典型城市污水处理厂进水污染物规律及运行策略

　　摘要:伴随着城市污水处理厂及管网系统的大规模建设,“厂网一体化”综合治理管控模式为污水处理的主要发展趋势之一,排水系统的提质增效成为行业面临的重要问题。选取北京市朝阳区某再生水厂汇水范围内的四类典型城市生活功能区,以各功能区排水水质监测数据为依据,分析进水污染物规律,详细探究了典型城市生活污水的排污规律及水质特征,对下游再生水厂处理水量、进水污染物负荷变化情况进行测算,用以优化调整工艺运行策略。

　　关键词:厂网一体化;生活功能区;生活污水;排放规律

　　0 引言

　　城市污水处理系统是由厂和网组成的有机整体,近年来,“厂网一体化”综合治理管控模式为城市污水处理的主要发展趋势之一[1-2]。通过构建完整、连通的排水系统,建设集实时监控、预警、协调调度、应急抢险功能于一体的厂网管理系统,可有效提升城市污水处理系统管控和应急保障能力[3]。研究城市生活污水中污染物排放规律,合理测算污染负荷总量及变化特征,有助于在“厂网一体化”治理管控模式下,充分优化、提升污水收集和处理的全系统功能,精准实施水质源头监控、污水超标排放追溯管理,为管网系统排污管控和再生水厂工艺精细化调控提供数据参考[4-5]。本次水质调研工作选择北京市朝阳区某100万m3/d处理规模再生水厂,选取其汇水管网范围内的典型城市生活功能区作为测试调研对象,采用定点动态采样分析的方法,于2018年开展取样工作,历经6个月的取样监测,已取得15组有效的测试数据。通过数据分析,获得了不同城市生活功能区排水的污染物浓度值及其随时间变化情况,详细探究了典型城市生活污水的排污规律及水质特征,完成再生水厂处理水量、进水污染物负荷变化情况的测算工作,用以优化调整再生水厂工艺运行策略[6]。

　　1 调研分析方法

　　1.1 调研范围

　　本文选取北京市朝阳区某再生水厂作为调研对象,该再生水厂处理规模100万 m3/d,汇水面积包括北京市中心区及东郊地区总计9661hm2,设计服务人口240万,流域内污水管线长度为2866.2km。水质调研过程中,取该再生水厂汇水管网范围内,几类具有代表性的典型城市生活功能区,在不同功能区排污管线污水井处,设定取水样点位,进行水样采集及监测工作。调研工作所选取生活功能区分类情况如下:(1)综合商超:调研区为大型商用建筑,主要生活功能为购物、饮食、写字楼办公,不同时段人员流动性较大,人员活动量白天高于夜间。

　　(2)酒店宾馆:调研区为连锁型宾馆酒店,主要生活功能为商旅住宿、餐饮,住宿人员波动性较大,人员数量白天低于夜间。(3)住宅小区(新式):调研区为新建公寓式高档生活小区,小区居民以日常通勤工作的年轻人群为主,白天工作时间区域内居住人员较少,夜间人口活跃度高,常住人口数量稳定。(4)住宅小区(老式):调研区为老式家庭生活小区,小区居民以家庭式住户为主,住户中退休居家人员与儿童较多,白天及夜间区域内人员流动性相对较少,常住人口数量稳定。(5)管网干线:作为不同生活功能区排污情况的对比项,在该再生水厂汇水管网干线处,选取一取样点位,用以表征汇水范围内生活污水混合均匀后,至再生水厂进水污染物浓度。

　　1.2 数据分析方法

　　(1)水质取样及监测分析方法。污水样品取自各生活功能区总排水渠污水井处,采用多次平行取样法,取平行样监测均值,作为该生活功能区该时段排水水质浓度。采样时间为2018年4月至9月,采样频次1次/周,每个取样点位分别于取样日7:00、14:00、20:00取3组水样。各项水质指标依照国家标准中的水样化学分析方法 测 定 分 析,污 染 物 指 标 包 括 化 学 需 氧 量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP),化学需氧量采用采用重铬酸钾法,氨氮采用纳氏试剂分光光度法,总磷采用钼酸铵分光光度法进行测定[7]。

　　(2)排污参考标准。以《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T31962-2015)(下文中简称城镇排水标准),作为不同生活功能区污染物排放浓度参考规范值[8](COD500mg/L、NH3-N45mg/L、TP8mg/L)。本次水质调研工作中,对各生活功能区排水取24小时混合样,混合样水质监测值均低于《污水排入城镇下水道水质标准》中标准限值。部分取样时段因水质、水量波动,瞬时取样监测值超出标准限值。

　　2 调研结果与讨论

　　2.1 典型生活功能区排污规律分析结合各生活功能区上午7:00、下午14:00及夜间20:00所采集水样的监测数据,对其污染物浓度、离散度进行分析,各功能区体现出不同的排污规律。

　　2.1.1 综合商超功能区

　　(1)不同时段排水中污染物浓度值。综合商超功能区不同时段排水中污染物浓度情况。(2)不同时段排水中污染物离散度。对比不同时段污染物数值离散度情况。(3)分析结论。由分析可知:①综合商超生活功能区上午、晚间排污浓度高,下午排污浓度低;②受取样时段水质、水量波动影响,氨氮、化学需氧量部分时段排放浓度超出城镇排水标准规定值;③排水中化学需氧量浓度波动较大,氨氮、总磷浓度较为稳定。综合商超区域上午、晚间排污浓度较高,由于区域功能为购物、饮食及写字楼办公,可能与上午、晚间取样时间为非工作时间,区域内人员活动少、用水量少,以及上午清洁、晚间就餐及餐后清洗行为有关。

　　2.1.2 宾馆酒店功能区

　　(1)不同时段排水中污染物浓度值。宾馆酒店功能区不同时段排水中污染物浓度情况。(2)不同时段排水中污染物离散度。对比不同时段污染物数值离散度情况。

　　(3)分析结论。由分析可知:①宾馆酒店生活功能区下午、晚间排污浓度高,上午排污浓度低;②全天污染物排放浓度低于城镇排水标准规定值;③上午时段排水中各项污染物浓度波动较大,其余排水水质较为稳定。宾馆酒店下午、晚间排污浓度较高,结合区域功能为商旅住宿、餐饮,可能受宾馆入住、退宿规律性影响,下午时段住宿人群集体退宿、住房集中清洁,晚间集中入主、就餐、洗漱等行为有关。

　　2.1.3 住宅小区(新式)功能区

　　(1)不同时段排水中污染物浓度值。住宅小区(新式)功能区不同时段排水中污染物浓度。(2)不同时段排水中污染物离散度。对比不同时段污染物数值离散度情况。

　　(3)分析结论。由分析可知:①住宅小区(新式)生活功能区上午排污浓度较高,下午、晚间排污浓度低;②受取样时段水质、水量波动影响,化学需氧量上午时段排放浓度超出城镇排水标准规定值;③下午时段排水中化学需氧量浓度波动较大,其余排水水质较为稳定。住宅小区(新式)上午排污浓度较高,下午、晚间排污浓度低,在该公寓型小区内,租住居民主要为每日通勤工作的年轻人群,可能受日常工作、生活习惯影响。小区住户下午多在工作单位,小区内人员活跃度低,且年轻人群日常在小区内动火做饭的时候偏少,厨余废水中污染物含量相对较低。

　　2.1.4 住宅小区(老式)功能区

　　(1)不同时段排水中污染物浓度值。住宅小区(老式)功能区不同时段排水中污染物浓度。(2)不同时段排水中污染物离散度。对比不同时段污染物数值离散度情况。

　　(3)分析结论。由分析可知:①住宅小区(老式)生活功能区上午、晚间排污浓度较高,下午排污浓度低;②受取样时段水质、水量波动影响,氨氮、化学需氧量、总磷部分时段排放浓度超出城镇排水标准规定值;③上午、晚间时段排水中污染物值浓度波动性较大,下午时段水质较为稳定。住宅小区(老式)全天排污浓度较高,结合区域功能为稳态生活住宿区,住户多为家庭住户,可能与区域内全天常住人员较多,就餐、洗漱、清洁等生活行为频繁有关。

　　2.1.5 排污管网干线

　　(1)不同时段排水中污染物浓度值。本次水质调研活动中,排污管网干线不同时段污染物浓度情况,见图5。(2)不同时段排水中污染物离散度。对比不同时段污染物排放离散度情况。(3)分析结论。由分析可知:①排污管网干线中水质污染物浓度由高到底为:下午>晚间>上午;②全天污染物排放浓度低于城镇排水标准规定值;③全天污染物浓度值离散度较低、波动小,上午水质相对存在波动情况。排污管网干线中水质污染物较低,可能受其他生活排水、中水稀释影响,稀释倍数为0.6~0.7倍。

　　2.2 不同生活功能区排污规律对比对比不同生活功能区排放污水中,各污染物的浓度、离散度情况,分析结论如下。

　　2.2.1 化学需氧量排污情况对比各生活功能区排水中化学需氧量均值、极值、离散度如表6所示。由表6分析可知:各生活功能区化学需氧量排污浓度由高到低:住宅小区(老式)>综合商超>住宅小区(新式)>宾馆酒店>污水干线;住宅小区(老式)、综合商超污水中化学需氧量波动性较大,其余水质较稳定。

　　2.2.2 氨氮排污情况对比各功能区耗排水中氨氮均值、极值、离散度所示。由分析可知:各生活功能区氨氮排污浓度对比情况同化学需氧量;住宅小区(老式)污水中化学需氧量波动性较大,其余水质较稳定。

　　2.2.3 总磷排污情况对比各生活功能区总磷排放浓度的极值、均值、离散度。由分析可知:各功生活能区总磷排污浓度对比情况同化学需氧量、氨氮;各功能区污水中总磷离散度小、水质稳定。

　　2.2.4 不同生活功能区排污规律对比

　　根据上述分析,对比不同生活功能区排水污染物浓度情况,结论如下:(1)老式住宅区生活废水中污染物浓度最高、波动性最大。(2)综合商超区生活废水中污染物浓度、波动性略低于老式住宅,废水中污染物浓度及波动性相对较高。(3)新式住宅、宾馆酒店日均排污规律相近,废水中污染物浓度、波动性较低。(4)生活污水中化学需氧量、氨氮值波动性较大,总磷值相对稳定。(5)排污管网干线中生活污水污染物浓度最低,较各生活区排污点水质存在0.6~0.8倍的稀释;干稳定。

　　3 水厂运行策略分析

　　3.1 不同时段进水污染物总量本次水质调研工作,完成了对北京市朝阳区某100万 m3/d处理规模再生水厂汇水范围内,管网干线中不同时段化学需氧量(COD)、氨氮、总磷浓度值的测定工作。

　　应用于再生水厂日常运行工作中,可得出以下运行调控策略。

　　(1)水量抽升稳定化。遵循“削峰填谷”原则,高水量时段适当提高进水液位控制值,减少抽升量;利用再生水厂前端管网的水量存蓄能力,提高低水量时段来水量。减小高、低抽升量间差值,保障水量抽升稳定化,减小对生物系统的水力冲击负荷。每日午10:00后,再生水厂来水量快速增加,进水泵房根据需泵前池液位情况及时加减泵,应对水量变化冲击;13:00至次日2:00,来水量较高,大水量抽升处理阶段,注意区域联动,保障各工艺单元过水能力。

　　(2)曝气调控精细化。根据再生水厂不同时段进水水量、污染物负荷变化规律,精细化进行曝气调整。低负荷运行阶段系统控制低曝气量,随水量、污染物负荷提升,逐步加开鼓风机开启台数、运行频率提高曝气强度。气量精细化调控过程中,控制曝气池气水比稳定在可控范围内,生物系统稳态运行,保障水质稳定达标的同时,节约能耗。(3)碳源投加动态化。低负荷运行阶段,水质达标压力较小。在保障氨氮稳定的前提下,制定曝气池末端溶解氧控制措施,适度降低末端溶解氧控制值,增加内回流量,强化生物系统脱氮能力,减少碳源投加量。中、高负荷运行阶段,提高曝气池末端溶解氧控制值,关注末端溶解氧变化趋势,保障氨氮稳定达标,根据出水总氮值适度减少系统内回流量,动态调整碳源投加量。

　　(4)水质波动保障。由上文,低负荷运行阶段,水质波动性较大,部分天数出现碳源不足情况,该时段需加强对水质在线监测仪表关注度,增加早间化验频次,应对水质突变情况。(5)再生水外供保障。结合不同运行时段水量变化情况,加强中水外供联动机制,高水量时段尝试适当提高外供水量或存蓄产水;低负荷运行阶段关注系统产水能力,保障产水量满足再生水外供需求。

　　4 结论

　　(1)本次水质调研对四类典型城市生活功能区一天内不同时段的排污规律进行测算,由水质取样监测结果,初步得出各类生活功能区的污染物排放浓度值及其波动变化规律。受人员活动影响,各生活功能区在一天内不同时段,排放污水中污染物浓度、波动情况各不相同。其中,住宅小区(老式)生活污水中污染物浓度最高、波动性最大;综合商超区生活污水中污染物浓度、波动性略低于住宅小区(老式),相对较高;住宅小区(新式)、宾馆酒店区排污规律相近,污染浓度值最低,数据波动性最小。

　　(2)本次水质调研活动完成了一天内不同时段排污管网干线水质的取样监测工作,结合水质监测分析数据,完成了调研区域内再生水厂不同时段进水负荷的测算工作,结合进水污染物变化规律,划分一天内进水污染物低负荷、中负荷、高负荷运行阶段。(3)完成再生水厂不同时段进水污染物总量的测算工作,根据进水水量、污染物负荷变化情况,分析制定再生水厂工艺运行策略,对进水抽升、曝气量调整、碳源投加工作进行针对性优化调整。

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　　作者：宗福哲 李 佟 曹 婧 刘 松 裘 岩 毕铭达