上海中心城區城鎮污水水質特性分析

張 巖

(上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

城市污水處理廠是城市發展的重要基礎設施,是城市水污染控制、水環境保護工作的關鍵工程[1]。根據城鄉建設統計年鑒,截至2020年,全國城市污水處理廠共2 618座,處理能力為19 267萬m3/d。隨著國家“雙碳”目標的提出,從污水處理行業角度出發,積極推進污水處理系統節能降耗,提升污水處理廠的精細化運行水平面臨新的挑戰。

上海是國際著名的金融中心,地處長江三角洲沖積平原的邊緣,全市面積為6 340.5 km2。氣候屬于北亞熱帶東亞季風氣候,四季分明,冬夏長、春秋短,雨量充沛,光照較足。多年平均降雨量為1 123.7 mm,平均降雨日約為132 d,全年總降雨量的60%集中在5月—9月。汛期在6月—9月,平均降雨量為524.9 mm,占全年48.3%,9月雨量最多,占全年的14.9%[2]。至2020年年底,上海市城鎮污水處理廠出水水質全面達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A及以上標準,城鎮污水處理總規模達到840.3萬m3/d,城鎮污水處理率為96.7%[3]。

目前,上海市中心城區污水處理區域主要包括石洞口片區、竹園片區、白龍港片區三大片區[4],如圖1所示。不同污水處理片區的污水水質受不同的收水區域內居民生活、工商業門類、排水體制和降雨等因素影響,導致污水處理廠的進水特性時刻在變化。研究[5-7]表明,進水水量水質在時間和空間尺度上存在一定的變化規律,進水特性的不同也對廢水處理工藝及操作運行條件提出了不同的要求。孫艷等[8]在2014年曾對上海市50座城市污水處理廠進水水質進行統計學分析。但隨著上海城市發展和人口變遷,新的排水規劃出臺,部分中心城區內的管網系統和污水處理廠已經進行了功能性調整。白龍港片區現作為中心城區主要收水區域,開展對現狀白龍港片區的污水水質特征分析十分必要。通過分析管網輸送末端污水處理廠不同特征天的進水特征,一方面為污水處理廠擴建和運行管理提供數據支持[9],另一方面用于指導污水處理廠生產工藝的優化調整,發揮不同處理單元的最大優勢,對提高污水處理效果和降低運行費用具有重要意義[10-11]。

圖1 上海污水處理系統及污泥處理處置規劃布局

1 白龍港片區概述

目前,白龍港片區服務面積為1 060 km2,收水面積包括黃埔、靜安、徐匯、長寧4個浦西中心城區,以及閔行、浦東及青浦,共計7個區,服務人口為950萬～1 000萬人。2021年日均處理水量約為323萬m3/d,約占全市污水處理總量的1/3。規劃期限內,白龍港污水區域污水量約為360萬m3/d,其中,浦東新區為169萬m3/d、閔行區為109萬m3/d、徐匯區為42萬m3/d、黃浦區為22萬m3/d、長寧區為13.3萬m3/d、青浦區為4.6萬m3/d[12],此外,強排系統規劃初期雨水總量約為149.3萬m3。上述區域的污水分別通過沿線管網布設的多級輸送泵站輸送至管網末端的污水處理廠,白龍港片區排水體制為合流制和分流制并存。新建地區采用分流制,建成地區已建分流制系統持續推進雨污混接改造,已建合流制系統予以完善,有條件的逐步向分流制過渡[12]。排水體制不僅影響城市水環境質量,而且影響進入污水處理廠的水質,尤其是雨季期間對污水處理廠進水水質影響較大。

2 研究方法

本文以白龍港片區管網輸送末端污水處理廠進水為研究對象,以2021年全年進水主要污染物水質化驗數據為統計分析依據,主要分析了CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP的濃度變化規律,以及各指標之間的相關性及概率分布,同時對不同特征天各指標的變化規律進行了對比分析,以此為該片區污水處理廠內的工藝優化和運行調控提供科學指導。

3 結果與討論

3.1 全年進水水質特性分析

3.1.1 各水質指標統計分析

對2021年度全年進水日均進水CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN以及TP每日化驗數據進行統計分析與正態性檢驗,分析結果如表1所示。

表1 進水水質統計分析與正態性檢驗

由表1可知,進水CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP各指標平均值分別低于設計值約33.7%、34.6%、26.4%、44.6%、43.5%、48.2%。通過對各指標數值進行Kolmogorov-Smirnov檢驗,當P值>0.05時代表該項指標服從正態分布[13],根據檢驗結果可知,SS、TP符合正態分布;CODCr、BOD5、氨氮和TN不符合正態分布。偏度系數反映曲線偏離正態的程度,負值為左偏,正值為右偏。由此可知,CODCr、BOD5是右偏態分布,氨氮、TN是左偏態分布。

如圖2所示,CODCr全年平均進水質量濃度在78.00～438.67mg/L,日均值為238.67mg/L;BOD5全年平均進水質量濃度在34.90～207.00mg/L,日均值為104.68mg/L;氨氮全年平均進水質量濃度在7.78～35.10mg/L,日均值為22.16mg/L;TP全年平均進水質量濃度在1.00～4.70mg/L,日均值為2.59mg/L;TN全年平均進水質量濃度在11.80～39.20mg/L,日均值為25.42mg/L;SS全年平均進水質量濃度在35.00～196.00mg/L,日均值為103.07mg/L。從圖2箱體圖上可直觀地看出,6月—9月各指標進水濃度基本低于其他月份,主要原因是上海市地處南方,雨季降雨較多,同時該片區上游存在部分合流制收水管網,降雨期間雨水通過雨污混接管道進入污水管網。與此同時,上海白龍港片區排水管網存在雨污混接的現象,雨水混接使雨水進入污水系統,造成雨天污水處理廠進水濃度降低,進而影響污水處理廠的正常運行。此外,受降雨入滲的影響,地下水水位升高,當地下水水位高于管底標高時,入滲進入污水管道,同時,地表水通過合流截流管、分流制雨水沿河截流管倒灌進入污水系統,其會造成污水管道滿管流、高水位,以及污水處理廠進水水量增加、水質濃度降低[14]。不同月份各指標最大值與最小值差距較大,這也與排污管網體制和管網漏損有較大關系。雨天大量初期雨水混入管網的同時,對管網內沉積物進行沖刷,造成降雨初期管網內污染物濃度較高。隨著降雨的持續,管網內污染物濃度逐步降低,而管網漏損也會導致含有一定污染物的外水進入輸水管網,造成全年部分時段內污染物濃度波動較大。徐尚玲[15]研究了4場降雨期間合流制排水系統不同來源的污染物特性及污染貢獻,研究表明降雨徑流過程中,管道總出口污染物濃度的變化具有波動性,并出現多個峰值,污染物濃度的峰值不一定出現在徑流開始,最大值不都在第一峰值處。因此,管道沉積物所占負荷比例與降雨強度、降雨歷時及晴天累計數息息相關,管道沉積物中污染物釋放規律具有較高的復雜性。本年度2月進水濃度也較低,與雨季6月—9月濃度接近,而查閱該廠2018年—2021年不同月份進水水質,也發現2月進水濃度較低,這與孫艷等[8]報道的上海月度水質變化規律一致。

注:“箱體”上下兩邊分別對應數據的上下四分位數,“箱體”內部一條橫線段位置代表數據的中間值,箱體內部的空心方塊對應數據的平均值,“箱體”上線兩邊延伸出去的豎線代表最大值與最小值。

3.1.2 線性擬合回歸分析

通過對2021年進水全年主要指標進行統計分析,通過Origin9軟件對數據進行線性擬合,得到各污染物濃度之間的回歸方程和相關系數如表2所示。為直觀地展示,將所得的結果繪制成圖,如圖3所示。

表2 進水水質各指標回歸分析

圖3 進水各水質指標擬合曲線

由表2、圖3可知,進水CODCr分別與BOD5、SS、TN、TP、氨氮進行最小二乘法線性擬合后,相關系數分別為0.947、0.884、0.246、0.420、0.265,由此可知CODCr與BOD5和SS相關性較高,與TP相關性一般,與TN和氨氮的相關性最差;進水BOD5分別與SS、TN、TP、氨氮進行最小二乘法線性擬合后,相關系數分別為0.828、0.235、0.391、0.247,由此可知BOD5與SS相關性較高,與TP相關性一般,與TN和氨氮的相關性最差;進水SS分別與TN、TP、氨氮進行最小二乘法線性擬合后,相關系數分別為0.291、0.411、0.299,由此可知SS與TP相關性一般,與TN和氨氮的相關性較差;進水TN分別與TP、氨氮進行最小二乘法線性擬合后,相關系數分別為0.260、0.964,由此可知TN與氨氮相關性較高,與TP的相關性較差;進水TP與氨氮進行最小二乘法線性擬合后,相關系數為0.223,由此可知TP與氨氮相關性一般,擬合結果與鄒呂熙等[13]報道的結果基本一致。

通過上述擬合結果可以判斷,進水CODCr濃度升高時,其進水BOD5和SS同步升高,當進水大部分的SS被菌膠團捕獲進入污泥后,會進一步造成污泥產量同步增加。因此,后續可進一步研究進水濃度和產泥量關系,可以用于指導污水處理廠在不同進水濃度條件下,如何動態調整排泥量來保持生物系統相對穩定的運行環境;進水TP與進水濃度相關性一般,結合該廠實際運行情況,當進水CODCr在一定范圍變化時,實際生物出水TP質量濃度在0.4～0.8mg/L,出水水質相對比較穩定;而進水SS與進水CODCr、BOD5相關性較大,說明進水SS的濃度對進水CODCr和BOD5產生較大影響,由此可知進水CODCr和BOD5很大一部分為顆粒態有機物。進水的CODCr、BOD5、SS濃度與進水的營養物質TN、氨氮相關性較差。TN、氨氮一般以溶解態存在,當進水有機物質濃度與TN、氨氮濃度相差較大且進水顆粒物有機物占比較大時,如果生物系統超負荷運行期間,水力系統停留時間縮短,顆粒態有機物不能完全轉化為溶解態有機物,會對生物系統的脫氮效果造成一定影響;而進水氨氮與進水TN相關性較高,說明經過管網長距離輸送部分有機氮類物質經過氨化、水解脫氨反應基本生成了氨氮,有機氮占比相對較低。

3.1.3 營養物比例分析

通過對全年營養物比例數據進行統計分析并把結果繪制成圖,結果如圖4所示。

(1)BOD5/CODCr

由圖4可知,進水BOD5/CODCr最小值為0.36,最大值為0.51,平均值為0.44,中位數為0.44。其中,在0.42～0.48的占比約為84.9%,由此可見,全年內進水BOD5/CODCr保持基本穩定。一般BOD5/CODCr用于表征污水的可生化性能,BOD5/CODCr≤0.3代表污水較難生化處理,0.30.5代表極易生化處理[16-17]。由此可知,進水水質可生化性一般,而由表1可知,污水經過長距離輸送后,進水水質濃度也較低,較低的進水濃度需要生物池保持較低的污泥濃度,以免污泥濃度過高,造成污泥老化,影響出水水質。

(2)BOD5/TN、BOD5/TP

由圖4可知,BOD5/TN最小值為1.40,最大值為8.41,平均值為4.15,中位數為4.12。其中,在3.34～5.69的占比約為90.4%;進水BOD5/TP最小值為17.64,最大值為77.43,平均值為40.94,中位數為40.45,其中在35.31～55.63的占比約90.7%。根據反硝化方程式,每反硝化1 g硝酸鹽氮需要2.86 g BOD5,為保證脫氮除磷效果,一般脫氮除磷工藝要求BOD5/TN>4,BOD5/TP>17[18-19]。而通過統計分析,進水BOD5/TN>4的天數占比約為66.9%,故約1/3的天數BOD5/TN存在偏低的問題,在進水BOD5/TN較低的天數時需要通過工藝調控,甚至必要時投加碳源保障TN的去除效果。

(3)SS/BOD5

由圖4可知,進水SS/BOD5最小值為0.76,最大值為1.83,平均值為0.97,中位數為0.98,其中在0.93～1.15的占比約為87.1%,較其他污水處理廠偏高[20]。有文獻[21]報道,城市生活污水中約65%的CODCr以SS的形態存在,可知進水SS與進水有機物具有一定的比例關系。SS/BOD5可以表征進水懸浮物對污泥產量和污泥中活性組分占比的影響,進水SS/BOD5占比越高,活性污泥中揮發性污泥濃度(MLVSS)比例越低。污水處理廠進水SS/BOD5>1.2時,反硝化效果降低[13],顆粒物質在厭、缺氧區利用效率降低。大量的顆粒碳源進入到好氧段,通過相對較長的停留時間在好氧段被消耗,造成脫氮、除磷效果變差。同時,活性污泥中活性組分較低,為保證硝化反應充分進行,需要增大污泥濃度,會進一步導致污泥老化甚至二沉池跑泥,影響后續處理,甚至導致出水SS超標。

3.2 不同日期類型進水特征

3.2.1 雨天、旱天進水污染物特征

通過對全年數據按照旱天和雨天進行分析統計,并繪制成圖5和圖6,可以直觀地看出旱天、雨天各指標數值頻率分布情況。

圖5 旱天進水指標頻率分布

圖6 雨天進水指標頻率分布

其中,旱天各污染物的實測值變化范圍較雨天變化范圍窄,同時各實測值在各區間范圍的頻率分布相比雨天變化差別較小,相鄰頻率所占比例變化趨勢較緩。除TP之外各污染物指標的極值均出現在雨天,其中,雨天CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS最大值分別比旱天相應的極值高約28.1%、26.2%、18.6%、20.3%、24.8%,而旱天TP最大值較雨天最大值約高7.06%。雨天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS變動范圍也較旱天分別高約88.4%、87.5%、125.8%、23.7%、132.2%、85.1%。旱天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS各指標污染物主要頻率分布在215.0～320.0mg/L的占比84.9%、101.25～145.0mg/L的占比81.1%、22.1～26.5mg/L的占比82.1%、2.16～3.69mg/L的占比95.3%、24.4～30.5mg/L的占比92.5%、91.3～147.5mg/L的占比88.7%;雨天CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS各指標污染物主要頻率分布在130.0～340.0mg/L的占比96.9%、76.0～151.0mg/L的占比92.3%、15.0～29.0mg/L的占比94.6%、1.75～3.00mg/L的占比83.4%、20.0～30.0mg/L的占比86.5%、40.0～145.0mg/L的占比93.4%。旱天各污染物CODCr、BOD5、氨氮、TP、TN、SS平均值較雨天的對應污染物濃度平均值分別高約16.7%、13.9%、11.5%、16.8%、9.91%、16.2%。通過統計數據結果可以得出,雨天期間進水各進水污染物濃度變化范圍較大且呈現出極值更大,主要是由于該片區多為合流制管網雨天受初期雨水對地面和管道沉積物沖刷的影響,造成進廠各污染物濃度會出現短時間的高值,后續隨著降雨時間延長,進水濃度逐步降低,而旱天進水濃度相對雨天平均值偏高,通過分析旱天、雨天的各污染物濃度特征,對污水處理廠不同特征天條件下工藝運行調控具有指導意義。

3.2.2 雨天、旱天進水營養物比例特征

通過對全年雨天、旱天營養物比例進行統計分析并繪制成圖,結果如圖7所示。

圖7 雨天、旱天營養物比例對比

由圖7可知,雨天BOD5/CODCr均值、最大值、最小值均高于旱天;雨天BOD5/TN最大值較旱天偏大,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數值的波動范圍均大于旱天,而雨天BOD5/CODCr數值的波動范圍較旱天小。整體來看,各營養物比例除雨天、旱天的最小值差別較大外,其他雨天、旱天均值、最大值幅度變化幅度較小。

3.2.3 不同季節水質變化情況

通過對全年水質數據按照季節整理統計后繪制成圖,如圖8所示。

圖8 不同季節各水質指標和營養鹽比例關系

由圖8可知,進水CODCr、BOD5、SS污染物濃度隨季節變化趨勢基本相似,其中春季濃度最高,其次是秋季、冬季,夏季進水濃度最低;氨氮、TN和TP營養鹽濃度隨不同季節變化幅度較小,沒有明顯規律。進水各營養物質比例由于受不同季節進水濃度的影響,BOD5/TN隨季節變化較大,其中夏季比例最低,春、秋、冬季節比例差別較小,BOD5/CODCr、BOD5/TP、SS/BOD5兩者因各自的污染物濃度隨季節變化趨勢相近,故各自比值較接近。

3.2.4 不同日期類型水質變化情況

(1)進水各污染物水質特征統計分析

不同日期類型條件下各污染物水質特征如表3所示。周末期間CODCr、BOD5、SS水質濃度略低于非周末;周末期間氨氮、TP、TN水質濃度略高于非周末。有機物質和懸浮物質的濃度與營養鹽類物質的濃度成相反的趨勢,但總體上周末和工作日水質濃度偏差較小。該年度節假日期間進水濃度均低于非節假日進水濃度,主要與城區居民生活習慣有關。結合每日進水濃度數據來看,春節期間進水濃度相對較低,而五一期間因為進入雨季進水濃度也相對偏低,造成節假日相對非節假日濃度偏低。不同日期類型條件下,進水有機物質和SS的濃度相對偏差高于營養鹽類污染物。

表3 不同日期類型各污染物水質特征統計

(2)進水營養比例統計分析

不同日期類型條件下各營養鹽比例,如表4所示。

表4 不同日期類型各營養鹽比例統計

由表4可知,周末期間BOD5/TN、BOD5/TP、SS/BOD5均低于非周末;節假日期間BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP均高于非節假日,而節假日期間SS/BOD5低于非節假日;不同日期類型條件下,BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP相對偏差較小,但SS/BOD5偏差較大。

4 結論

基于上文對2021年度進水水質特性數據進行全面的統計分析,得出下列觀點。

(1)2021年是上海市《城鎮污水處理提質增效三年行動實施方案(2019—2021年)》的最后一年,但是通過對比2021年白龍港片區污水處理廠進水濃度實際值與設計值,發現進水各指標濃度與設計值仍舊存在較大差距。建議未來繼續大力推進白龍港片區提質增效方案,全面排查白龍港片區輸送管網,摸清家底,加強管網改造,發現管網錯接,滲漏、破損、河水倒灌等管道異常問題,及時處理,既要完善白龍港片區輸水管網收集污水的量,更要注重收集污水的質。同時,建議水務部門把污水處理廠特定指標的進水濃度年度增長率納入對排水單位的績效考核內容。

(2)通過上文對旱天和雨天水質濃度對比,得出旱天各污染物濃度均值高于雨天,而雨天各污染物變化幅度較大,6月—9月各污染物進水濃度低于其他月份。BOD5/CODCr年均值為0.44,BOD5/TN隨季節變化浮動較大,其中夏季比值最低。由此可知,白龍港片區污水水質可生化性一般,且全年存在近1/3的天數BOD5/TN存在偏低的問題,主要原因是白龍港片區收水范圍較大、排水管線較長,污水處理廠的來水經過長距離輸送,部分快速降解的有機物質在管網內被消耗。為此,建議上游排水輸送單位,優化管網的排水調度和泵站抽升運行模式,盡量縮短在夜間或早上低水量期間,污水在管網的滯留時間和運行液位。上海中心城區污水收集和輸送配套設施相對完善,因此,建議在適當的區域開展取消化糞池的試點,進一步提升污水管網內有機物濃度。同時,片區污水處理廠需要設置碳源投加系統,必要時需投加碳源,保證氮磷的有效去除。

(3)通過對各指標周末和非周末、節假日和非節假日期間進水濃度的對比,發現周末期間各進水濃度整體偏差較小,各指標節假日期間進水濃度均低于非節假日進水濃度,周末和非周末期間BOD5/CODCr、BOD5/TN、BOD5/TP營養比例偏差較小,SS/BOD5比例偏差較大。因此,建議污水處理廠節假日期間,關注進水濃度,根據進水濃度情況來動態調整運行參數。

(4)通過對2021年白龍港片區的全年進水特性的詳細分析,其分析成果進一步用于指導污水處理工藝優化運行和實現精細化調度。針對不同季節進廠污染物的動態變化規律,采取精細化曝氣調整,既有利于節能減耗,又可以防止活性污泥老化造成的出水水質波動。尤其是6月—9月,進水低濃度期間,保持較低的污泥濃度,適當提升生物系統負荷,增加生物處理水量,進一步降低用電、用藥單耗和年度水量考核指標。針對上游部分時段碳源不足時,污水處理廠可以采取超越初沉池的策略,充分保證生物系統脫氮除磷所需的碳源;同時建議增加過程水質在線儀表,尤其是過程氨氮和硝酸鹽類儀表,通過在線進水濃度和過程出水濃度數值動態調整內外回流比和曝氣量,應對水質突變。