数据综合分析可发现,成都乡镇污水中TP进水变化幅度较大,因此,对乡镇污水处理厂的药耗控制方面提出了一定的要求。
BOD5质量浓度为7.00～499.00 mg/L,全年月均值为80.10～159.80 mg/L,8月BOD5平均浓度最低,1月最高。除了3月,全年平均值都大于中位数,9月、10月平均值较高接近上四分位数。与CODCr、氨氮、TN较为类似,BOD5在1月—4月平均浓度相对较高且变化幅度较大,8月—10月受雨季影响进水BOD5平均较低。
总的来说,成都乡镇污水中CODCr、BOD5、TN、氨氮在1月—4月变化范围大。除了SS外,其余指标均符合进水浓度冬季较高、夏季较低的趋势,与多篇文献中报道一致。这可能是因为一方面,冬季用水量与降雨量锐减,在一定程度上对生活污水起到浓缩作用。另一方面,冬季污水管网中来水流量很小,管道中易形成沉积物,受降雨及污水对管道的冲刷作用,可能导致污水处理厂进水水质中污染物浓度峰值的出现。而夏季气温增加导致居民用水量增加,降雨增多导致雨水混入污水管网,进水浓度较低。SS在1月—5月数据分布较为集中且较低,而在6月—12月平均值较大且变化范围大。氨氮分布较为平缓,TP变化幅度最大、数据分布更为陡峭。
在实际生产运营中,乡镇污水处理厂由于处理规模较小、进水情况复杂、浓度变化范围大,时常出现高、低浓度进水水质及超处理能力来水水量的冲击。因此,必须充分掌握进水水量和水质的瞬时波动带来的影响及应对措施,通过工艺调控、调整产量等手段加强工艺管理,尽量减少或消除其对生产造成的不利影响,保障出水长期稳定达标。具体来说,对于高、低浓度进水水质冲击,应该优先考虑工艺调控手段,包括调整回流量、曝气量、药剂投加量等,再根据具体情况配合调整产量,保障出水水质稳定达标。而在污水处理厂面对来水水量冲击时,对于产量的调整则尤为重要。对于一些长期超负荷运行的乡镇污水处理厂,也可通过增加一体化污水处理设施、新增调节池等方式暂且缓解来水过多的问题,但仍需报告上级主管部门,进行提标或者管网改造以解决根本问题。对于采用MBR工艺的污水处理厂来说,若长期出现来水水量过多、高浓度进水、渣物油脂较多等情况,应加强对MBR膜的维护,保障处理能力。
2.3进水水质指标相关性分析
采用Spearman秩相关系数对成都乡镇污水进水CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS进行相关性分析(表3)。各指标间均具有显著相关性,CODCr与BOD5、TN与氨氮相关性较好,相关系数分别为0.874、0.924。碳(CODCr、BOD5)、氮(氨氮、TN)、磷(TP)之间具有一定相关性,相关系数在0.432～0.678。SS与其余水质指标相关系数均较低,特别是与TN、氨氮最低,相关系数分别为0.144、0.089,说明成都乡镇污水中SS与其他指标有着不同的来源。在合流制排水系统中,管道沉积物主要来自于生活污水和雨天径流带入排水管的SS,其成分以无机颗粒为主,是污水中SS的主要来源。管道沉积物的存在降低了管道的排水容量,增大了阻力,雨天排水系统溢流排放时,可能将沉积物中积累的大量污染物带入收纳水体,因此,城市排水体制应优先采用分流制,对于采用合流制的老旧城区排水管网也应该进行改造。对于污水处理厂来说,活性污泥法对于无机物几乎无去除效果,SS进入生化池后会对微生物活性造成影响,影响TN等指标的处理效果,因此,预处理阶段中SS的去除效果格外重要。一般来说,预处理阶段应设置粗格栅、细格栅、沉砂池,如采用MBR膜工艺则预处理阶段还应设置膜格栅。通过预处理阶段去除SS后,污染物浓度也会明显降低,有利于后续生化处理。
表3 进水水质指标的相关性分析
注:**在0.01级别(双尾),相关性显著。
采用最小二乘法对成都乡镇污水进水CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS进行回归分析,计算各水质指标间的回归方程及相关系数R2(表4)。CODCr与BOD5、TN与氨氮之间的线性拟合效果最好,相关系数R2分别为0.740、0.848。SS与CODCr、BOD5、TP的线性关系一般,R2分别为0.154、0.085、0.132,而与TN、氨氮的拟合效果均不太理想,相关关系不明显,R2分别为0.004、0.001,这与柳勇等研究结果较为一致。
表4 进水水质指标的回归分析
2.4进水水质指标比例关系的特征分析
成都乡镇污水进水中水质指标比例关系的概率分布如图2所示。BOD5/CODCr是指可生物降解的有机物占总有机物量的比值,常用于评价污水可生化性。当BOD5/CODCr<0.1时不适于生物处理;当0.2<BOD5/CODCr<0.4时,表明废水中存在难生物降解性污染物;当0.4<BOD5/CODCr<0.6时,可生化性较好,适于生物处理。该工程中BOD5/CODCr为0.10～0.91,平均值、中位数均为0.41,全年BOD5/CODCr>0.4的累积概率为54.58%,在0.4～0.6的概率为47.60%,BOD5/CODCr为0.6时累积概率为93.20%,说明成都市乡镇进水具有一定的可生化性,适于生物处理。
注:各比例超出一定数值后概率过小,未在图中体现。
图2 进水营养物质、SS比例关系的概率分布
反硝化脱氮过程需要充足的有机物作为碳源及电子供体,BOD5/TN是影响TN稳定达标的关键水质参数。一般来说,在常规除磷脱氮工艺及控制条件下,当污水的BOD5/凯氏氮(TKN)为4～6、BOD5/TN>4时,可以认为碳源充足。BOD5/TN为0.26～29.92,平均值为2.97,中位数为2.25,全年BOD5/TN<3的累积概率为69.89%,<4的累计概率为81.46%,说明成都市乡镇污水进水BOD5/TN普遍偏低,需要外加碳源以满足反硝化过程脱氮需要。污水处理厂常见碳源有乙酸钠、葡萄糖、甲醇等。成都8座乡镇污水处理厂采用乙酸钠作为碳源,乙酸钠具有较快的反硝化响应速度、易于储存、安全等特点,对于TN的去除有较好的效果。在实际生产运行中,成都乡镇污水的出水TN受碳源影响最大,尤其对于设计规模在1 500 m3/d以下的乡镇污水处理厂来说,乙酸钠作为碳源的优越性较为明显。
进水悬浮固体无机组分含量(SS/BOD5)是除了BOD5/TN以外影响活性污泥处理工艺TN达标的另外一个重要参数。生物处理系统的进水SS/BOD5越高,反硝化速率越低,导致碳源在缺氧段未被充分利用,从而导致TN去除率下降。理论分析和工程经验表明,在碳源偏少的情况下,进水SS对TN达标的影响不可忽视。该工程进水SS/BOD5为0.05～21.88,平均值为1.76,中位数为1.24,SS/BOD5>1.1的累积概率为55.71%,>1.4的累积概率为42.50%。
BOD5/TP是用于评价污水生物除磷是否可行的重要指标。城市污水处理系统中有效进行生物除磷一般要求BOD5/TP>20,比值越大越能保证聚磷菌在除磷过程中有足够的基质,除磷效果越好。该工程进水BOD5/TP为1.68～575.38,平均值为29.53,中位数为22.63,全年BOD5/TP>20的累积概率为61.49%,说明成都乡镇进水碳源基本满足生物除磷需要。
一般来说,BOD5/TP和TN/TP可以判断污水中氮、磷可否满足微生物生长的需求。当污水中BOD5和氮、磷的比值达到100∶5∶1时,即可满足微生物生长对氮、磷的需求。该工程进水TN/TP为1.68～79.77,平均值为10.9,中位数为10.15,>5的概率为88.59%,分布在5～15的累积概率为84.09%,全年TN/TP>20的累积概率为4.58%。
3 讨论
3.1国内污水水质指标对比分析
将成都乡镇污水进水各水质指标的均值及概率分布结果与国内其他城市、乡镇及农村等污水进水进行对比,结果如表5所示。
表5 国内进水水质指标平均值
北京市、上海市、天津市与济南市城市生活污水进水水质较为接近,合肥市则相对较低,各项水质指标与本研究较为接近。与城市生活污水水质相比,乡镇污水处理厂进水污染物含量低于大型城市污水处理厂进水。北京市、上海市、天津市等大型城市由于社会经济状况、工业生产规模发展较好,市政基础设施建设及配套污水管网完善程度高,在节水措施、排水体制等多方面的基础条件较好,人口众多,频繁的人类活动所产生的污染物来源相对也更多,因此,进水污染物浓度较乡镇污水处理厂更高。而受地域、气候、人口、工业发展等因素影响,不同城市的污水水质也有很大区别。
对于乡镇污水处理厂来说,其进水水质主要受到地区性差异、排水体制、管网完善程度及居民生活习惯等因素的影响,其中地区性差异对进水水质的影响最大。一般来说,根据污水厂所属乡镇的特点可将地区性差异分为居住型、工业型与旅游型。重庆忠县石宝镇污水处理厂所在地属于典型的旅游型乡镇,主要进水为生活污水,进水污染物浓度一般,但由于夏季和周末旅游客流量增大,产生的污水量明显比冬季和平常更大。王晓丹等所研究的重庆市某乡镇污水处理厂所在城镇为居住型,进水水中各种污染物浓度较低,但相较于本研究及重庆忠县石宝镇污水处理厂仍处于较高水平。本研究中所涉及的8座乡镇污水处理厂包含1座旅游型、2座工业型、5座居住型,各个污水处理厂进水水质因所在乡镇类型不同而各有特点,总进水污染物浓度介于上述两座重庆乡镇污水处理厂之间。就进水污染物浓度而言,成都市工业型乡镇污水厂大于居住型,居住型大于旅游型。随着近年来成都市城镇化进程的推进及人口总数增长,8座乡镇污水处理厂普遍出现进水量逐年增加的情况,这也对乡镇污水厂的生产管理提出了较高的要求。
农村地区进水水质变化范围较大,巢湖流域、海南省农村污水进水浓度较低,而厦门市较高。相较于城镇污水,农村生活污水独特的排放特征导致其水量、水质具有明显的时空差异。时间上,污水水量和水质在1 d中的不同时间段及一年中的不同季节均有显著差异。空间上,污水排放特征与地区经济、居民生活习惯等息息相关。此外,农村生活污水水质具有地域特异性,与当地居民的生活水平、生活习惯等有关,同时与气候条件等因素也有密切关系。农村地区经济发展相对落后,管网建设情况相对滞后,污水受所处地区人口数量、污染物来源、人类活动方式等因素影响导致差异较大,在居住人口较少的农村地区进水浓度相对较低。
3.2国内进水水质组成特性对比分析
将成都乡镇污水进水营养物质比例的均值及概率分布结果与国内其他城市、乡镇及农村等污水进水进行对比,结果如表6所示。
表6 国内进水水质参数比值平均值及概率分布
就污水可生化性来说,成都市乡镇污水进水与上海市、天津市等城市污水处理厂进水较为接近,高于全国平均水平,适合生物处理,易于生物降解。各污水处理厂进水BOD5/CODCr值的差异,主要是由于不同污水处理厂进水的来源不同。本研究中BOD5/TP指标大于全国水平,进水碳源基本满足生物除磷需要。而进水中TN/TP大于上海市、天津市,相较于发达城市来说,本研究污水中氮、磷可满足微生物生长的需求。
成都市乡镇污水BOD5/TN指标相对偏低,与合肥市、济南市的城市污水处理厂较为接近。除了厦门市农村污水,我国绝大多数地区BOD5/TN总体偏低,这在全国范围内或将是长期存在的普遍性问题。我国污水收集系统普遍设置化粪池,能造成CODCr损耗超过40%,是影响BOD5/TN的最大因素。此外,合流制或混流制污水收集系统中雨水易携带大量溶解氧进入管网,造成CODCr的分解。若管网出现破损未得到及时修复,将导致空气中大量溶解氧进入管网进一步消耗污水中的碳源。
SS/BOD5受管网体制影响较大,合流制主导的城市污水SS/BOD5为1.2～2.0,进水SS中无机组分含量一般在55%～70%。SS/BOD5过高会影响TN去除率,本研究中SS/BOD5平均值高于1.5,结合BOD5/TN指标,综合来说TN去除能力有限。
总的来说,成都乡镇污水虽然适合生物处理,但来源中碳源不足以支持生物脱氮除磷的需要,SS无机组分较高。为满足出水达标要求,国内大多污水处理厂会增加深度处理单元。本研究中的8座乡镇污水处理厂在2019年提标改造时也增加了深度处理单元,通过外加碳源、除磷剂强化脱氮除磷效果,同时新增了旋流沉砂器、膜格栅处理单元,对于预处理段SS的去除有较好的效果,运营成本相较于提标前执行一级B标准时有所增加。
4 结论与建议
(1)成都市乡镇污水处理厂进水水质指标(CODCr、氨氮、SS、TN、TP、BOD5)均呈正偏态分布,全年月均值分别为201.49～394.58、25.23～36.21、47.72～364.79、30.28～46.19、3.07～4.64、80.10～159.80 mg/L,SS在1月—5月均值较低且数据分布集中,其余指标在1月—4月变化较大。
(2)各指标间均具有显著相关性(α<0.01),CODCr与BOD5、TN与氨氮相关性较好(R2=0.874、0.924)且线性拟合效果较好(R2=0.740、0.848)。SS与其余水质指标相关系数均较低(R2≤0.437),与TN、氨氮的拟合效果(R2=0.004、0.001)不太理想,说明成都乡镇污水中SS与其他水质指标有着不同的来源,受城市排水管网影响较大。
(3)BOD5/CODCr>0.4的累积概率为54.58%、BOD5/TN>4的累积概率为18.54%、BOD5/TP>20的累积概率为61.49%,SS/BOD5、TN/TP平均值分别为1.76、10.90,说明成都乡镇污水处理厂进水适合生物处理,易于生物降解,可满足微生物生长对氮、磷的需求,但需要外加碳源以满足生物脱氮除磷的需要。由于进水中SS无机组分较高,应重视预处理段各工艺单元对SS的去除效果,减轻进水负荷,避免对后续生物处理段造成不利影响。
(4)与国内其他地区污水进水水质研究对比发现,我国绝大多数地区BOD5/TN总体偏低,乡镇污水处理厂进水污染物含量低于大型城市污水处理厂进水,农村地区进水水质变化范围较大。在实际生产运营中,乡镇污水处理厂的处理规模较小,抗冲击能力弱,因此,生产管理人员必须充分掌握进水水量和水质的瞬时波动带来的影响及应对措施,加强生产运行管理与工艺调控,保障出水长期稳定达标。
