随着经济社会的快速发展与城镇化的不断推进, 我国各级城镇的水资源供需矛盾日益凸显, 目前已成为制约社会与经济发展的重要因素。因此大力开发利用非常规水源就显得非常重要。城镇污水是一种潜在水资源, 如能得到有效处理, 可变废为宝成为稳定可靠的非常规水源, 从而有效缓解水资源供需矛盾^[1]。

　　 污水水质特征作为城镇污水的基本参数, 对污水处理及再生回用具有重要的意义。由于受地域气候、工商业发展水平及居民生活习惯等因素的影响, 不同城市之间的污水水质特征有很大的区别^[2,3], 进而可能直接影响到污水处理设施的规模工艺、投资运行费用及再生回用的可行性。

　　 因此, 已有研究关注各地区的污水水质特征, 希望通过准确掌握污染物负荷及变化规律, 合理确定污水处理与再生回用的设施与设备, 在保障处理效果的前提下降低费用。然而目前此类研究主要关注地区间的污水水质特征的差异, 如同一地区污水水质特征的分析或不同地区间污水水质特征的区别^[4,5]。对同一地区中不同的规划或历史因素造成的差异, 如生活区与工业区的污水水质特征的差异关注较少。

　　 本文分别选取了青岛市典型居民生活区污水处理厂与工业区的污水处理厂, 系统分析了其污水水质特征的区别及变化规律, 以期为新建或改扩建污水处理厂提供科学依据, 并为今后针对居民生活区及工业区的污水处理及再生回用提供参考。

　　 本文选取的污水处理厂位于山东省青岛市。青岛地处胶东半岛, 濒临黄海, 是我国重要的海滨旅游城市。本文所述居民生活区污水处理厂 (以下简称A厂) 即位于青岛市经济文化中心市南区和国家级旅游风景区崂山区的交界处, 汇水区域内多为高档居住区及商户, 污水处理量为14万m³/d, 主要处理工艺为化学强化高效沉淀池+曝气生物滤池+深度处理。而本文所述的工业区污水处理厂 (以下简称B厂) 位于青岛市工业比较集中的城阳区, 汇水区域内多为工厂企业, 企业类型以石油化工为主, 周边附属产业为辅, 污水处理量为10万m³/d, 主要处理工艺为优化厌氧+多段 (缺氧/好氧) +深度处理。青岛市的市政管网雨污分流较为完善, 因此可认为本文所述A厂与B厂的进水可代表其所处汇水区域的污水水质特征。

　　 以青岛市典型居民生活区与工业区的2座污水处理厂 (A厂与B厂) 为研究对象, 以2015年全年实际进厂污水水质数据为基础, 分析水质指标如BOD₅、COD、SS、NH₃-N、TN和TP等的变化规律及累计概率。各监测指标按照《水和废水监测分析方法》中规定的标准方法测定^[6]。

　　 如图1a所示, A厂进水BOD₅的月度变化较小, 各月平均值在215~263mg/L, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。而对B厂来说, 进水BOD₅的各月平均值变化较大, 特别是8月、9月和12月, 其中12月的进水BOD₅平均值高达388.7mg/L。但从中间值的数据来看, B厂进水BOD₅中间值相对稳定, 且远小于A厂进水BOD₅中间值, 基本只有A厂的一半左右。这也可以从图1b的累积概率分析中得出。即A厂全年进水BOD₅的分布范围较窄, 90%的概率情况下其BOD₅在168~312mg/L。而B厂全年进水BOD₅的分布范围较宽, 90%的概率情况下其BOD₅在63~311mg/L。显然, 上述结果反映了工业区污水处理厂进水BOD₅波动较大, 且有可能出现极端值的情况, 从而可能对污水处理系统形成冲击。而居民生活区的进水BOD₅相对稳定, 其明显高于天津、上海等城市, 反映了青岛地区常年缺水情况下居民养成的节水习惯^[3,4]。

　　 如图2a所示, A厂进水COD的月度变化较小, 各月平均值在477~558mg/L, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。而对B厂来说, 其进水COD一般低于A厂进水COD, 这实际反映了环保部门对工厂企业排放的要求^[7]。但值得注意的是, B厂进水COD在7~12月有明显的升高, 极端值出现在8月、9月和12月, 其中12月的进水COD平均值最高, 达到1 090mg/L, 显然如此高的负荷会对污水处理工艺造成冲击。图2b的累积概率分析中同样可以看出, A厂全年进水COD的分布范围较窄, 90%的概率情况下其COD在396~650 mg/L。而B厂全年进水COD的分布范围较宽, 90%的概率情况下其COD在185~1 090 mg/L。因此同BOD₅的结果类似, 工业区污水处理厂进水COD波动更大, 且极端情况下对污水处理工艺的冲击更为显著。

　　 同BOD₅和COD的结果类似, 图3a中A厂进水SS的月度变化不明显, 各月平均值在258~312mg/L, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。而对B厂来说, 进水SS的各月平均值变化较BOD₅和COD的结果更为明显。其中8月、9月和12月3个月的进水SS平均值达到825 mg/L、984 mg/L、1 473mg/L, 远高于其他月份。而且B厂9月进水SS中间值也明显超出其他月份, 反映了工业区污水处理厂进水SS的明显波动。从图3b的累积概率分析中可以看出, A厂全年进水SS的分布范围较窄, 90%的概率情况下其SS在220~380 mg/L。而B厂全年进水SS的分布范围较宽, 90%的概率情况下其SS在120~1 860 mg/L。这个结果与BOD₅和COD的结果对比, 可以看出工业区污水处理厂进水SS的波动性更大, 需要更加注重进水水质的监控与污水处理工艺的调整, 否则考虑到一级A标准中SS的10mg/L的要求, B厂出水达标显然非常困难^[8]。

　　 与前述几个指标不同, 图4a中显示A、B两厂的进水NH₃-N的月度变化都较小, 各月平均值都接近于中间值, 说明进水水质较稳定。图4b的累积概率分析中显示, A厂全年进水NH₃-N的分布范围90%的概率情况下在31~58mg/L, B厂全年进水NH₃-N的分布范围90%的概率情况下在19~40mg/L。这个结果与图4a中所示的进水NH₃-N逐月变化规律一致, 即A、B两厂的进水NH₃-N都比较稳定, 且A厂明显高于B厂。考虑到NH₃-N的去除应在COD的去除之后进行, 故可以推断工业区污水处理厂进水NH₃-N较低是由于各工厂企业NH₃-N排放较少^[9]。

　　 如图5a所示, A、B两厂的进水TN的月度变化与进水NH₃-N类似, 各月平均值都接近于中间值, 进水水质较稳定, 仅有B厂12月进水TN平均值略高于中间值。从图5b的累积概率分析来看, A厂全年进水TN的分布范围90%的概率情况下在45~73mg/L, B厂全年进水TN的分布范围90%的概率情况下在26~54 mg/L。这说明A、B两厂的进水TN都比较稳定, 且A厂明显高于B厂。这个结果与进水NH₃-N结果一致, 进一步说明各工厂企业含氮类污染物排放较少。

　　 如图6a所示, A厂进水TP的月度变化不明显, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。而对B厂来说, 进水TP的各月平均值变化较大。其中8月、9月和12月3个月的进水TP平均值远高于其他月份。这与B厂进水BOD₅、COD、SS的结果类似, 反映了工业区污水处理厂进水TP的明显波动。从图6b的累积概率分析中可以看出, A厂全年进水TP的分布范围较窄, 90%的概率情况下其TP在4.4~7.3mg/L。而B厂全年进水TP的分布范围较宽, 90%的概率情况下其TP在2.4~8.9mg/L。这个结果也说明了工业区污水处理厂进水TP的具有更大的波动, 需要更加注重进水水质的监控与污水处理工艺的调整, 特别是在最后的化学除磷工艺环节, 需要加强监控与管理^[10]。

　　 污水BOD₅/COD可在一定程度上反映污染物的可生化降解性, 因此常用作评价污水可生化性的指标^[11]。A、B两厂的进水BOD₅/COD比值的逐月变化及累积概率如图7所示。A、B两厂的进水BOD₅/COD比值的月度变化均不明显, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。A厂各月BOD₅/COD平均值在0.44~0.50, 而B厂各月BOD₅/COD平均值在0.28~0.41。这与前述中单独分析进水BOD₅与COD的结果不同, 说明虽然工业区污水处理厂进水BOD₅与COD变化较大且有极端情况出现, 但其可生化性与居民生活区污水处理厂一样都比较稳定。累积概率分析中, A厂全年进水BOD₅/COD在90%的概率情况下在0.34~0.63。而B厂全年进水BOD₅/COD在90%的概率情况下在0.20~0.52。这个结果与逐月变化的结果一致, 即工业区污水处理厂的进水可生化性较差, 污水中存在难生物降解性污染物, 而生活区污水处理厂的进水可生化性较好。因此, 对A厂来说可以考虑强化热电联产加强能源回收, 而对B厂来说可以考虑增加水解酸化工艺环节提高污水可生化性^[12]。

　　 污水BOD₅/TN比值是影响污水脱氮效果的主要因素之一, 因为BOD₅即污水中的可生物利用碳源直接影响着生物反硝化的效果^[13]。A、B两厂的进水BOD₅/TN比值的逐月变化及累积概率如图8所示。A厂进水BOD₅/TN比值的月度变化不明显, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。而B厂进水BOD₅/TN比值各月平均值变化明显。其中8月、9月和12月3个月的BOD₅/TN比值的平均值明显高于其他月份。考虑到B厂进水TN较为稳定, 而进水BOD₅变化较大, 可认为是由进水BOD₅变化造成的。累积概率分析中, A厂全年进水BOD₅/COD在90%的概率情况下在2.89~5.89。而B厂全年进水BOD₅/COD在90%的概率情况下在1.74~7.24。这个结果说明A、B两厂都存在着反硝化碳源不足的问题^[9]。考虑到如果使用甲醇等碳源不仅会提高污水处理成本还有可能造成新的危险源。因此可以考虑因地制宜, 采用啤酒废水、淀粉废水等补充碳源^[14]。

　　 污水BOD₅/TP比值是影响污水生物除磷效果的主要因素之一。这是因为生物除磷需要在厌氧释磷过程中补充大量碳源, 才能保证在好氧段过量吸磷。而对于目前一级A标准下0.5mg/L的TP出水要求, 进水BOD₅/TP比值应大于30才能认为是碳源充足^[15]。如图9a所示, A、B两厂的进水BOD₅/TP比值的月度变化均不明显, 且平均值接近于中间值, 说明进水水质稳定。A厂各月BOD₅/TP平均值在35~46, 而B厂各月BOD₅/TP平均值在27~35。图9b累积概率分析中, A厂全年进水BOD₅/TP在90%的概率情况下在28~56。而B厂全年进水BOD₅/TP有90%的概率情况下在17~53。这说明A厂在保证优先生物除磷的情况下基本无需外加碳源, 而B厂需根据工艺条件选择外加碳源或化学药剂的方式强化除磷。

　　 (1) 青岛市生活区污水处理厂 (A厂) 全年进水各指标稳定, 整体处于较高水平, 反映了青岛地区常年缺水情况下居民的节水习惯, 因此需在工艺设计阶段预先考虑, 满足出水及回用要求。

　　 (2) 青岛市工业区污水处理厂 (B厂) 全年进水指标中BOD₅、COD、SS、TP波动较大, 有时会出现极端值的情况, 特别是8月、9月和12月, 这可能与某些季节性生产企业的废水排放有关。水质大幅波动可能对污水处理工艺产生冲击;指标中NH₃-N与TN较为稳定, 说明工厂企业含氮类污染物排放较少。另外B厂进水指标整体低于A厂, 反映了环保部门对其排放的要求。建议工业区污水处理厂应加强进水监控与管理, 有条件的情况下设置调节池。

　　 (3) BOD₅/COD, BOD₅/TN, BOD₅/TP比值分析表明, 生活区污水处理厂进水中碳源较为充足, 基本可以满足脱氮除磷的要求;而工业区污水处理厂的碳源明显不足, 需考虑设置水解酸化池或外加碳源, 同时必要时通过化学方法强化除磷。