给水排水 |实测数据：不同时段城市生活污水水质参数分析

城市排水工程由污水收集系统（排水管道）和污水处理系统等组成；污水的成功收集、高效处置是解决城市水环境污染和水生态恶化等问题的重要举措之一。城市生活污水从产生、排放，到最终进入污水处理厂这一漫长的输送过程中，污染物会发生复杂的物理、生化反应；此外，污水水质还与当地合流制管道系统占比、降雨、面源污染、居民生活习惯等因素息息相关，进而在一定程度上影响最终进入污水处理厂污染物的浓度及形态。

罗惠云等人研究指出降雨会使居民小区化粪池出水生化需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）平均浓度降低39%以上。郝晓宇等、金鹏康等研究发现污水在管网传输的过程中，物理沉积作用和微生物降解作用会造成总化学需氧量（TCOD）、硝酸盐氮（NO-3-N）、NH3-N浓度变化，高分子量（蛋白质等）和部分中等分子量（腐殖质）的有机物会向不饱和性有机物质转化。张涛等通过动力学模型的方法定量分析了管道内污水水质变化规律，指出无论在好氧或厌氧条件下，都会发生有机物质的生物转化，且厌氧条件下生物转化速率比好氧条件下低。上述研究虽然对污水收集过程中污水水质变化的规律以及影响因素做出了相关报道，但只是针对单个城市污水水质变化的研究，且缺乏对污水从上游至下游收集过程中的系统分析及对比分析。而此方面的研究对了解不同区域污水水质时空变化，对如何优化污水系统，如何做好设计参数选择具有重要意义。

本研究选择青岛、北京、常州3个典型城市为研究对象，现场采集分析了不同城市生活污水在排出、收集、输送至污水处理厂相关样品水质参数，通过进一步对比分析揭示污水水质参数的变化规律；在此基础上进一步探究不同区域水质差异性的影响因素，如化粪池设置、公共建筑存在、管道传输过程等；相关研究成果可为污水管网设计参数的进一步优化提供技术支撑和理论依据。

1.1 数据采集

此次试验选取常州、青岛和北京3个城市作为研究对象，城市信息见表1。不同城市选定的研究对象包括小区、公共建筑、化粪池、管道等信息如表1所示。

表1 北京、青岛和常州城市信息

（1）常州。选择清潭区体育花苑小区（居住人数3 000人）和怀德苑小区（居住人数4 600人）总出水管、永红街道和清潭中学两个公共建筑总出水管和1条重力管道进行测试观察。

（2）青岛。选择市南区金茂湾和晓港名城两个小区（常驻人口均约为4 500人）总出水管、发达商厦和中国海洋大学两个公共建筑总出水管和1条重力管道进行测试观察。

（3）北京。选择朝阳区融华世家（居住人数900人）和欧陆经典小区（居住人数4 200人）总出水管、远大中心和名人大厦2个公共建筑总出水管进行测试观察，并在上述小区内共选择2个化粪池的进水和出水点作为测试点；此外选取在北京地区无流量汇入的一条一条无流量汇入的重力管道进行水质参数变化测定。

上述3个城市不同小区、公共建筑管道排口、化粪池进出水口及管道不同段取样时间及其间隔信息见表2，管道的基本情况见表3。

表2 3个城市水样取样点时间及频次

表3 3个城市所研究管道基本特征

注：调研小区、公建总出水管管径均为300 mm

具体测试点如图1所示。

图1 调研城市小区、公建（化粪池）、管道位置示意

1.2 研究生活污水汇入污水处理厂信息管道下游污水处理厂水质信息

选择管道下游的常州市清潭污水处理厂（规模1.5万m³）、青岛市团岛污水处理厂（10万m³）、北京市10号污水处理厂（10万m³）进行检查，常州数据为2017年11月、2018年1-8月数据，青岛为2017年3-5月、10-11月，2018年7-8月数据，而北京数据为2017年1-12月数据。

1.3 水样采集及水质化学测定方法

水样采集方法：按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002）要求进行采样，按照《水质采样 样品的保存和管理技术规定》（HJ 493-2009）对样品进行保存、运输并在规定时间内完成分析。测定的水质参数主要包括SS、COD、BOD5、NH3-N、TN和TP，均采用国标法进行测定。

2.1 北京、青岛、常州污水处理厂进水水质差别分析

北京、青岛和常州在我国地理位置上差异较大，城市规模、生活用水习惯也有所区别，因此导致城市污水处理厂进水水质有所差别，不同月份3个城市的水质情况如表4所示。

表4 北京、青岛、常州研究区域下游污水处理厂进水水质

通过典型月份分析北京、青岛、常州3个城市污水处理厂水质参数，发现其差异明显，如青岛团岛污水处理厂COD在3个季节均最高，且在春季达到最大平均值，为832.5 mg/L，常州清潭污水处理厂COD 3个季节均最低，同样在春季达到最大值，为1762 mg/L；在不同季节，3个城市COD也表现出一致的规律，在春季COD污染物浓度最大，夏季COD偏低；BOD5、SS、NH3-N、TN也呈现相同的规律。相反，TP浓度在春冬季节较高，夏季浓度较低，三地全年月均水质情况如图2所示。

图2 北京、青岛、常州研究区域下游污水处理厂全年水质状况

北京、青岛及常州3座城市COD浓度年均值分别为528.4 mg/L、732.4 mg/L和158.5 mg/L，北京和青岛显著高于常州，其中北京COD变化幅度最大，于6月份出现最高值（825.8 mg/L），而常州水质最稳定；BOD5浓度年均值3个城市依次为275.6 mg/L、301.9 mg/L和81.2 mg/L，北京和青岛浓度接近，远大于常州；总体来看，SS、TN、TP和NH3-N浓度均为青岛最高，常州最低，冬季污染物浓度均值大于夏季；综上，3个城市污水处理厂进水水质青岛污染物浓度最高，北京次之，常州最低，在季节分布上，存在着春冬浓度大于夏季的现象。

2.2 不同区域城市污水处理厂水质的影响因素

本文对我国不同地区典型污水处理厂进水水质进行了文献调研，对相关的水质参数进行了整理，具体见表5。

表5 我国不同地区典型城市污水处理厂进水水质月均值

从表5中可以看出我国南北方污水污染物指标浓度，除昆明市合流制排水地区BOD5、COD和TP浓度偏高外，其他南方城市BOD5、COD、SS、NH3-N、TN、TP等指标的月平均值范围分别为71.9~170.6 mg/L、58~346.8 mg/L、120~390、7.5 mg/L ~35.7 mg/L、20.4~45.2 mg/L、1.46~4.7 mg/L，普遍低于北方（对应的数据分别为95~292.59 mg/L、285~558 mg/L、130~312 mg/L、15~65.3 mg/L、20~89.0 mg/L、3~10.0 mg/L）。总体上，南方降水量大，用水量也较大，这将会导致南方城市水量较北方城市偏大，相应的污染物浓度偏低。

韦启信等研究发现，城市污水处理厂SS/BOD5受管网体制的影响比较大，在分流制主导的城市污水中，SS/BOD的范围为0.7～1.0；而合流制主导的城市污水为1.2～2.0。孙迎雪等对昆明市不同排水体积的污水进行了统计和分析，发现截流式合流制的地区污水污染物浓度明显高于分流制，但张建军等在珠海市的统计却发现分流制下各污水处理厂进水污染物浓度均比相应截流式合流制高。朱铁才等对珠三角地区的研究也表明，市区污水处理厂进水污染物浓度总体高于县城和镇区污水处理厂；研究表明，排水体制不完善、居民用水习惯、旱厕的使用、合流的雨污管网及管网的降解作用将使得污染物浓度显著降低。

雨水和工业废水的进入对污水处理厂进水水质的影响是很显著的。降雨会将地面上的无机悬浮物和难降解有机携带进入污水管道，导致污水的BOD5/COD数值下降，SS/COD数值升高。王盟等通过相关系数法研究得出，当污水处理厂处理水量变化幅度较大时进水COD浓度与处理水量显著相关，与降雨密切相关。降雨对不同地区的影响呈现两面性，一些地区污水处理厂进水水质受降雨的影响表现为：枯水期污染物浓度高于丰水期，雨水对污水中的污染物起到了稀释的作用。但在另一些地区表现为：除了NH3-N外，其他污染物的雨季进水质量负荷明显高于旱季，以TP、SS和COD最为明显，这主要是由初雨汇入和管底沉积物冲刷导致。吕博等的研究表明，青岛工业区污水水质波动较大，季节性生产企业的污水排放会对水质产生很大的冲击。无锡市在采取了“6699”行动之后，城市污水中的工业废水占比减少，各项污染指标在五年间呈下降趋势。

另外，化粪池的设置及公共建筑的分布对污水水质也会产生明显影响。当前我国公建数量大约为5亿，其水耗是住宅小区水耗的10~20倍。公建中，行政办公楼、酒店、文化娱乐设施、交通建筑、园林景观建筑等公建的冲厕水含有较高的COD和NH3-N浓度；来自饭店、餐饮中心和商场的餐饮废水具有高浓度的有机物和动植物油，COD远远高于普通生活污水，这会让城市污水水质受到一定的冲击。化粪池具有较长的污水停留时间，可以让悬浮物充分沉降，对污水有较好的净化作用，这也是其影响城市污水水质的主要原因之一。但我国大部分城市没有统一的化粪池管理机构，很多地区管理维护较差，导致化粪池无法发挥很好的净水作用。

2.3 化粪池、公共建筑等存在对生活污水水质的影响及分析

2.3.1 化粪池设置的影响

本次研究所选择的区域仅有北京市融华世家和欧陆经典小区设置有化粪池，对其处理前后的水质进行了监测，水质参数变化如图3所示。

图3 北京市调研小区生活污水流经化粪池前后水质参数变化

如图3a和图3b所示，生活污水流经化粪池后COD和BOD5平均浓度显著降低，进水COD和BOD5平均浓度分别为1 103.8 mg/L和524.8 mg/L，而对应出水分别为361.6 mg/L和169.8 mg/L（去除率67.24%和67.64%）。生活污水中颗粒物对COD和BOD5的贡献率在60%以上，因而化粪池的重力沉降和厌氧消化作用可以有效去除污水中的有机污染物。王红燕等对西北地区兰州市居民区化粪池进行调查和分析，表明生活污水经化粪池处理后，COD和BOD5浓度去除率分别达到83.6%和51.1%，与本研究结果一致；朱信成等通过研究确定了未设置化粪池是包头市污水处理厂进水 COD 浓度偏高的重要影响因素之一。从图3c中可以看出，生活污水流经化粪池前后SS平均浓度分别为204.4 mg/L和160.9 mg/L，化粪池对SS的去除率为21.25%。丁慧等对哈尔滨市幸福家园化粪池的进出水质情况进行了研究，结果表明污水流经化粪池其SS去除率达到了59.3%，可见化粪池的重力沉降作用能够有效截留颗粒物。

从图3d和图3e可知污水流经化粪池前后NH3-N平均浓度分别为37.6 mg/L和53.7 mg/L，增幅度达42.75%；但TN变化不明显，进出水平均浓度分别为77.7 mg/L和80.0 mg/L。化粪池中沉降颗粒物含有大量有机氮，在无氧或缺氧条件下，通过还原脱氨、水解脱氨及脱水脱氨等过程将有机氮转化为氨氮，是氨氮升高的主因，其对后续硝化和反硝化有利。生活污水流经化粪池前后TP平均浓度如图3f所示，分别为7.9 mg/L和7.7 mg/L，总磷去除率为2.33%，化粪池对总磷并无显著削减。化粪池对SS、NH3-N、TN、TP的浓度增加或削减情况随月份变化不大，而COD和BOD5的去除率在2月最高，2月COD、BOD5去除率分别为79.40%和75.02%，明显高于3月和4月（4月分别为53.86%和56.39%）。王红艳等探究了不同季节化粪池各污染物去除率变化情况，结果表明BOD5春夏两季去除率为35%左右，秋冬两季平均高达65%左右。理论上，气温升高后化粪池微生物活性升高，有机物的厌氧水解会增加COD和BOD5。

2.3.2 公民建存在的影响

常州市小区及公建污水水质变化如图4和图5所示，由图中可以看出，夏季污染物浓度数值显著低于冬季，以小区总排口为例，其冬季SS、COD、BOD5、NH3-N、TN和TP的平均浓度分别为340.7 mg/L、855.1 mg/L、322.2 mg/L、72. 3 mg/L、94.5 mg/L和9.6 mg/L；夏季相应数值分别为103.0 mg/L、551.0 mg/L、241.0 mg/L、65.5 mg/L、95.4 mg/L和8.3 mg/L。常州的夏季是典型的雨季，降雨主要集中在6月7月份，考虑夏季以淋浴会产生大量污水，导致污水的污染物数值出现了较大幅度的下降。

图4 常州市小区生活污水水质参数

图5 常州市公建污水水质参数

此外，公建收集到的污水各污染物浓度要明显低于小区，以COD为例，小区总排口收集污水的COD为681.3 mg/L，而公建收集到的污水的对应数值仅有213.7 mg/L，仅为小区COD的31.37%。由此可见，来源的不同会影响污水水质。此外，从图5还可以看出夜间污染物排放浓度要低于白天，公建污水的数据规律体现得更为明显。仍是以COD为例，夜晚取样段常州小区的总排口污染物浓度平均数值为653.2 mg/L，日间时段的监测平均浓度为709.3 mg/L，高于夜晚8个百分点比夜晚COD高8%；而对于公建而言，其日间时段污染物浓度平均数值为221.6 mg/L，是夜间污染物COD平均值191.8 mg/L的1.2倍。表6显示了北京和青岛小区及公建收集污水水质在两个不同时段的变化情况，从表中数值可以看出，日间和夜晚时段污染物浓度差值较大，数据规律基本和上述一致。

表6 北京和青岛小区及公建收集污水水质比较

2.3.3 管道输送的影响

2018年4—10月，选取常州市一条重力管道进行研究。污水平均流速为0.5 m/s，坡度1.5‰，均匀设置5个监测点，水质监测数据结果如下表所示。

重力管道监测水质波动范围如表7所示。

表7常州市污管道水质监测数据

注：①括号内数据为所有监测点变化区间

由表7可以看出，在水质监测期间，5月份的6个水质监测指标浓度均高于其他月份；监测期内COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS的浓度的均值为：177.7 mg/L、51.7 mg/L、23.7 mg/L、31.1 mg/L、2.6 mg/L、84.5 mg/L。对监测数据整理后形成常州市管网水质延程变化（图6）。

图6 常州市研究区域污水管道水质参数延程变化

由图6a可看出，7—10月此段管段上游进水（监测点1）COD介于107.4～212.9 mg/L，经过约1 000 m 管道的输送后，管道中段（监测点3）COD 含量降至94.4～188.6 mg/L，7—10月COD去除率分别为12.11%、11.39%、12.16%、1.3%；这主要是由于在管网内微生物的作用下，污水中部分可生物降解污染物会得到一定去除。Green等采用SBR生物反应器模拟一条37 km长的重力污水主干管研究管道中COD浓度变化，结果表明COD去除率达到79%～80.8%；但本文研究的重力管道长度有限，因此COD的去除率较小。但5—6月监测点3相比监测点2，COD均值出现31.5 mg/L和5 mg/L的小幅升高，6个月份监测点4 COD含量均值相比监测点3有较大幅度的升高，分别增加了9.30%、4.80%、34.2%、8.48%、13.50%、8.79%，因此推断此处有外源污水汇入。

2018年7—8月期间青岛市一条管长1 km的重力管道的研究结果与上述结果较一致（见图7）。7月和8月监测管道进水COD 均值分别为466.8 mg/L和794.1 mg/L，经过约1 000 m 管网的输送后，COD 降为454.3 mg/L和724.1 mg/L，去除率为2.67%和8.82%，与常州COD浓度下降的程度接近。监测点4 COD浓度明显升高，经调查在监测点4附近有支管接入。

图7 青岛市研究区域污水管道化学需氧量延程变化

与COD相似，7—9月常州市此监测管段进水（监测点1）BOD5浓度均值介于16.2～139.1 mg/L（见图6b），经输送后管道中（监测点3）BOD5降至13.1～59.8 mg/L，去除率分别为18.98%、66.79%、26.29%，高于COD平均去除率；Raunkjaer以一段5 km长的重力流污水管道为例，发现城市生活污水在污水管道输送后BOD去除率达 30%～40%。图6b中5个月份的数据都显示监测点3（或4）开始BOD5含量均值相比监测点2（或3）有较大幅度的升高（分别增加36.60%、16.54%、54.29%、29.47%、7.04%），表明新鲜污水的汇入会增加BOD5含量。

由图6c可看出，5月、6月、7月、9月份管道进水（监测点1）NH3-N浓度均值为16.4～39.6 mg/L，经1 000 m 管道输送后去除率分别为13.06%、1.28%、1.24%、4.75%，低于COD及BOD5去除率。焦丁通过城市污水管网模拟试验探究污水中NH3-N在管网中的延程变化，结果表明污水经过150 m、300 m、450 m、600 m、750 m、900 m、1 050 m、1 200 m的流动后，NH3-N平均降低率分别为4.05%、6.29%、6.64%、7.80%、9.32%、10.90%、11.31%、11.44%。总体上，管道中COD和NH3-N含量变化具有高度的一致性（8月和10月除外）。由图6d可看出，污水管道中TN含量变化幅度较小，去除率在0.19%～7.17%。任武昂通对城市污水管网的监测结果表明，污水在管网中每流动1 000 m，TN的平均降幅为3.46%。上述的研究结果表明，污水管网在削减氮污染物方面有较大潜能。

由图6e可看出，污水管道中TP的变化无明显规律，这与金鹏康模拟城市污水管道的监测结果是一致的。由图6f可看出，污水管道中SS的变化与COD的变化规律也具有较高的一致性（10月份除外）。在进水中SS平均含量为57.63～146.63 mg/L，经过约1 000 m的管道之后平均去除率介于10.38%～20.76%。郝晓宇通过城市污水管网模拟试验发现SS在管道中的去除率为9.2%，上述研究结果表明SS在管道中通过沉积得到了一定去除。

2.3.4 化粪池设置、公民建存在及管道输送对水质影响的总体比较

总体而言，化粪池的设置对COD和BOD5的削减明显，高达67.24%和67.64%；1 000 m的管道输送对COD和BOD5浓度的削减率平均值为9.24%和37.35%，由于此次采样的管道长度在2 000 m以内，污水在此段管道内的水力停留时间较短，这也是污染物削减率相对较低的原因。虽然化粪池对TN浓度影响不大，但NH3-N经过化粪池之后其含量增加了42.75%，值得工程研究者注意，应进行源头控制；1 000 m管道输送对NH3-N有一定的削减作用，削减率平均值为5.08%（TN为3.46%）。化粪池的沉降使得SS削减率达到了21.25%，而SS在1 000 m管道输送后削减率为10.38%～20.76%。TP在化粪池中变化不大，而管道输送中TP浓度变化却没有明显规律。

(1) 北京、青岛、常州3个典型城市污水处理厂的进水水质因居民生活习惯、降雨因素、化粪池设置、公共建筑布设、排水管网输送长度等不同有较大差异。总体上青岛城市污水处理厂污染物浓度最高、北京次之、常州最低，三地COD平均值依次为528.4 mg/L、732.4 mg/L和158.5 mg/L，春季进水浓度大于夏季，且南方城市水质波动较小。

(2) 通过分析6个北方城市和9个南方城市的污水处理厂进水水质发现：南方城市污水处理厂进水中污染物含量普遍低于北方；合流制排水体制带来的雨水对于污水处理厂进水水质的影响十分显著。

(3) 3个典型城市长期沿程水质监测数据表明：化粪池对生活污水中SS、COD、BOD5的去除有显著影响，其去除率分别达到了21.25%、67.24%和67.64%，冬季去除率明显较高，NH3-N浓度经化粪池后浓度增加了42.75%，需要重点关注。公建对污水处理厂进水水质的影响主要体现在其日夜水质的巨大差异，其日间时段污染物浓度是夜间污染物COD的1.16倍。此外，通过物理沉降、微生物分解等，城市管网中污水的污染物浓度也有不同程度的削减，经过约1 000 m的管道输送，COD、BOD5、NH3-N、SS平均去除率分别为9.24%和37.35%、5.08%、17.00%。

微信对原文有修改。原文标题：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；作者：魏亮亮、李健菊、陈颜、薛重华、于航、任益民、夏鑫慧、朱丰仪、杨海洲；作者单位：哈尔滨工业大学环境学院、住房和城乡建设部科技发展促进中心。刊登在《给水排水》2020年哈工大校庆专刊。