随着人口的急剧增长, 工业化和城市化的进程不断加快, 工业废水和生活污水的排放量急剧增加, 由此所造成的水环境污染问题己严重影响了生态文明建设, 危害公众的身体健康和社会的可持续发展。针对严峻的水环境问题, 国内外大量经验表明, 建设城市污水处理厂能从源头有效地控制水污染, 显著改善水环境状况。截至2016年9月底, 全国累计建成污水处理厂3 976座, 污水处理能力达1.7亿m³/d^[1]。然而污水处理系统的能耗较大、运行费用偏高, 因此, 选择合适的污水处理工艺, 提高城市污水处理工程的运行效果显得尤为重要。

　　 现阶段污水处理的建设及后续提标改造工程往往都忽略进水水质构成及其变化, 导致后期工艺运行调整难、运行能耗高, 影响出水稳定达标。因此, 对城市污水处理厂进水特征进行系统分析, 有利于选择合理的工艺、优化设计, 具有非常重要的现实意义^[2~5]。

　　 选取全国19个省市自治区127座污水处理厂为研究对象, 其中山东19座, 广东15座, 湖南8座, 湖北1座, 河南4座, 辽宁9座, 陕西3座, 北京2座, 海南2座, 河北6座, 甘肃1座, 四川9座, 黑龙江2座, 云南13座, 浙江4座, 江苏23座, 福建1座, 广西2座, 贵州3座。

　　 采用2016年全年实际进厂原水水质数据 (每日) 为分析基础, 选取化学需氧量 (COD) 、生化需氧量 (BOD₅) 、氨氮 (NH₃-N) 、悬浮物 (SS) 、总氮 (TN) 、总磷 (TP) 等6项水质指标, 分别计算各项指标的年平均值, 主要分析了进水重要污染物的变化规律, 各指标间的相关关系。

　　 本研究共涉及127座污水处理厂, 平均进水COD 219.97mg/L, BOD₅81.64mg/L, SS 148.54mg/L, TN为30.36mg/L, NH₃-N为22.83mg/L, TP 3.7mg/L, 出水浓度均低于一级A标准, 其中SS去除率最高, TN去除率最低, 仅为59.92%。BOD₅/COD平均值为0.36, BOD₅/TN平均值为2.66, 详见表1。

　　 分析图1可以发现进水COD波动范围在21.40~896.64mg/L, 50%的污水处理厂进水COD<195mg/L, 80%的污水处理厂进水COD<282 mg/L。进水BOD₅波动范围在6.1~273.98mg/L, 50%的污水处理厂进水BOD₅<72.1mg/L, 80%的污水处理厂BOD₅<105 mg/L。进水SS范围在13.8~748.9mg/L, 50%的污水处理厂进水SS<123.5 mg/L, 80%的污水处理厂进水SS<210.82mg/L, 进水TN在5.3~119.45mg/L, 其中50%的污水处理厂进水TN<29.7 mg/L, 80%的污水处理厂进水TN<36.36mg/L。样本污水处理厂进水NH₃-N范围为2.6~168mg/L, 其中50%的污水处理厂进水NH₃-N<20.5mg/L, 80%的污水厂进水NH₃-N小于27.63 mg/L。而进水TP范围0.32~36.52mg/L, 50%的污水处理厂进水TP<2.7 mg/L, 80%污水处理厂进水TP<3.3mg/L。

　　 以上数据表明, 污水处理厂进水COD、BOD₅浓度普遍偏低, 雨污分流不彻底造成污水处理效能下降, 单位COD削减能耗大大提高。

　　 在城市污水中BOD₅/COD体现了可生物降解的有机物占总有机物量的比值, 常用来评价污水可生化性。当BOD₅/COD<0.1时不适于生物处理;当0.2<BOD₅/COD<0.4时, 表明废水中存在难生物降解性污染物。当0.4<BOD₅/COD<0.6时, 适于生物处理^[6]。进水营养物质比例关系见图2。分析图2a可以发现样本污水处理厂BOD₅/COD波动范围在0.04~0.63, 平均值为0.36, 其中仅2%的污水处理厂BOD₅/COD<0.1, 42%的污水处理厂BOD₅/COD>0.4, 结果表明样本污水处理厂几乎都适合生物处理, 其中一半的污水处理厂易于生物降解。

　　 分析图2b可得仅有22%的污水处理厂SS/BOD₅<1.2, 有60%的城镇污水SS/BOD₅甚至超过了1.5, 比正常值 (1.1~1.2) 偏高^[7]。SS/BOD₅增加, 反硝化速率降低, 导致在缺氧段碳源利用不充分, 碳源在好氧段的消耗比例增加, 碳源未被高效利用, 反硝化能力不足, 总氮去除效果变差。进水SS/BOD₅偏高是实现总氮提标的巨大障碍。

　　 污水处理生物除磷系统一般需要一定的基质来获得能量, 一般BOD₅/TP>20可满足要求。由图2可知, BOD₅/TP的平均值和中间值分别为27.23和25.27, 66%的污水处理厂BOD₅/TP>20, 均可以满足生物除磷的需求。

　　 碳源是影响生物反硝化速率和过程的重要因素, 污水进入缺氧段时必须有充足的有机物才能保证反硝化的顺利进行。在生物脱氮过程中主要需要3部分碳源, 硝酸盐作为最终电子受体转化为氮气, 消耗2.86gBOD₅, 微生物增殖和好氧段有氧呼吸消耗一定量的碳源, 须BOD₅/TN>2.86才能实现硝酸盐完全反硝化。一般认为, 当污水的BOD₅/TN>4时^[8,9], 可认为碳源充足, 最好>5, 总氮去除效果较好。分析图2d, 大部分污水处理厂BOD₅/TN<2.59, 80%的污水处理厂BOD₅/TN<3.6, 仅有10%的污水处理厂>4, 数据表明大部分污水处理厂大多数情况下反硝化碳源不足, 需要额外添加碳源, 从而增加了污水处理厂运营成本。

　　 本研究针对污水处理厂2016年全年平均进水水质指标COD、BOD₅、SS、TN、NH₃-N和TP, 采用最小二乘法对数据进行回归分析, 建立相应回归方程, 得到各污染指标之间的相关关系。各指标间的回归方程及相关系数 (R²) 如图3和表2所示。进水污染物指标的相关性分析结果可以为污水处理厂的优化运行提供数据支持^[10,11]。

　　 BOD₅与COD之间的线性拟合较好, R²为0.757 3, 与SS、TN、NH₃-N和TP之间线性拟合程度偏低, 仅为0.23、0.018、0.25和0.37, 与TN几乎不存在线性关系。COD与TP的线性关系较好, R²为0.56, 与SS、NH₃-N的线性拟合相关性 (R²) 为0.329 4和0.258 8, 与TN的线性相关性系数仅为0.003 5, 线性关系不明显。TN与NH₃-N、TP的线性拟合度为0.365 9和0.529 3, 优于与COD、BOD₅的线性关系。

　　 (1) 各进水水质指标间存在一定的线性关系, 其中COD与BOD₅相关性显著, 相关系数R²为0.757 3。COD与TP的线性关系较好, R²为0.56;TN与NH₃-N、TP的线性拟合度为0.365 9和0.529 3。

　　 (2) BOD₅/COD, BOD₅/TN, BOD₅/TP, SS/BOD₅比值分析表明98%的样本污水处理厂都适用于生化处理, 有机物满足生物除磷需求, 但是, 进水水质污染负荷较低, 大多数情况下反硝化碳源不足。