目前,我国南方地区城镇污水处理厂在运行管理中大都遇到了进水浓度偏低、与设计进水水质浓度相差较大的问题^[1~8]。截至2014年末,湖南省已运行的138座城镇污水处理厂进水水质浓度普遍未达到设计进水水质,其中90座进水COD<200 mg/L,25座进水B/C<0.3。城镇污水处理厂进水浓度偏低会导致生化系统的活性污泥难以正常生长,从而影响整个污水处理系统的正常运转^[1,7,9]。同时也将直接降低城镇污水处理厂的运行管理效能,导致能源浪费、污染物减排量减少、环境效益降低^[10]。本研究以南方某市江北片区市政污水管网为例,对市政污水管道水质进行了检测与分析。

　　 江北片区城区面积约90 km²,城镇人口约61.41万人,排水管道长度约558km。目前,江北片区境内的生活污水由3座污水处理厂处理。其中,江北污水处理厂纳污面积约54km²,处理能力为15万m³/d,出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级B标准,处理工艺为氧化沟二级生化处理工艺。该污水处理厂多年的运行数据显示其进水水质COD常年低于100mg/L,远低于设计水质180mg/L。

　　 江北污水处理厂纳污区域的市政污水管网系统主要分为A、B、C、D 4条主干管线(见图1)。其中A线为雨污合流制排水,沿线污水汇集至泵站a。B线为雨污分流的市政管网系统,沿线污水汇集至泵站b。A、B线的污水在C线汇集,C线为雨污分流的市政管网系统,C线的污水重力流进入江北污水处理厂。D线为雨污分流的市政管网系统,D线上泵站d汇集了截流式合流污水,泵站d的污水汇集至泵站e,再提升至污水处理厂。

　　 市政污水管道水质检测坚持以问题为导向、系统优化、逐步推进的基本原则,分步骤、分阶段展开。水质检测从江北片区典型居民小区的排污源头开始,沿着市政污水管网的排水走向进行水质取样和检测分析,逐步探索和寻找污水处理厂进水浓度偏低的原因。

　　 选取A、B、C、D 4条污水主干管线布置管网水质监测点(见图1),其中A线3个点,B线8个点,C线4个点,D线3个点,市政污水管网共18个采样点。现场走访调查发现B线市政管网沿线居住小区密集,小区建成年代(1990~2010年)分布广泛。在B线选择了7个居民小区(编号X1~X7)。其中,X1、X3、X7为雨污分流制小区排水,X2、X4、X5、X6为雨污合流制小区排水,每个小区各布置1个化粪池出水采样点,并在X6和X7小区庭院管网接入市政主干管前的检查井(小区出口)布置2个采样点。

　　 管网检查井采样点:A线A1~A3;B线B1~B8;C线C1~C4;D线D1~D3。

　　 居民小区采样点:X1~X7为化粪池采样点,在X6和X7处同时设置小区出口采样点。

　　 水质检测历时3个月,分别在晴天和雨天采集水样。采样需满足连续晴5天或降雨5天以上。每天采集3次水样,分别于早上(7:00~9:00)、中午(13:00~15:00)和晚上(19:00~21:00)3个时段进行。样品在24 h内分析,分析指标包括COD、BOD₅、NH₃-N、TN、TP、pH、SS等7个。各个时段分析的指标不完全相同,早上时段采集的水样分析COD、TN、TP,中午时段采集的水样进行7个指标分析,晚上时段采集的水样分析COD。检测分析方法采用《水和废水监测分析方法》(第4版)中规定的方法。

　　 本研究选取27个采样点,采集884个水样,共检测分析得到3 141个水质数据。其中居民小区化粪池水质数据308个,小区出口水质数据26个,市政污水管道水质数据2 807个。

　　 居民小区化粪池晴天和雨天的水质浓度如表1所示。表中各指标浓度为相应天气条件下的均值浓度。

　　 晴天7个化粪池出水水质存在明显差异。X4化粪池出水各项水质指标浓度均低(其中COD<100mg/L);X5化粪池出水COD较高(约158mg/L),但其他水质指标浓度较低;除X4、X5化粪池外,其他化粪池出水除SS外的各项指标浓度都较高,其中COD为300~442 mg/L,B/C在0.3~0.5,TN为46~70 mg/L,NH₃-N为28~59 mg/L,TP为4.7~6mg/L。

　　 雨天7个化粪池出水水质变化趋势同晴天。X4、X5化粪池出水水质指标浓度低,其他5个化粪池除SS外的各项指标浓度较高,其中COD为165~282mg/L,B/C在0.3~0.4,TN为27~61 mg/L,NH₃-N为12~54mg/L,TP为2~5mg/L。

　　 晴、雨天化粪池出水水质比较。图2表示了晴(雨)天条件下7个化粪池出水水质浓度平均值的变化情况。各化粪池出水水质浓度晴天高于雨天。其中,晴天COD、BOD₅、TN、NH₃-N和TP浓度分别比雨天高出约39%、45%、39%、40%和41%。SS指标晴、雨天变化不大,且浓度都很低(<22mg/L)。

　　 7个化粪池采样点中,X4和X5水质浓度低,一是因为该小区居民户数较少,二是小区化粪池建成年代较早(上世纪90年代)并已出现破损。除X4和X5外,其他小区化粪池出水水质浓度比较稳定,COD晴天时为300~442mg/L,雨天时为165~282mg/L。可见,除SS外,江北片区居民小区生活污水的浓度并不低,晴、雨天的水质变化表现出了明显关联性,雨天时雨水普遍进入小区化粪池,并同比降低污水水质浓度。

　　 居民小区化粪池出水水质因当地居民生活用水习惯和生活质量水平的影响而不同,对于合流制小区或雨污分流不彻底的分流制小区化粪池出水还受到降雨的影响。

　　 A线污水水质浓度沿线变化情况见图3。晴天时A线污水水质COD为58~73 mg/L,B/C约为0.1,TN为14~17mg/L,NH₃-N为7~11mg/L,TP约为2 mg/L,SS<28 mg/L;雨天时A线污水水质COD为48~60mg/L,比晴天时低约20%,B/C约为0.2,TN为14~16mg/L,NH₃-N为9~13mg/L,TP<1.5mg/L,SS<27mg/L。

　　 结果表明A线污水水质浓度沿线变化不大,各项水质浓度偏低。对比晴天、雨天的水质数据发现,A线污水中除COD晴天略高于雨天外,其他各项污水水质晴天和雨天差别较小,且污水水质在晴天、雨天的变化无明显关联性。

　　 如图3所示,晴天时,B线B2点污水COD约为140mg/L,约是B线其他点污水COD的2倍;B2点污水BOD₅、TN、NH₃-N、TP、SS为B线其他点的1.4~2倍。除B2点外,B线污水水质中COD为59~75 mg/L,B/C约为0.1,TN为16~20 mg/L,NH₃-N为11~18mg/L,TP为1.3~1.8mg/L,SS<18mg/L。

　　 雨天时,B线B2点污水COD约为156mg/L,约为其他点污水COD的2.7倍;B2点污水BOD₅、TN、NH₃-N、TP、SS为B线其他点的1.4~2倍。除B2点外,B线污水水质COD为51~62mg/L,比晴天低约为9%,B/C为0.2,TN为15~23mg/L,NH₃-N为14~21 mg/L,TP为1.3~1.7 mg/L,SS<36mg/L。

　　 结果表明除B2点污水浓度较高外,B线其他点污水水质浓度相近,且各项水质浓度偏低。现场走访调查发现,B2采样点附近有一大型建筑工地,居住的建筑工人人数较多且无化粪池,生活污水直接排入B2点检查井,导致B2点污水水质浓度高,除B2点外,B线晴、雨天污水水质浓度相近,污水水质变化无明显关联性。

　　 图3表明晴天时,C线污水水质中COD为64~73 mg/L,B/C约为0.1,TN为16~18 mg/L,NH₃-N为9~12mg/L,TP约为1.5mg/L,SS<30mg/L;雨天时,C线污水水质COD为53~63mg/L,比晴天低约为14%,B/C为0.1~0.2,TN为14~17mg/L,NH₃-N为11~14mg/L,TP为1.3~1.6mg/L,SS<20mg/L。

　　 C线污水水质浓度沿线变化小,且各项水质指标浓度偏低。晴天、雨天的污水水质对比发现除COD晴天略高于雨天外,C线其他污水水质浓度晴天和雨天差别较小,且污水水质在晴天、雨天的变化无明显关联性。

　　 由图3可知晴天时,D线污水水质中COD为58~78mg/L,B/C约为0.2,TN为21~24mg/L,NH₃-N为14~17 mg/L,TP约为2 mg/L,SS<31 mg/L;雨天时,D线污水水质COD为53~68mg/L,比晴天时低约为7%,B/C约为0.1,TN为14~18mg/L,NH₃-N为10~13mg/L,TP为1.5~1.7mg/L,SS<20mg/L。

　　 D线污水水质沿线变化小,各项水质指标浓度偏低。D线晴天和雨天各项污水水质浓度相近,晴、雨天变化无明显关联性。

　　 A、B、C、D 4条市政污水管线各项污水水质平均浓度见表2。晴天时,4条市政管线污水水质COD平均为64~77 mg/L,B/C为0.1~0.2,TN为15~22 mg/L,NH₃-N为9~15 mg/L,TP为1.5~2mg/L,SS为14~20mg/L。雨天时,4条线污水水质COD为52~70 mg/L,B/C为0.1~0.2,TN为14~19mg/L,NH₃-N为11~18mg/L,TP为1.5 mg/L,SS为15~27 mg/L。结果表明,4条线之间污水水质差异很小,且污水水质浓度偏低。

　　 X6和X7居民小区化粪池出水经小区庭院管网出口流入B线市政管网B7点,雨天居民小区至市政管网沿线污水水质浓度变化情况如图4所示。

　　 (1)X6小区化粪池→X6小区出口→B7沿线污水水质。X6化粪池出水雨天的COD约261mg/L,流至小区出口后,COD下降至185mg/L,相比化粪池出水下降约30%,再流入市政管道B7点后COD为51mg/L,相比小区出口下降约72%。X6小区出口的BOD₅、TN、NH₃-N和TP浓度与化粪池出水比较,分别下降约26%、34%、48%和31%;接入市政管道后,污水BOD₅、TN、NH₃-N和TP浓度分别又下降约88%、57%、45%和56%。居民小区至市政管网沿线SS浓度无明显变化。

　　 (2)X7小区化粪池→X7小区出口→B7沿线污水水质。X7小区出口雨天污水COD约为84mg/L,相比化粪池出水COD下降约48%,接入市政管网B7点后COD比小区出口又下降约39%。X7小区出口BOD₅、TN、NH₃-N和TP浓度相比化粪池出水分别下降约76%、42%、64%和61%,SS浓度亦无明显变化,接入市政管道后,BOD₅下降约53%,TN、NH₃-N和TP指标无明显变化。

　　 总体而言,除SS外,雨天时小区出口污水水质浓度比化粪池出水明显降低,污水由小区出口流入市政管道后,水质浓度继续降低。这说明雨天雨水进入小区排水管网和市政管网对污水水质影响很大。

　　 通过水质检测与分析,可知:①除SS外,江北片区大部分居民小区生活污水中的COD、BOD₅、TN、NH₃-N、TP等污染物浓度并不低,晴天浓度平均分别为302.3mg/L、98.9 mg/L、46.3 mg/L、34.3mg/L和4.1mg/L。雨天雨水进入小区的化粪池同比降低了污水水质浓度,晴天比雨天浓度分别高出约39%、45%、39%、40%和41%;②4条市政污水管网沿线污水水质变化小,晴天、雨天污水水质变化不明显。4条线污水水质平均浓度:COD<77mg/L,B/C为0.1~0.2,TN<22mg/L,NH₃-N<17mg/L,TP<2mg/L,SS<27mg/L;③居民小区化粪池→小区污水出口→市政管网沿线的污水COD、BOD₅、TN、NH₃-N和TP浓度依次明显降低。

　　 江北污水处理厂A、B、C、D 4条主干管线存在雨污分流不彻底、管网结构性缺陷、外来水渗入污水管网等原因综合导致污水处理厂进水浓度低。

　　 (1)排水系统雨污分流不彻底。现场走访调查发现,江北片区老旧居民小区普遍为合流制排水,新建的居民小区虽实行雨污分流制排水,但在化粪池前或后雨污管道混接:A线起端收集的是截流式合流污水,A1浓度低;B线上居民小区多为合流制排水,小区管道接入市政管道前后雨污管道混接;C线污水接自A线和B线,水质浓度低;D线起端收集的是截流式合流污水,D1浓度低。

　　 (2)市政污水管网结构性缺陷问题突出。通过调用4条市政污水管线近2年的CCTV影像资料,观察分析258个视频样本发现:4条市政污水管线全部使用平口混凝土管;出现管道破损的样本占84%、管道接口错位的样本占78%,管道堵塞的样本占34%,管道干涸的样本占15%,外来水渗入管道的样本占10%,管道混接的样本占6%,管道坍塌的样本占2%。管道破损、接口错位等结构性缺陷问题导致江北片区市政管网内外连通,管网内污水容易外流。

　　 (3)外来水渗入污水管网。江北片区地貌属湖泊冲积平原,地下土层分布稳定;地下水位分布差异不大,近3~5年高水位为30m,主要河流水位高程一般为28~30m,与地下水位接近。地下水、河水及漏损的自来水等能直接渗入破损和接口错位的4条市政污水管网中,从而导致管网内污水水质浓度降低。