城鎮居住小區人均污水污染物產生量測算方法與應用

劉戰廣

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

2019年4月，住房和城鄉建設部等三部委印發《城鎮污水處理提質增效三年行動方案》(2019—2021年)，提出城市生活污水集中收集效能顯著提高的目標。城鎮居民人均生活污水污染物產生量是生活污水處理工程設計的重要參數，也是計算城鎮生活污水集中收集率、評估污水系統效能的重要基礎數據[1-4]。國內相關規范標準引用的人均日生活污水污染物產生量數據多借鑒國外經驗值，同時，國內現有研究得到的結果往往低于相關規范標準的數據，難以準確表征我國城鎮居民生活污水污染物產生和排放情況[5]。

本文以居住小區出水總排口為研究對象，在污水收集設施相對完善、工業廢水比例較小的城市排水系統服務范圍內，根據污水收集設施建設情況、居住人口、入住年限等因素研究居住小區的選取原則和方法，建立居住小區生活污水水質采樣檢測、流量測量、用水量調查、數據分析的系統方法。并針對上海某城市污水處理廠排水系統開展應用研究，分析居住小區生活污水污染物產生規律，為城鎮居民人均生活污水污染物產生量的測算和研究提供參考。

1 測算方法

1.1 居住小區選擇

在城市建成區范圍內選取典型生活小區。所選小區應為普通住宅，不含別墅區，實際居住人口應超過1 000人或住戶超過400戶，入住率在70%以上。所選小區應為分流制系統，不存在雨污混接現象(陽臺洗滌廢水未混接進入雨水管)。應有統一的集中排放總管，或其中一個出水口排放量超過小區生活污水總排放量的80%，便于采樣和監測。

1.2 水質采樣檢測

根據選擇的居住小區監測點，在春季(或秋季)、夏季和冬季分別進行1～2次連續的水質采樣和流量測量，每次連續監測5～7 d，其中包含周末。在采樣日，兩位采樣人員每天分別在采樣時間段(6∶00—24∶00)，每隔2～4 h取1次樣品。采集樣品均為小區集中排口處窨井內監測口流動的水樣，每次取樣量為500 mL。完成全天采樣后，將水樣混合均勻，檢測COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等指標。小區如設有化糞池，選測一座化糞池測量進、出水水質，水質采樣方法與小區集中排口處相同。

1.3 流量測量方法

盡量采用在線監測獲取小區總排口污水量，條件不允許時，可通過用水量調查間接獲取小區人均污水量數據。流量測量建議使用多普勒超聲波流量計等在線監測儀表，但應注意水深較淺、流速較小、管道底泥及水中雜質等干擾因素的影響[6-8]。

1.4 用水量調查方法

當不具備流量測量條件時，可通過調查小區用水量，結合污水排放系數估算污水量。如無法獲取小區用水量數據，可在小區選取部分典型住戶進行自來水表讀數獲取人均用水量數據。所選住戶包括一代人1～2人居住、兩代人3人居住、三代人4～5人居住等幾類，每類住戶不少于2戶。在采樣期間，間隔24 h讀取所選住戶自來水表，并記錄下讀數期間在家的人口數。同時間隔24 h讀取小區總水表的讀數，并詢問明確所讀取的用水量中是否包括綠化用水，應扣除綠化等非居民生活用水量。

1.5 數據分析方法

根據監測數據計算出每個小區在春季(或秋季)、夏季和冬季的人均污染物當量，按照季節權重計算出該小區1年人均污染物產生量。其中，春季(或秋季)的權重為2，夏季和冬季的權重為1。

Fe=Qw×Ce

(1)

F=(2F春/秋+F夏+F冬)/4

(2)

其中：Fe——單季人均污染物產生量，g/(人·d)；

Qw——人均污水量，L/(人·d)；

Ce——污染物平均濃度，g/L；

F——全年人均污染物產生量平均值，g/(人·d)。

根據監測得到的每個小區的生活污水人均污染物產生量，可進行城市監測點數據加權平均計算，得到城市生活污水人均污染物產生當量。

2 案例研究

2.1 居住小區選擇

結合某城市污水處理廠排水系統，對某城市典型居住小區人均污染物產生量開展調研。由于時間及經費限制，本研究僅在夏季進行連續一周的水質采樣分析，對測算方法進行了驗證。由于不同地區、不同小區、不同季節的用水量、污水水質等波動較大[9]，小區或城鎮尺度的人均水污染物產生量測算應覆蓋不同季節，并適當增加監測頻次，使測算結果更具代表性。該污水處理廠設計處理規模為2萬m3/d，服務范圍內以居住小區為主，主要包括上世紀90年代建設的大型居住小區及部分2000年以后興建的居住小區。該排水系統為分流制，周邊建有3個強排模式的分流制雨水排水系統及1個分流制緩沖自排模式的雨水排水系統。綜合考慮小區規模、所處位置、建設年代及現場監測條件等因素，選取A、B等兩個普通住宅小區作為研究對象，如圖1所示。其中，小區A建于2003年，總戶數1 024戶，居住人口3 048人。小區B建于1995年，總戶數1 800戶，居住人口5 312人。兩個小區的入住率均在80%以上。居住人口為居委會統計數據，小區居委會每兩年對小區內實際居住人口進行一次核查，包括戶口人員和租住人員。兩個小區均接近污水處理廠，通過排放總管集中排水，無化糞池。

圖1 居住小區位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Studied Residential Quarters

2.2 污水水質分析

針對小區A和B同時進行連續一周的采樣監測，取樣位置為小區總排口，每天完成采樣后，取全天的混合樣測定水質，結果如表1和圖2(周一—周日)所示。

表1 小區污水水質Tab.1 Residential Wastewater Quality

由表1和圖2可知，由于兩個小區無化糞池，生活污水的水質波動范圍較大。小區A污水各指標最大值與最小值的比例可達1.99～3.44倍，小區B污水各指標最大值與最小值的比例可達1.62～6.28倍。相較TN和TP，污水COD、BOD5、NH3-N最大值與最小值的比例更大。由圖2可知，污染物濃度的變化規律相似，即周末污染物濃度高，工作日污染物濃度較低。小區A污水COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的最小值均出現在周四，除TP外其他指標的最大值均出現在周末。小區B也有類似規律，最大值基本在周五—周日，最小值基本在周三和周四。這可能與居民周末在家用餐率較高、洗滌劑使用量較大等因素有關，表明小區人均生活污水污染物產生量的監測應同時包含工作日和周末。

圖2 小區污水CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP的變化規律Fig.2 Values of CODCr, BOD5, NH3-N, TN and TP in Residential Wastewater

圖2標出了第二次全國污染源普查《生活污染源產排污系數手冊(試用版)》中對應地區城鎮生活源水污染物產污校核系數的上限值、平均值和下限值。由圖2中可知，小區A污水COD、BOD5、TP的監測平均值低于產污校核系數的平均值，但均高于其下限值，NH3-N和TN的監測平均值與產污校核系數平均值相當。小區B污水的COD、BOD5監測平均值顯著高于產污校核系數的上限值，這與周五—周日COD、BOD5的日均監測值異常偏高有關。周一—周四小區B污水的懸浮物、COD、BOD5平均值分別為135、360、154 mg/L，周五—周日的平均值則分別為427、1 125、480 mg/L。因此，周五—周日小區B污水的COD、BOD5濃度顯著上升可能是受樣品中懸浮物濃度較高的影響。小區B污水的NH3-N、TN、TP監測平均值高于產污校核系數的平均值，但均低于其上限值。

如果小區內部排水系統存在雨污混接現象，可能導致生活污水水質受到降雨影響。本次小區生活污水取樣期間周邊2個雨量站記錄的平均降雨量如圖3所示，由圖3中可知，采樣期間周四、周六和周日該區域有降雨，其中周六的降雨量達到(20.0±6.7) mm。盡管如此，兩個小區周六的生活污水水質均相對較濃，表明小區內部雨污混接可能較少。

圖3 采樣期間的降雨量分布情況Fig.3 Rainfall Distribution during Sampling Period

兩個小區的位置均接近污水處理廠，如圖4所示，污水處理廠同期進水的COD、BOD5、NH3-N、TN平均值分別為(452±195)、(297±123)、(46.9±11.5)、(57.1±10.0) mg/L，為典型的城鎮生活污水水質濃度。其中，BOD5、NH3-N、TN均高于第二次全國污染源普查對應生活源產污校核系數的上限值。該污水處理廠排水系統服務范圍內以居住小區為主，其中，大部分小區的建設年代為上世紀90年代，與小區B相近。兩個小區官方統計的戶均人口均為3人，但建設年代較早的小區B家庭老人占比較高，老人較多的家庭用餐率更高、用水量較小，可能導致污水污染物濃度更高[10]。

圖4 污水處理廠進水污染物濃度Fig.4 Influent Pollutant Concentration of Wastewater Treatment Plant

2.3 人均污染物產生量估算

根據小區的用水量和污水排放系數估算污水量。由于居住小區為雙月抄表，采用供水部門提供的監測前后4個月的用水量數據和小區居委會統計的居住人口進行初步估算，結果如表2所示。小區A的人均用水量可達到上海市節水型小區評價標準，即135.0 L/(人·d)，小區B的人均用水量偏低，僅為小區A的66%，可能與家庭經濟水平、年齡結構、節水意識等相關[11]。污水排放系數取0.85時，計算小區A和B的人均污水量分別為114.4 L/(人·d)和75.5 L/(人·d)。

基于表2中的人均污水量和表1中的污染物平均濃度，按照式(1)計算人均污染物產生量，結果如表3所示。與室外排水設計規范中的設計水質相比，表3中居住小區人均污染物產生量偏低，其中小區A的BOD5、TN、TP人均產生量較室外排水規范下限值分別低48.1%、18.1%、47.7%，小區B的BOD5、TN、TP人均產生量較室外排水規范下限值分別低11.2%、38.5%、41.8%。有研究表明，居民用水量與污染物排放系數呈正相關關系，即用水量較大時，人均污染物排放量也越高[5]。由于用水量、污染物濃度等受經濟條件、生活習慣、文化程度、年齡結構等因素差異的影響，盡管小區A用水量較小區B大，但人均污染物產生量較低。同時，本研究中的小區人均用水量采用供水部門提供的小區用水量數據和居委會人口普查數據計算得到，盡管基礎數據相對準確，但由于居民生活規律不同、人員流動特征復雜，難以精準定量小區居民全天24 h產生的所有污水污染物。因此，直接采用居住人口計算人均數據時，由于居民在上班、上學、臨時外出等情況下的用水量及污染物產生量未計算在內，會導致人均用水量和人均污染物產生量偏低。常州市某居民樓宇的研究采用安裝人員出入監控系統計算調查時間段內的排污人口當量，得到檢測日居民生活污水人均日排放量為216.0 L/(人·d)，上海市居民生活用水定額通用值為200.9 L/(人·d)，均高于本文研究結果[12]。

表2 小區人均用水量和污水量Tab.2 Daily Water Consumption Per Capita and Domestic Wastewater Production of Urban Residents

表3 小區人均污染物產生量Tab.3 Daily Domestic Wastewater Pollutant Production Per Capita of Urban Residents

3 結論

(1)提出了城鎮居住小區人均污染物產生量的測算方法，包括居住小區選擇、水質采樣檢測、流量測量、用水量調查、數據分析等。

(2)對某城市污水處理廠排水系統服務范圍內兩個無化糞池的居住小區A和B連續一周的監測分析。結果表明，小區生活污水的水質波動范圍較大，周末污染物濃度較工作日高。具有代表性的小區B總排口污水的CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP平均值分別為687、294、32.6、40.7、5.42 mg/L。小區B未設化糞池，且緊鄰污水處理廠，其生活污水水質與污水處理廠進水水質較為接近。設有化糞池的小區，居民生活污水經化糞池處理后，懸浮物、COD、BOD5等指標會有所下降。此外，生活污水污染物在輸送過程中可能發生部分衰減。因此，小區排口水質監測結果一般不能直接代表污水處理廠的進水水質。

(3)根據小區用水量數據和人口普查數據計算小區B的人均用水量為88.8 L/(人·d)，污水排放系數取0.85時小區B的人均CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP產生量平均值分別為51.90、22.18、2.46、3.07、0.41 g/(人·d)，低于室外排水設計規范中城鎮污水的設計水質。

(4)供水部門提供的小區用水量數據與用于計算的排污人口當量數據不匹配導致人均用水量和污水量數據偏低可能是人均污染物產生量偏低的主要原因，后續研究采用流量測量、入戶調查等方式獲取盡可能準確的人均污水量和人均污染物產生量，可為國內城鎮居住小區人均污染物產生量的測算提供參考。此外，室外排水設計規范中的人均污染物產生量數據是在大范圍統計分析的結果，擴大調查范圍以獲取更多的數據可進一步減小誤差。