监测数据：城镇污水厂进水污染物负荷变化规律
对QH2再生水厂旱季（汛前4月、汛后11月）与雨季（主汛期7月）进水污染物负荷变化规律进行监测分析。结果表明：QH2进水污染物负荷受源头用水特性、管网运维状态，以及水厂抽升策略的综合影响。旱季QH2栅前液位与居民用水量均呈双峰分布，且峰值间隔时长接近。管网对上游来水的生物缓冲、稀释缓冲、容积缓冲效应，随旱季低液位抽升与汛期大水量冲刷而发生变化。旱季进水耗氧污染物负荷（OCPL）略高，汛前、汛后生物池单位容积需氧量为22.36、21.41 g/（m³·h）。且低液位抽升易导致管网沉积物中颗粒态COD、TP的混入。虽监测到污染物浓度升高的初雨效应，但雨季进水OCPL略低，主汛期生物池单位容积需氧量为20.58 g/（m³·h）。旱季、雨季非降雨日，早间时段进水OCPL与需氧量约为其他时段的1/2。不考虑雨水稀释作用，进水氨氮浓度全年保持稳定，Anammox对泥区回流液的处理，有效降低了生物系统氨氮负荷。
排水户用水特性属于源头因素，由用户类型、生产生活习惯等决定。市政管网在排水户与再生水厂间起纽带作用，排水体制类型、管网运维状态，以及汛前汛后管网缓冲能力的变化为进厂污染物负荷的波动增加了诸多不确定性。而再生水厂进水泵抽升策略是实现前端管网性能维持与后端生物处理系统稳定的关键节点。本文以北京市50万m³/d的QH2再生水厂汛前、主汛期、汛后进水污染物负荷监测数据为基础，综合分析水厂服务区域内用水特性、排水管网性能，以及水厂抽升策略等多因素的影响，以期更加系统地呈现污水处理厂进水污染物变化规律，为再生水厂运行调控提供基础支撑。
01 材料与方法
北京市某排水流域QH1厂、QH2厂流域面积近150 km²，用地性质主要为居住与商业，以合流制管网为基础。QH1厂位于管网上游，超出其接收能力的来水，经下开式联通闸与排水干线（直径2.6m，长度约10km）向下游QH2厂输运。联通闸溢流输运水量占QH2厂处理水量的比例＞30%。
选取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）三个典型时段，对QH2厂进水水量水质进行监测分析。自动采样器型号为哈希AS950，取样间隔1h。COD、氮、磷等污染物指标的测定均按照国家环保总局发布的标准方法进行。样品经0.45μm滤膜过滤后，测定溶解性COD（SCOD）与正磷酸盐含量。
02 结果与讨论
2.1 QH2进水流量、水质年度变化情况
如图1所示，QH2厂进水水量与水质以主汛期为分水岭，呈现明显变化。汛前（1月至6月）与主汛期（7月至9月），日均处理水量分别为36.36万m³、52.76万m³，汛后（10月至12月）日均处理水量44.66万m³，较主汛期下降15.35%。
汛前进水每日COD、TP含量大幅波动，差异系数分别为0.47、0.45，而主汛期及汛后相对稳定，差异系数分别为0.27、0.20。分析原因：汛前污水在管道输运过程中形成沉积层。例如，旱季QH1厂前南侧排水干线局部积泥厚近1.0m，沉积比约30%，接近满管流。当管网下游污水处理厂低液位抽升时，对管网沉积物产生扰动，颗粒态COD、TP组分的混入导致进水COD、TP总量升高。
由于雨水的稀释作用，主汛期进水氨氮较汛前与汛后明显降低。若以主汛期与汛前日均水量比值为雨水稀释倍数，扣除雨水稀释作用，则主汛期进厂原污水氨氮均值为30.6 mg/L，与汛前进水氨氮均值32.3 mg/L接近。而汛后氨氮含量异常偏低，12月中旬才恢复到汛前水平，推测受汛期降雨影响，地下水位上升，施工降水排入管网导致进厂氨氮含量降低。QH2厂进水氨氮含量全年保持稳定的原因：Ⅰ氨氮来源稳定，城市污水中近80%的氮素源自尿液；Ⅱ存在形式单一，国内外分析数据表明尿液中85%~94%的氮素以NH4+形式存在。
2.2 QH2进水流量日变化情况
市政管网来水水量水质波动情况受源头用水特性的直接影响，主要取决于用户类型，且呈现明显的日变化规律与季节性。QH2厂服务区域内主要为居住、商业用地。冬春时节（旱季），居住区每日分别围绕早7至9时与晚18至20时出现两个用水量峰值，峰值间隔时间近11h。夜间1至5时为最小用水量时段。夏秋季节，早、晚用水量高峰会分别提前与延后约1h，且晚间峰值流量更大。而商业办公区在工作时段内用水量保持稳定，会适当提升两峰值中间时段的用水量，但不会改变双峰特征。
受水区域内用水量的峰谷变化，导致排水管网充满度的规律性潮汐波动，并最终体现在水厂进水流量与栅前液位的变化上。如图2所示，QH1厂栅前液位（12月8日至11日）每日下午14时、夜间24时出现两个峰值，峰值间隔约10h，与旱季每日用水量峰值间隔接近，但两峰的达峰时间较用水峰分别延迟了5~6h。且午间栅前液位升高后，维持在较高水平，未见退峰现象，与程珣等监测规律相似。此外，每日早6时至9时，栅前液位出现谷值。受上游管网来水变化与QH1厂抽升的影响，QH2厂栅前液位每日下午17至18时与夜间2至4时分别出现一个小峰与大峰，峰值间隔同样约10h，但是较上游QH1厂栅前液位的达峰时间延迟2~3h。QH1与QH2抽升水量的日变化规律接近，每天为低水量时段，午间两厂水量提升后均维持在高位。
2.3 QH2旱季进水水质变化情况
2.3.1 旱季进水流量与栅前液位
旱季，污水处理厂进水水量水质主要由居民用水规律性变化决定，并受水厂抽升状态的影响。栅前液位与抽升水量为两关键控制参数。两种工况下水厂会发生低液位抽升，Ⅰ预报降雨前执行低液位抽升为管网腾容；例如，4月15日凌晨、4月21日上午开始QH1与QH2提前开始低液位抽升，以应对4月15日下午与4月21日夜间的降雨，而流域降雨量均＜2mm，降雨量对水厂水量影响有限。QH1两次低液位抽升导致通过干管联通闸溢流进入下游的水量明显减少，且QH2最低时均液位分别降至1.42 m、1.25 m，较平日最低液位2.58 m，降幅高达46.97%、52.65%（见图3a、3b）。Ⅱ流域总来水量稳中有降，而上游QH1厂抽升量偏大，导致下游QH2厂偶发性低液位抽升。
图3 旱季（4月）连续监测期间QH1、QH2进水流量与栅前液位变化情况
2.3.2 旱季进水主要水质指标
由图1可知，汛后11月QH2进水流量较主汛期虽明显回落，但较汛前4月份仍偏高16.62%。受其影响，11月16日6时至19日5时，进水COD、氨氮、总磷浓度三日时均值分别为330.45、29.32、4.57 mg/L，较汛前4月19日6时至21日5时三日时均值，降幅分别为19.21%、19.72%、33.0%。4月21日雨前低液位抽升导致，进水COD、TP剧烈波动（见图4），当日COD、TP差异系数为0.41、0.43，分别为前两日的2.69、5.96倍。而溶解态组分SCOD与正磷酸盐未见明显波动，进一步证实低液位抽升期间进水COD、TP的升高与波动，主要由管网沉积物中颗粒态组分的混入导致。例如，汛后11月某次低液位抽升期间，上游排水干线的积泥厚度降低量近14 cm。进水氨氮未受低液位抽升影响，氨氮浓度相对平稳，三日变异系数均值仅为0.053。11月16日凌晨的偶发性低液位抽升，同样引发了进水COD、TP的波动，但由于汛期水力冲刷，管网沉积层厚度降低，颗粒态组分含量变化对进水COD、TP的影响较汛前明显减弱。受泥区回流液的影响，4月份三日进水氨氮浓度在早间低水量时段未呈现规律性下降。而泥区回流液经Anammox系统处理后，11月份三日早间时段进水氨氮浓度出现谷值，与上游QH1进水氨氮日变化规律相似。此外，进入冬季，气温逐渐降低，伴随居民饮食结构的调整，以及氮素在管网输运过程中转化效率的变化，进水有机氮含量与占总氮比例，分别提升22%、7.50%。
图4 旱季（4月、11月）连续监测期间QH2进水水质变化情况
水厂进水水量水质由居民用水规律决定，并受低液位抽升、汛期大水量冲击过程中“管网缓冲容量”变化的影响。管网缓冲容量可体现在三方面：
①生物缓冲，汛前管道附着生物膜、底部沉积物中含有丰富的微生物，其菌群结构较源头人类肠道菌群与下游污水处理厂活性污泥菌群结构均有所不同，且微生物多样性与丰度呈现时空差异与季节性变化。污水在管道输运过程中，微生物对有机物及营养盐的利用与转化，对水质起到一定的稳定作用。而经过汛期大水量冲刷后，管道内生物量降低，厌氧环境被破坏，生物缓冲作用减弱；
②稀释缓冲，旱季管网充满度潮汐波动，下游管网蓄水量对上游来水的稀释缓冲作用相对稳定。但是汛后管网淤堵情况缓解，下游对上游的顶托效应减弱，整体充满度降低，管网存蓄水量减少，稀释缓冲作用减弱；
③容积缓冲：汛前管道底部沉积物多、局部管阻明显、充满度高，管网容积缓冲容量被压缩。汛后管道底部沉积物较汛前减少、管路相对通畅，容积缓冲容量得到一定程度释放。但对于充满度控制合理的管网系统，容积缓冲只在汛期大水量冲击负荷下发挥作用。
2.3.3 Anammox对泥区回流氨氮的去除
剩余污泥中蛋白质含量较高，占有机物总量的近75%以上，其在厌氧消化过程中会产生大量的氨氮。如图5所示，板框滤液氨氮日均浓度1 852mg/L，滤液量626m³/d，Anammox系统投运前，泥区板框滤液均回流至水区前端，回流氨氮量折算生物池容积负荷为0.12 g/（m³·h），占旱季（4月份）全天及早间时段管网来水氨氮负荷的比例分别为9.16%、13.72%。6月份Anammox系统投运后，平均82.33%的氨氮经短程硝化-厌氧氨氧化反应去除，有效缓解了泥区回流氨氮对生物系统的冲击，尤其对早间时段氨氮负荷的稳定效果显著。
2.4 QH2雨季进水水质变化情况
2.4.1 雨季进水流量与栅前液位
雨季降水频发，水厂低液位抽升为管网腾容频次也显著增加。7月16日6时至21日4时，对QH2厂开展主汛期进水水量水质连续监测。如图6所示，7月15日8时至16日19时。35h内栅前液位经历了高低液位6~10倍的剧烈波动，上游管网水力冲击显著增加。降雨于7月17日21时陆续展开，至19日早6时结束，流域平均降雨量100.9mm。
即7月17日22时，抽升量高于平日，且稳中有升，栅前液位开始上涨，表明降雨汇流传输至水厂端部，管网容积缓冲开始发挥作用。直至18日5时，抽升量与栅前液位达到临界值。18日6时，抽升量虽继续提升，但栅前液位由4.09m迅速升至8.69m，管网容积缓冲容量全部释放。7月17日22时至18日5时，时均抽升量2.63万m³/h，较非降雨日该时段抽升量1.8万~2.0万m³/h，8h累计多抽升4.52万~6.62万m³。该数值可近似等同于QH2厂上游管网汛期容积缓冲容量。
2.4.2 雨季进水主要水质指标
受低液位抽升与管网缓冲容量降低的影响，前两日进水COD、TP波动明显。进水氨氮变化规律与旱季11月份相似，早间低水量时段浓度低，其他时段浓度较高（见图7）。7月17日1时至5时，进水COD、TP快速升高，呈现明显的初雨效应，COD、TP时均浓度分别为前一天均值的2.32、1.52倍。因此，初期雨水应作为合流制管网汛期调蓄与溢流污染控制的重点。监测后三日（7月18日8时至21日4时），在2.7万~3.8万m³/h大水量抽升的同时，栅前液位仍维持在＞7.5m的高位。雨水对进水水质的稀释作用凸显，污染物浓度维持在较低水平。以COD为例，后三日均值195mg/L，最低值仅为113 mg/L。
图7 雨季（7月）连续监测期间QH2进水水质变化情况
2.5 QH2进水污染物负荷与生物池需氧量
如图8a所示，三次连续取样监测过程中，受进水流量与污染物浓度变化的影响，生物池主要耗氧污染物指标COD与氨氮的24h时均容积负荷呈现波动。但日均值相对稳定，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容积负荷分别为15.81、14.96、15.12 g/（m³·h），氨氮容积负荷分别为1.43、1.22、1.38 g/（m³·h）。若以1mg氨氮转化成硝氮需要消耗4.57mgO2计算，即耗氧污染物总负荷=COD+4.57NH3-N。则汛前、主汛期、汛后，生物池单位容积需氧量分别为22.36、20.58、21.41 g/（m³·h），基本保持不变，差异系数仅为0.042。汛前、汛后虽然水量小，但是耗氧污染物负荷与需氧量均略高于汛期，与刘茜等的分析结果类似。参照《室外排水设计标准》（GB 50014-2021），曝气器氧利用率取30%，核算供气量为120万m³/d，则汛前、主汛期、汛后生物池气水比分别为3.3、2.2、2.7，年均气水比约为2.8。与此同时，不考虑受低液位抽升与降雨影响天数，每天早间时段，通常6:00至10:00，QH2厂进水污染物浓度与水量均处于低值。早间时段与其他时段，生物池耗氧污染物负荷分别为11.64、22.96 g/（m³·h），其他时段的需氧量约为早间时段的2倍（见图8b）。因此，每天应聚焦耗氧污染物负荷高、低两时段，通过鼓风机供气量的及时调节实现其低碳运行。
图8 进水耗氧污染物负荷与生物池需氧量
2.6 讨论
水厂执行低液位抽升期间，进水颗粒态COD的升高会增加需氧量，不能仅根据水量降低，减少供气量。秋末至早春低温期，居民高蛋白高热量食品的摄入量增加。例如，2018年至2020年，北京市生猪出栏量最多的时段均发生在第一季度或第四季度，大北农企业数据同样显示，2021年其第四季度月均生猪销量45.3万头，较前三季度高出38%。期间，大量的有机份随排水进入管网，其中的颗粒物沉积下来。而春季温度逐渐回升，管网微生物代谢作用增强，颗粒态有机物的厌氧转化效率提高。导致旱季4月份前后，水厂进水COD与氨氮负荷偏高，并会伴随管网水力条件的变化出现短时耗氧污染物冲击负荷，对水厂生物系统硝化段的调控产生影响。
此外汛期DO监测发现，由于降雨的混入以及管道湍流的加剧，进水DO较非降雨日，有不同程度的升高，这与WALSH等研究结果一致。而该情况可能会产生两方面的消极影响，Ⅰ管网厌氧环境受到冲击，加之沉积物减少，大分子有机物通过水解产酸过程向VFAs的转化效率降低，水厂生物池活性污泥可利用的优质碳源减少；Ⅱ直接对生物池前端预缺氧段的缺氧环境产生冲击，QH2厂汛期缺氧段ORP涨幅≥50 mV。受Ⅰ、Ⅱ共同作用，生物池预缺氧段聚磷菌与聚糖菌对碳源的竞争趋紧，并且汛期高水温对聚糖菌有利。QH2厂旱季生物除磷现象，在汛期消失，化学除磷系统面临较大压力，药量调控需更及时。
03 结 论
（1）QH2进水污染物负荷受上游排水户用水规律、中间管网运维状态、末端水厂抽升策略以及厂内回流的综合影响。其中居民用水规律相对稳定，而管网的生物缓冲、容积缓冲、稀释缓冲容量易受水厂低液位抽升与汛期大水量冲击的影响。
（2）旱季（汛前4月、汛后11月）与雨季（主汛期7月）非降雨日，QH2栅前液位与居民用水量均呈双峰分布，且峰值间隔时长接近，约为10h。每天早间为低水量时段，午间进水量提升后维持在高位。
（3）旱季水厂低液位抽升易对管网沉积物产生扰动，并导致进水颗粒态COD与TP组份的升高。雨季降水对污染物稀释作用凸显，且降雨初期污染物浓度明显升高。而由于来源与存在形式较为单一，进水氨氮浓度全年平稳。泥区回流液中82.33%的氨氮在Anammox系统中被去除。旱季低温时节居民饮食习惯的改变，会加剧有机份在管网内的沉积，并在春季，引发进水耗氧污染物负荷的升高。
（4）QH2厂全年进水耗氧污染物负荷保持稳定，汛前、主汛期、汛后，单位生物池容积需氧量分别为22.36、20.58、21.41 g/（m³·h），差异系数仅为0.042。而每天早间时段的进水耗氧污染物负荷与需氧量为其他时段的1/2。
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