系统化监测方法在污水处理提质增效中的应用_杨婷婷.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20211126第一作者:杨婷婷(1990)，女，硕士，中级工程师，主要研究方向为水污染控制与水环境模拟。yttqueen 163com*通信作者:李志一(1985)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为水环境模拟和排水运行管理。lzy04 tsinghuaorgcnDOI:10.13205/jhjgc202212032杨婷婷，李萌，李志一，等 系统化监测方法在污水处理提质增效中的应用 J 环境工程，2022，40(12):239243，223系统化监测方法在污水处理提质增效中的应用杨婷婷李萌李志一*高兴桦杨翔宇赵冬泉(北京清环智慧水务科技有限公司，北京 100086)摘要:基于在线监测与人工水质相结合的方法，通过大量背景数据的收集，制定了系统化的监测方案，实现了区域内各污染物负荷的定量化分析工作。结果表明:在提质增效的“挤外水”中，污水管道入渗地下水的去除可将污水厂水质浓度提高 36.01%;工企业污水的污染物负荷贡献率较低，部分企业需在预处理后继续排入污水处理厂;“收污水”中，对水厂浓度提高影响较大的是城乡接合部散排污水，全部纳管收集后，污水厂水质浓度将提高 30.30%。同时，雨水管网混流污水与过河管道漏失污水虽对污水厂水质浓度的提高影响较小，但也会带来水体污染的危害，仍需进行改造纳管。关键词:污水管网;雨水排口;污染物负荷;提质增效;过河管道APPLICATION OF SYSTEMATIC MONITOING SCHEME IN QUALITY ANDEFFICIENCY IMPOVING OF SEWAGE TEATMENTYANG Tingting，LI Meng，LI Zhiyi*，GAO Xinghua，YANG Xiangyu，ZHAO Dongquan(Beijing Tsinghua Smart Water Technology Co，Ltd，Beijing 100086，China)Abstract:Based on the combination of online monitoring and artificial water quality，this paper formulated a systematicmonitoring scheme through collecting background data，and realized the quantitative analysis of pollutants load in the regionThe results showed that in the“squeezing out water”working part of improving quality and efficiency strategy，the removal ofgroundwater infiltrated by sewage pipelines can increase the water quality concentration of sewage plants by 36.01%，playingan important role;the contribution rate of pollutant load of sewage from industrial enterprises was low，and some enterprisesneeded to continue to discharge into the sewage treatment plant after pretreatment;in the“sewage collection”working part，the scattered sewage in the urban-rural fringe areas had a great impact on the increase of water plantsinlet concentrationAfter all the sewage is collected in pipes，the pollutantsconcentration of the sewage plant inlet will increase by 30.30%Atthe same time，although the mixed flow sewage of rainwater pipe network and the leakage sewage of river crossing pipeline havelittle impact on the increase of the inlet pollutants concentration of sewage plant，the pipe still needs to be modified and evenreconstructedKeywords:sewage pipe network;rainwater outlet;pollutant load;quality and efficiency improvement;river-crossing pipeline0引言随着我国城市化进程的不断推进，城市污水处理提标改造成为城市建设关注的重点。2019 年 4 月，住房和城乡建设部、生态环境部和发展改革委联合印发的城镇污水提质增效三年行动方案(20192021)中提出“加快补齐城镇污水收集和处理设施短板，尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理”。一方面，我国的污水收集仍有提升空间。据住房和城乡建设部统计数据显示，2020 年我国排水管道总长度为 802700 km，较 2019 年增长 7.89%，污水处环境工程第 40 卷理厂处理率提高 0.72%，存在约 27.85 万 m3的未处理污水量。另一方面，我国各地污水厂普遍存在进厂水质浓度低的问题，最终导致污水厂处理工艺不能高效运行，污水厂中污染物去除总量低，污水系统处理率低1。因此，提高污水总量收集率和污水水质浓度，保证污水工艺系统的运行效能，是实现污水全覆盖、全收集、全处理，达到污水提质增效目标的重要一环2。导致污水水量增加及水质降低的原因很多，如化粪池的设置3、合流制排水系统的截流设置4 等。其中，污水管网的入流入渗是最重要的原因之一，国内外学者对此开展了广泛研究。Mitchell 等5 以OCSD(加利福尼亚州奥兰治县)45 个独立的污水分区为研究对象，提出 3 种污水管道外水量化方法，即WWP(污水产生法)、Min Factor(最小流量法)、S-S(史蒂文森舒茨巴赫法);国内，徐祖信等6 基于水质特征因子(总氮、硬度)对上海市中心城区某区域的地下水、生活污水、雨水管网末端排口及污水管网末端进行人工水质检测，同时结合区域内雨污水的水量数据收集，开展了雨污水管道的地下水入渗分析工作;杨婷婷等7 以南方某城市为研究区域，以 COD 为水质指标，通过对各污水分区末端节点的在线监测来获取 24 h 分钟级数据，采用水质水量的物料守恒方法对各分区地下水入渗量进行了计算。对于外水入渗量的计算，水量和水质监测都是重要的数据获取方法8-10，然而单纯的依靠水量数据进行外水入渗量的计算，仅适用于水量平衡性较好的封闭系统中，尤其是 Min Factor 法，对夜间最小流量的要求更为严格，在水量较为稳定的下游片区将不再适用。目前较为常用的是水质水量的联合分析方法，但在相关研究中忽略了过河管道、合流制倒灌排口、工厂生产废水等对污水厂的水质水量影响。基于上述原因，本文以湖北省某市中心城区为研究区域，通过水量在线监测和水质人工检测方法，综合计算各污水片区各污染物负荷(以 COD 计)来源，为污水厂提质增效改造提供数据依据。1研究背景1.1区域概况研究区域位于湖北省 Q 市中心城区，属亚热带季风性湿润气候，监测期为 2021 年 6 月 14 日7 月 4日，共 21 d，发生降雨场次 4 场，降雨总量 69.2 mm。区域总面积为 37.52 km2，排水设施为 7 座污水提升泵站和 1 座污水处理厂，排水体制为分流制，共划分污水系统分区 9 个，如图 1 所示。注:19 为排水分区编号图 1研究区域概况Figure 1Overview of the study area污水厂来水分为城南和城北 2 个片区，城北区以居民生活区为主，城南区主要为工业企业。污水厂设计处理规模为 5 万 m3/d，城北区占总进水量的 91%，进水管道为 DN1500 管道与 1400400 箱涵，设计出水水质为 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准 一级 A 排放标准。1.2背景数据为明确该区域污水总排放量，对 2020 年全年供水数据进行收集、统计，数据收集主要来源为城区光电表、普表及 IC 卡表，收集类型覆盖综合用水量和工业企业用水量。其中，综合用水户统计个数为 384户，工企业用水户 181 户，按照污水系统分区对水量进行统计，结果如表 1 所示。表 1片区用水统计Table 1Statistical table of water use in the aream3/d片区综合用水量工企业用水量总用水量1693.00287.91980.9123567.41755.324322.733594.672812.303406.9741698.364744.686443.0453842.86862.034704.8967501.446346.3813847.8272370.322013.104383.4182691.50781.233472.729198.193687.213885.40合计23157.7417832.1345447.902研究方法2.1监测点位布设为获取研究区域的雨水管网末端混流量与污水管网外水入渗量，需要对雨、污水管网均布设在线流042第 12 期杨婷婷，等:系统化监测方法在污水处理提质增效中的应用量监测设备。布设污水管网监测点位的基本原则为“末端过程源头”:1)在管网末端，为掌握研究区污水厂的实际进水量，需在污水厂的 3 路进水主干管(城南片区 1 路进水，城北片区 2 路进水)上分别布置 1 台在线流量监测设备，共计 3 个监测点位。2)在管网传输过程节点上，主要对污水分区的下游开展监测，在每个污水分区出口均需布设 1 台在线流量监测设备，同时由于污水管道之间的转输关系，部分出口监测点位与分区监测点位重合，因此分区监测共需布设 6 个监测点位。3)在管网源头，为掌握源头排水户污水排放规律，源头监测需覆盖居民小区与工企业排水户。对于居民小区，根据居民小区用水数据，选择用水量较大、居民入住率在 80%以上的 3 个居民小区11;对于工企业排水户，在研究区内主要的食品、纺织、医疗、实业行业选择用水量较大的 7 个排水户。4)此外，研究区域内存在多条市内河，穿河的污水管道容易发生水量漏损与入渗现象，因此，对研究区域内 4 条穿河管道的过河前后水量进行监测，共计8 个监测点位。在雨水管网布设监测点位主要针对雨水排口，研究区共有 35 个雨水排口，经现场踏勘与采用手持流量仪测量，对 10 个存在明显出流的雨水排口进行在线流量监测。综上，研究区域共布设流量监测点位 37 个，监测点位布设如图 2 所示。2.2外水水量计算1)用水排水理论计算。根据污水处理厂服务片区范围，对理论用水流量按照排水排放系数进行理论排水流量的计算，计算方法如式(1)所示。Qp=ni=1Qi P(1)式中:Qp为污水厂服务范围内总排水流量，m3/d;Qi为各污水系统分区理论用水流量，m3/d，i=1，2，9;P 为排水排放系数，由于该市给排水设施建设处于一般水平，排水量按照用水的 80%计12。2)物料守恒计算。污水管道如果存在外水入渗，则管道中同时存在生活污水与入渗外水，基于水质水量的物料守恒原图 2监测点位布设概况Figure 2Layout of the monitoring points则，对外水入渗水量计算如式(2)所示。Qk=Qt(Ct Cw)Ck Cw(2)式中:Qk为片区外水水量，m3/d;Qt为监测点旱天流量，m3/d;Ck为入渗外水浓度，mg/L;Ct为监测点位污水浓度，mg/L;Cw为生活污水本底浓度，mg/L。2.3生活污水污染物负荷计算生活污水的污染负荷主要存在于污水管网(Mw1)、混流排口(Mw2)及部分过河管道的漏失(Mw3)中。污水管网中的生活污水负荷直接输送至污水处理厂，计算方法如式(3)所示。Mw1=Mz(Mk+Mg)(3)式中:Mw1为污水管道中生活污水负荷，kg/d;Mz为污水处理厂总进水负荷，kg/d;Mk为管道入渗外水负荷，kg/d;Mg为工企业污染负荷，kg/d。3数据分析3.1外水水量及污染物负荷1)水量理论计算。根据式(1)对研究区外水水量进行理论计算:区域整体用水量为 45447.90 m3/d，污水排放量为36358.32 m3/d。监测数据显示，污水厂末端监测流量值为49426.13 m3/d，与理论计算值相比，研究区内存在 13067.81 m3/d 的外水入渗量。2)物料守恒计算。为准确计算市政管道入渗外水量，排除居民小区内部管道病害对计算值的干扰，物料守恒计算时本底142环境工程第 40 卷浓度选择居民小区市政接驳点浓度。本研究中，对3 个小区出户污水 COD 浓度进行监测，监测结果显示小区出户污水平均(COD)为 287.43 mg/L，可作为本研究的本底浓度 Cw。由于该地区水系发达，地下水水位较高，外水入渗以地下水为主，对区域内沉井进行取样，测得(COD)为 6.00 mg/L，以此作为入渗外水浓度 Ck。计算结果如表 2 所示。表 2污水系统片区外水计算结果Table 2Calculation results of the external water insewage system area片区面积/km2监测点流量/(m3/d)监测点浓度/(mg/L)外水量/(m3/d)15.1057694.35395.1721.228599129.004840.7730.57480283.037.5141.211627251.10210.0252.292413124.671224.8667.451787852.003238.5179.117105108.002576.1784.704121061.67494.2595.87111172.00806.74经物料守恒计算，该区域外水总量为 13794.01m3/d，研究区域外水污染负荷为 82.76 kg/d。3)结论验证。对比理论计算和物料守恒法的水量计算结果，理论计算的外水总量结果为 13067.81 m3/d，物料守恒法计算的外水总量为 13794.01 m3/d，两者仅相差5.26%，因此，监测结果较为可信，根据监测数据计算的水量和污染负荷结果可用于后续分析。3.2工企业污染物负荷研究区域工企业主要包括 4 个行业:食品、纺织、医疗、实业。为确保水质数据稳定，根据 24 h 流量在线监测数据，每日选取不少于 3 个大流量时段进行水质采样，并对污水的 BOD 水质指标进行检测，根据B/C(BOD 与 COD 的比值)验证工企业污水可生化性13，计算结果如表 3 所示。表 3不同行业工企业污染物负荷计算结果Table 3Calculation results of pollutant load ofdifferent industrial enterprises类型排水量/(m3/d)(COD)/(mg/L)B/C污染物负荷/(kg/d)食品3680.363520.491295.49纺织3543.81360.25127.58医疗4297.59480.26206.28实业2543.94300.4276.32在工企业排水中，污染物总负荷为 1705.66 kg/d。其中，食品行业与实业废水的 B/C0.3，可生化性较高，宜用于污水厂生物处理14。而纺织与医疗废水B/C 为 0.250.30，直接污水生化处理较困难，应设置单独处理单元，预处理达标后排入市政管网15。3.3生活污水污染物负荷本研究中，污水厂水质取样点位于进水前池，连续取样 3 d，每日采样 4 次，每次间隔 6 h。采样检测结果显示，污水厂进水水质(COD)为 85.88 mg/L。污水厂进水量采用在线监测结果，计算得到 Mz为 4244.72 kg/d。根据 3.1 节计算结果，Mk为 82.76kg/d、Mg为 1705.66 kg/d，根据式(3)进行计算得，Mw1为 2456.30 kg/d。在污水处理提质增效工作中，混流排口与过河管道漏失的生活污水均属于应收未收污染负荷，在提标改造后，有利于提高污水厂进水水质。以下对两者分别进行计算。1)混流排口。混流排口中污染负荷 Mw2可根据其水质水量数据直接获取，经计算为 659.40 kg/d，各排口计算结果如表 4 所示。表 4雨水排口污染物负荷计算Table 4Calculation results of pollutant load atrainwater outlet雨水排口排水量/(m3/d)(COD)/(mg/L)污染物负荷/(kg/d)PK1155187.7829.18PK263165.3210.37PK3323.890.08PK446896.2845.11PK526.200.01PK636.400.02PK723.630.01PK81611811.33182.61PK928822.676.53PK101983194.37385.482)过河管道漏失。在线监测数据显示，研究区内 4 条主要过河管道中，仅有 1 条存在水量不平衡现象，如图 3 所示。该管道前后水量差异为 1865.40 m3/d，根据式(2)计算，过河管道漏失水量中生活污水量为 359.13 m3/d，污染负荷 Mw3为 103.22 kg/d。3)生活污水总污染负荷。综上，生活污水污染负荷 Mw为 3218.93 kg/d，生活污水总量 Qw为 11199.00 m3/d，与理论计算值18526.19 m3/d 相比，仍存在 7327.18 m3/d 的未收集242第 12 期杨婷婷，等:系统化监测方法在污水处理提质增效中的应用图 3过河管前后瞬时流量Figure 3Instantaneous flow before and after river crossing量，主要为城乡接合部散排污水。4讨论污水提质增效的本质在于“挤外水”“收污水”，本文数据分析结果可对研究区内的污水提质增效工作提供以下支撑。1)若对整个城区管网进行修复，将入渗地下水全部“挤出”，污 水 厂 进 水 浓 度 将 提 高 36.01%，(COD)达到 116.80 mg/L。由于污水系统分区外水入渗量存在严重不均衡性，尤其污水系统第 2 分区，面积为整个区域的 3.25%，外水量却高达 35.09%，可优先进行管网修复工作，修复后污水厂进水浓度可提高 10.10%，(COD)达到 95.55 mg/L。2)工企业污染物负荷占污水厂进水总负荷的40.18%，纺织、医疗与实业的出水浓度较低，COD 贡献率仅为 9.66%，但其污水总量却高达 10385.34m3/d，若将其全部剥离，会严重影响污水厂的正常运行，可在预处理后继续排入污水厂。3)“收污水”旨在对外排生活污水进行纳管收集，研究区域可收集的外排污水主要有雨水排口混流污水、过河管漏失污水及城乡接合部散排污水。区域散排污水负荷高达 2106.05 kg/d，全部纳管收集后污水厂水质浓度将提高 30.30%，(COD)达到 111.90mg/L;对于雨水排口混流污水，可对末端 COD 浓度较高的 PK1、PK2 及 PK10 排口进行截污改造，在改善水体环境的同时将污水厂水质浓度提高 5.32%;过河管道漏失污水虽然会对区域水环境造成危害，但水量仅占污水厂总水量的 0.73%，因此，管网修复后，区域水环境能够得到一定改善，但其对污水厂末端水质浓度提高的效果较差。5结论污水处理提质增效工作是城市污水治理的重点。本文应用系统化监测方法，开展了数据收集、在线监测、人工水质检测等工作，获得大量排水数据，利用理论计算、水质水量物料守恒法进行计算，结论以下:1)应用系统化监测方法，实现了居民小区、工企业排水户、污水管网系统分区、过河管道及雨水排口的 24 h 连续流量监测;同时开展人工水质检测工作，保障数据分析的准确性。2)研究区 2020 年全年供水数据的统计结果显示，该区域总用水量为 45447.90 m3/d，理论排水量为 36358.32 m3/d，与 污 水 厂 末 端 监 测 流 量 值49426.13 m3/d 相比，外水入渗量为 13067.81 m3/d。3)经物料守恒计算，研究区域外水污染负荷为82.76 kg/d，外水总量为 13794.01 m3/d。外水总量与理论计算仅相差 5.26%，计算结果较为可信。4)对污染源的分析结果表明，以 COD 计，研究区内工企业排水总污染负荷为 1705.66 kg/d，生活污水污染负荷为 3218.93 kg/d。随着排水系统管理方法的发展，尤其是提质增效与管网诊断工作的深入，许多城市出现了修复混接管道后又出现污水厂进水浓度较低的“返潮”现象，这部分原因为城市排水管网的连接较为复杂，问题点排查不彻底，部分因为工程实施效果不佳，管网改造修复效果不达标。本文基于系统化的监测并辅以人工水质检测的闭环技术方法普遍适用于市政管网与小区内管网，一方面避免了因管网工况不佳而难以定量计算各污染物负荷的组成，另一方面保证了以真实数据揭示城市排水管道工程的实施有效性。该技术经济性较强，值得在排水管网提质增效工程中广泛应用。参考文献1徐祖信，王诗婧，尹海龙，等 污水管网中雨水混接来源的高效诊断方法 J 同济大学学报(自然科学版)，2017，45(3):80-862李激，王燕，罗国兵，等城镇污水处理厂一级 A 标准运行评估与再提标重难点分析 J环境工程，2020，38(7):1-123魏亮亮，李健菊，陈颜，等 公共建筑、化粪池设置及管道传输对城市生活污水水质参数的影响分析J 给水排水，2020，56(增刊 2):155-1664何俊超，李明明，刘睿，等 国内外合流制溢流污染管控体系研究 J 环境工程，2021，39(4):42-49(下转第 223 页)342第 12 期孟婷婷，等:城市绿地不同管理方式土壤重金属污染及生态风险评价特征及评价J资源环境与工程，2020，34(增刊 1):28-322窦韦强，安毅，秦莉，等农田土壤重金属垂直分布迁移特征及生态风险评价 J 环境工程，2021，39(2):166-1723于亚军，贺泽好三种复垦类型煤矸山土壤重金属有效态含量及其影响因素分析 J环境工程，2018，36(5):189-1924KUPK D，KANIA M，PIETZYKOWSKI M，et al Multiplefactors influence the accumulation of heavy metals(Cu，Pb，Ni，Zn)in forest soils in the 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