監測數據：城鎮污水廠進水污染物負荷變化規律
對QH2再生水廠旱季（汛前4月、汛后11月）與雨季（主汛期7月）進水污染物負荷變化規律進行監測分析。結果表明：QH2進水污染物負荷受源頭用水特性、管網運維狀態，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。管網對上游來水的生物緩沖、稀釋緩沖、容積緩沖效應，隨旱季低液位抽升與汛期大水量沖刷而發生變化。旱季進水耗氧污染物負荷（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）。且低液位抽升易導致管網沉積物中顆粒態COD、TP的混入。雖監測到污染物濃度升高的初雨效應，但雨季進水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，進水氨氮濃度全年保持穩定，Anammox對泥區回流液的處理，有效降低了生物系統氨氮負荷。
排水戶用水特性屬于源頭因素，由用戶類型、生產生活習慣等決定。市政管網在排水戶與再生水廠間起紐帶作用，排水體制類型、管網運維狀態，以及汛前汛后管網緩沖能力的變化為進廠污染物負荷的波動增加了諸多不確定性。而再生水廠進水泵抽升策略是實現前端管網性能維持與后端生物處理系統穩定的關鍵節點。本文以北京市50萬m3/d的QH2再生水廠汛前、主汛期、汛后進水污染物負荷監測數據為基礎，綜合分析水廠服務區域內用水特性、排水管網性能，以及水廠抽升策略等多因素的影響，以期更加系統地呈現污水處理廠進水污染物變化規律，為再生水廠運行調控提供基礎支撐。
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，用地性質主要為居住與商業，以合流制管網為基礎。QH1廠位于管網上游，超出其接收能力的來水，經下開式聯通閘與排水干線（直徑2.6m，長度約10km）向下游QH2廠輸運。聯通閘溢流輸運水量占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廠進水水量水質進行監測分析。自動采樣器型號為哈希AS950，取樣間隔1h。COD、氮、磷等污染物指標的測定均按照國家環保總局發布的標準方法進行。樣品經0.45μm濾膜過濾后，測定溶解性COD（SCOD）與正磷酸鹽含量。
02 結果與討論
2.1 QH2進水流量、水質年度變化情況
如圖1所示，QH2廠進水水量與水質以主汛期為分水嶺，呈現明顯變化。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%。
汛前進水每日COD、TP含量大幅波動，差異系數分別為0.47、0.45，而主汛期及汛后相對穩定，差異系數分別為0.27、0.20。分析原因：汛前污水在管道輸運過程中形成沉積層。例如，旱季QH1廠前南側排水干線局部積泥厚近1.0m，沉積比約30%，接近滿管流。當管網下游污水處理廠低液位抽升時，對管網沉積物產生擾動，顆粒態COD、TP組分的混入導致進水COD、TP總量升高。
由于雨水的稀釋作用，主汛期進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，扣除雨水稀釋作用，則主汛期進廠原污水氨氮均值為30.6 mg/L，與汛前進水氨氮均值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，施工降水排入管網導致進廠氨氮含量降低。QH2廠進水氨氮含量全年保持穩定的原因：Ⅰ氨氮來源穩定，城市污水中近80%的氮素源自尿液；Ⅱ存在形式單一，國內外分析數據表明尿液中85%~94%的氮素以NH4+形式存在。
2.2 QH2進水流量日變化情況
市政管網來水水量水質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，且呈現明顯的日變化規律與季節性。QH2廠服務區域內主要為居住、商業用地。冬春時節（旱季），居住區每日分別圍繞早7至9時與晚18至20時出現兩個用水量峰值，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，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。而商業辦公區在工作時段內用水量保持穩定，會適當提升兩峰值中間時段的用水量，但不會改變雙峰特征。
受水區域內用水量的峰谷變化，導致排水管網充滿度的規律性潮汐波動，并最終體現在水廠進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，未見退峰現象，與程珣等監測規律相似。此外，每日早6時至9時，柵前液位出現谷值。受上游管網來水變化與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廠柵前液位的達峰時間延遲2~3h。QH1與QH2抽升水量的日變化規律接近，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旱季進水水質變化情況
2.3.1 旱季進水流量與柵前液位
旱季，污水處理廠進水水量水質主要由居民用水規律性變化決定，并受水廠抽升狀態的影響。柵前液位與抽升水量為兩關鍵控制參數。兩種工況下水廠會發生低液位抽升，Ⅰ預報降雨前執行低液位抽升為管網騰容；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致通過干管聯通閘溢流進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46.97%、52.65%（見圖3a、3b）。Ⅱ流域總來水量穩中有降，而上游QH1廠抽升量偏大，導致下游QH2廠偶發性低液位抽升。
圖3 旱季（4月）連續監測期間QH1、QH2進水流量與柵前液位變化情況
2.3.2 旱季進水主要水質指標
由圖1可知，汛后11月QH2進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致，進水COD、TP劇烈波動（見圖4），當日COD、TP差異系數為0.41、0.43，分別為前兩日的2.69、5.96倍。而溶解態組分SCOD與正磷酸鹽未見明顯波動，進一步證實低液位抽升期間進水COD、TP的升高與波動，主要由管網沉積物中顆粒態組分的混入導致。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。進水氨氮未受低液位抽升影響，氨氮濃度相對平穩，三日變異系數均值僅為0.053。11月16日凌晨的偶發性低液位抽升，同樣引發了進水COD、TP的波動，但由于汛期水力沖刷，管網沉積層厚度降低，顆粒態組分含量變化對進水COD、TP的影響較汛前明顯減弱。受泥區回流液的影響，4月份三日進水氨氮濃度在早間低水量時段未呈現規律性下降。而泥區回流液經Anammox系統處理后，11月份三日早間時段進水氨氮濃度出現谷值，與上游QH1進水氨氮日變化規律相似。此外，進入冬季，氣溫逐漸降低，伴隨居民飲食結構的調整，以及氮素在管網輸運過程中轉化效率的變化，進水有機氮含量與占總氮比例，分別提升22%、7.50%。
圖4 旱季（4月、11月）連續監測期間QH2進水水質變化情況
水廠進水水量水質由居民用水規律決定，并受低液位抽升、汛期大水量沖擊過程中“管網緩沖容量”變化的影響。管網緩沖容量可體現在三方面：
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，其菌群結構較源頭人類腸道菌群與下游污水處理廠活性污泥菌群結構均有所不同，且微生物多樣性與豐度呈現時空差異與季節性變化。污水在管道輸運過程中，微生物對有機物及營養鹽的利用與轉化，對水質起到一定的穩定作用。而經過汛期大水量沖刷后，管道內生物量降低，厭氧環境被破壞，生物緩沖作用減弱；
②稀釋緩沖，旱季管網充滿度潮汐波動，下游管網蓄水量對上游來水的稀釋緩沖作用相對穩定。但是汛后管網淤堵情況緩解，下游對上游的頂托效應減弱，整體充滿度降低，管網存蓄水量減少，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系統，容積緩沖只在汛期大水量沖擊負荷下發揮作用。
2.3.3 Anammox對泥區回流氨氮的去除
剩余污泥中蛋白質含量較高，占有機物總量的近75%以上，其在厭氧消化過程中會產生大量的氨氮。如圖5所示，板框濾液氨氮日均濃度1 852mg/L，濾液量626m3/d，Anammox系統投運前，泥區板框濾液均回流至水區前端，回流氨氮量折算生物池容積負荷為0.12 g/（m3·h），占旱季（4月份）全天及早間時段管網來水氨氮負荷的比例分別為9.16%、13.72%。6月份Anammox系統投運后，平均82.33%的氨氮經短程硝化-厭氧氨氧化反應去除，有效緩解了泥區回流氨氮對生物系統的沖擊，尤其對早間時段氨氮負荷的穩定效果顯著。
2.4 QH2雨季進水水質變化情況
2.4.1 雨季進水流量與柵前液位
雨季降水頻發，水廠低液位抽升為管網騰容頻次也顯著增加。7月16日6時至21日4時，對QH2廠開展主汛期進水水量水質連續監測。如圖6所示，7月15日8時至16日19時。35h內柵前液位經歷了高低液位6~10倍的劇烈波動，上游管網水力沖擊顯著增加。降雨于7月17日21時陸續展開，至19日早6時結束，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，管網容積緩沖開始發揮作用。直至18日5時，抽升量與柵前液位達到臨界值。18日6時，抽升量雖繼續提升，但柵前液位由4.09m迅速升至8.69m，管網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累計多抽升4.52萬~6.62萬m3。該數值可近似等同于QH2廠上游管網汛期容積緩沖容量。
2.4.2 雨季進水主要水質指標
受低液位抽升與管網緩沖容量降低的影響，前兩日進水COD、TP波動明顯。進水氨氮變化規律與旱季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，進水COD、TP快速升高，呈現明顯的初雨效應，COD、TP時均濃度分別為前一天均值的2.32、1.52倍。因此，初期雨水應作為合流制管網汛期調蓄與溢流污染控制的重點。監測后三日（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。雨水對進水水質的稀釋作用凸顯，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）連續監測期間QH2進水水質變化情況
2.5 QH2進水污染物負荷與生物池需氧量
如圖8a所示，三次連續取樣監測過程中，受進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COD與氨氮的24h時均容積負荷呈現波動。但日均值相對穩定，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容積負荷分別為15.81、14.96、15.12 g/（m3·h），氨氮容積負荷分別為1.43、1.22、1.38 g/（m3·h）。若以1mg氨氮轉化成硝氮需要消耗4.57mgO2計算，即耗氧污染物總負荷=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，差異系數僅為0.042。汛前、汛后雖然水量小，但是耗氧污染物負荷與需氧量均略高于汛期，與劉茜等的分析結果類似。參照《室外排水設計標準》（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，每天早間時段，通常6:00至10:00，QH2廠進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，每天應聚焦耗氧污染物負荷高、低兩時段，通過鼓風機供氣量的及時調節實現其低碳運行。
圖8 進水耗氧污染物負荷與生物池需氧量
2.6 討論
水廠執行低液位抽升期間，進水顆粒態COD的升高會增加需氧量，不能僅根據水量降低，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生在第一季度或第四季度，大北農企業數據同樣顯示，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，大量的有機份隨排水進入管網，其中的顆粒物沉積下來。而春季溫度逐漸回升，管網微生物代謝作用增強，顆粒態有機物的厭氧轉化效率提高。導致旱季4月份前后，水廠進水COD與氨氮負荷偏高，并會伴隨管網水力條件的變化出現短時耗氧污染物沖擊負荷，對水廠生物系統硝化段的調控產生影響。
此外汛期DO監測發現，由于降雨的混入以及管道湍流的加劇，進水DO較非降雨日，有不同程度的升高，這與WALSH等研究結果一致。而該情況可能會產生兩方面的消極影響，Ⅰ管網厭氧環境受到沖擊，加之沉積物減少，大分子有機物通過水解產酸過程向VFAs的轉化效率降低，水廠生物池活性污泥可利用的優質碳源減少；Ⅱ直接對生物池前端預缺氧段的缺氧環境產生沖擊，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廠旱季生物除磷現象，在汛期消失，化學除磷系統面臨較大壓力，藥量調控需更及時。
03 結 論
（1）QH2進水污染物負荷受上游排水戶用水規律、中間管網運維狀態、末端水廠抽升策略以及廠內回流的綜合影響。其中居民用水規律相對穩定，而管網的生物緩沖、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，午間進水量提升后維持在高位。
（3）旱季水廠低液位抽升易對管網沉積物產生擾動，并導致進水顆粒態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，進水氨氮濃度全年平穩。泥區回流液中82.33%的氨氮在Anammox系統中被去除。旱季低溫時節居民飲食習慣的改變，會加劇有機份在管網內的沉積，并在春季，引發進水耗氧污染物負荷的升高。
（4）QH2廠全年進水耗氧污染物負荷保持穩定，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），差異系數僅為0.042。而每天早間時段的進水耗氧污染物負荷與需氧量為其他時段的1/2。
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