對QH2再生水廠(chǎng)旱季（汛前4月、汛后11月）與雨季（主汛期7月）進(jìn)水污染物負荷變化規律進(jìn)行監測分析。結果表明：QH2進(jìn)水污染物負荷受源頭用水特性、管網(wǎng)運維狀態(tài)，以及水廠(chǎng)抽升策略的綜合影響。旱季QH2柵前液位與居民用水量均呈雙峰分布，且峰值間隔時(shí)長(cháng)接近。管網(wǎng)對上游來(lái)水的生物緩沖、稀釋緩沖、容積緩沖效應，隨旱季低液位抽升與汛期大水量沖刷而發(fā)生變化。旱季進(jìn)水耗氧污染物負荷（OCPL）略高，汛前、汛后生物池單位容積需氧量為22.36、21.41 g/（m3·h）。且低液位抽升易導致管網(wǎng)沉積物中顆粒態(tài)COD、TP的混入。雖監測到污染物濃度升高的初雨效應，但雨季進(jìn)水OCPL略低，主汛期生物池單位容積需氧量為20.58 g/（m3·h）。旱季、雨季非降雨日，早間時(shí)段進(jìn)水OCPL與需氧量約為其他時(shí)段的1/2。不考慮雨水稀釋作用，進(jìn)水氨氮濃度全年保持穩定，Anammox對泥區回流液的處理，有效降低了生物系統氨氮負荷。

排水戶(hù)用水特性屬于源頭因素，由用戶(hù)類(lèi)型、生產(chǎn)生活習慣等決定。市政管網(wǎng)在排水戶(hù)與再生水廠(chǎng)間起紐帶作用，排水體制類(lèi)型、管網(wǎng)運維狀態(tài)，以及汛前汛后管網(wǎng)緩沖能力的變化為進(jìn)廠(chǎng)污染物負荷的波動(dòng)增加了諸多不確定性。而再生水廠(chǎng)進(jìn)水泵抽升策略是實(shí)現前端管網(wǎng)性能維持與后端生物處理系統穩定的關(guān)鍵節點(diǎn)。本文以北京市50萬(wàn)m3/d的QH2再生水廠(chǎng)汛前、主汛期、汛后進(jìn)水污染物負荷監測數據為基礎，綜合分析水廠(chǎng)服務(wù)區域內用水特性、排水管網(wǎng)性能，以及水廠(chǎng)抽升策略等多因素的影響，以期更加系統地呈現污水處理廠(chǎng)進(jìn)水污染物變化規律，為再生水廠(chǎng)運行調控提供基礎支撐。

01 材料與方法

北京市某排水流域QH1廠(chǎng)、QH2廠(chǎng)流域面積近150 km2，用地性質(zhì)主要為居住與商業(yè)，以合流制管網(wǎng)為基礎。QH1廠(chǎng)位于管網(wǎng)上游，超出其接收能力的來(lái)水，經(jīng)下開(kāi)式聯(lián)通閘與排水干線(xiàn)（直徑2.6m，長(cháng)度約10km）向下游QH2廠(chǎng)輸運。聯(lián)通閘溢流輸運水量占QH2廠(chǎng)處理水量的比例＞30%。

選取2021年汛前（4月19日至21日）、汛中（7月16日至20日）、汛后（11月16日至18日）三個(gè)典型時(shí)段，對QH2廠(chǎng)進(jìn)水水量水質(zhì)進(jìn)行監測分析。自動(dòng)采樣器型號為哈希AS950，取樣間隔1h。COD、氮、磷等污染物指標的測定均按照國家環(huán)?？偩职l(fā)布的標準方法進(jìn)行。樣品經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后，測定溶解性COD（SCOD）與正磷酸鹽含量。

02 結果與討論

2.1 QH2進(jìn)水流量、水質(zhì)年度變化情況

如圖1所示，QH2廠(chǎng)進(jìn)水水量與水質(zhì)以主汛期為分水嶺，呈現明顯變化。汛前（1月至6月）與主汛期（7月至9月），日均處理水量分別為36.36萬(wàn)m3、52.76萬(wàn)m3，汛后（10月至12月）日均處理水量44.66萬(wàn)m3，較主汛期下降15.35%。

汛前進(jìn)水每日COD、TP含量大幅波動(dòng)，差異系數分別為0.47、0.45，而主汛期及汛后相對穩定，差異系數分別為0.27、0.20。分析原因：汛前污水在管道輸運過(guò)程中形成沉積層。例如，旱季QH1廠(chǎng)前南側排水干線(xiàn)局部積泥厚近1.0m，沉積比約30%，接近滿(mǎn)管流。當管網(wǎng)下游污水處理廠(chǎng)低液位抽升時(shí)，對管網(wǎng)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)，顆粒態(tài)COD、TP組分的混入導致進(jìn)水COD、TP總量升高。

由于雨水的稀釋作用，主汛期進(jìn)水氨氮較汛前與汛后明顯降低。若以主汛期與汛前日均水量比值為雨水稀釋倍數，扣除雨水稀釋作用，則主汛期進(jìn)廠(chǎng)原污水氨氮均值為30.6 mg/L，與汛前進(jìn)水氨氮均值32.3 mg/L接近。而汛后氨氮含量異常偏低，12月中旬才恢復到汛前水平，推測受汛期降雨影響，地下水位上升，施工降水排入管網(wǎng)導致進(jìn)廠(chǎng)氨氮含量降低。QH2廠(chǎng)進(jìn)水氨氮含量全年保持穩定的原因：Ⅰ氨氮來(lái)源穩定，城市污水中近80%的氮素源自尿液；Ⅱ存在形式單一，國內外分析數據表明尿液中85%~94%的氮素以NH4+形式存在。

2.2 QH2進(jìn)水流量日變化情況

市政管網(wǎng)來(lái)水水量水質(zhì)波動(dòng)情況受源頭用水特性的直接影響，主要取決于用戶(hù)類(lèi)型，且呈現明顯的日變化規律與季節性。QH2廠(chǎng)服務(wù)區域內主要為居住、商業(yè)用地。冬春時(shí)節（旱季），居住區每日分別圍繞早7至9時(shí)與晚18至20時(shí)出現兩個(gè)用水量峰值，峰值間隔時(shí)間近11h。夜間1至5時(shí)為最小用水量時(shí)段。夏秋季節，早、晚用水量高峰會(huì )分別提前與延后約1h，且晚間峰值流量更大。而商業(yè)辦公區在工作時(shí)段內用水量保持穩定，會(huì )適當提升兩峰值中間時(shí)段的用水量，但不會(huì )改變雙峰特征。

受水區域內用水量的峰谷變化，導致排水管網(wǎng)充滿(mǎn)度的規律性潮汐波動(dòng)，并最終體現在水廠(chǎng)進(jìn)水流量與柵前液位的變化上。如圖2所示，QH1廠(chǎng)柵前液位（12月8日至11日）每日下午14時(shí)、夜間24時(shí)出現兩個(gè)峰值，峰值間隔約10h，與旱季每日用水量峰值間隔接近，但兩峰的達峰時(shí)間較用水峰分別延遲了5~6h。且午間柵前液位升高后，維持在較高水平，未見(jiàn)退峰現象，與程珣等監測規律相似。此外，每日早6時(shí)至9時(shí)，柵前液位出現谷值。受上游管網(wǎng)來(lái)水變化與QH1廠(chǎng)抽升的影響，QH2廠(chǎng)柵前液位每日下午17至18時(shí)與夜間2至4時(shí)分別出現一個(gè)小峰與大峰，峰值間隔同樣約10h，但是較上游QH1廠(chǎng)柵前液位的達峰時(shí)間延遲2~3h。QH1與QH2抽升水量的日變化規律接近，每天為低水量時(shí)段，午間兩廠(chǎng)水量提升后均維持在高位。

2.3 QH2旱季進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.3.1 旱季進(jìn)水流量與柵前液位

旱季，污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水量水質(zhì)主要由居民用水規律性變化決定，并受水廠(chǎng)抽升狀態(tài)的影響。柵前液位與抽升水量為兩關(guān)鍵控制參數。兩種工況下水廠(chǎng)會(huì )發(fā)生低液位抽升，Ⅰ預報降雨前執行低液位抽升為管網(wǎng)騰容；例如，4月15日凌晨、4月21日上午開(kāi)始QH1與QH2提前開(kāi)始低液位抽升，以應對4月15日下午與4月21日夜間的降雨，而流域降雨量均＜2mm，降雨量對水廠(chǎng)水量影響有限。QH1兩次低液位抽升導致通過(guò)干管聯(lián)通閘溢流進(jìn)入下游的水量明顯減少，且QH2最低時(shí)均液位分別降至1.42 m、1.25 m，較平日最低液位2.58 m，降幅高達46.97%、52.65%（見(jiàn)圖3a、3b）。Ⅱ流域總來(lái)水量穩中有降，而上游QH1廠(chǎng)抽升量偏大，導致下游QH2廠(chǎng)偶發(fā)性低液位抽升。

圖3 旱季（4月）連續監測期間QH1、QH2進(jìn)水流量與柵前液位變化情況

2.3.2 旱季進(jìn)水主要水質(zhì)指標

由圖1可知，汛后11月QH2進(jìn)水流量較主汛期雖明顯回落，但較汛前4月份仍偏高16.62%。受其影響，11月16日6時(shí)至19日5時(shí)，進(jìn)水COD、氨氮、總磷濃度三日時(shí)均值分別為330.45、29.32、4.57 mg/L，較汛前4月19日6時(shí)至21日5時(shí)三日時(shí)均值，降幅分別為19.21%、19.72%、33.0%。4月21日雨前低液位抽升導致，進(jìn)水COD、TP劇烈波動(dòng)（見(jiàn)圖4），當日COD、TP差異系數為0.41、0.43，分別為前兩日的2.69、5.96倍。而溶解態(tài)組分SCOD與正磷酸鹽未見(jiàn)明顯波動(dòng)，進(jìn)一步證實(shí)低液位抽升期間進(jìn)水COD、TP的升高與波動(dòng)，主要由管網(wǎng)沉積物中顆粒態(tài)組分的混入導致。例如，汛后11月某次低液位抽升期間，上游排水干線(xiàn)的積泥厚度降低量近14 cm。進(jìn)水氨氮未受低液位抽升影響，氨氮濃度相對平穩，三日變異系數均值僅為0.053。11月16日凌晨的偶發(fā)性低液位抽升，同樣引發(fā)了進(jìn)水COD、TP的波動(dòng)，但由于汛期水力沖刷，管網(wǎng)沉積層厚度降低，顆粒態(tài)組分含量變化對進(jìn)水COD、TP的影響較汛前明顯減弱。受泥區回流液的影響，4月份三日進(jìn)水氨氮濃度在早間低水量時(shí)段未呈現規律性下降。而泥區回流液經(jīng)Anammox系統處理后，11月份三日早間時(shí)段進(jìn)水氨氮濃度出現谷值，與上游QH1進(jìn)水氨氮日變化規律相似。此外，進(jìn)入冬季，氣溫逐漸降低，伴隨居民飲食結構的調整，以及氮素在管網(wǎng)輸運過(guò)程中轉化效率的變化，進(jìn)水有機氮含量與占總氮比例，分別提升22%、7.50%。

圖4 旱季（4月、11月）連續監測期間QH2進(jìn)水水質(zhì)變化情況

水廠(chǎng)進(jìn)水水量水質(zhì)由居民用水規律決定，并受低液位抽升、汛期大水量沖擊過(guò)程中“管網(wǎng)緩沖容量”變化的影響。管網(wǎng)緩沖容量可體現在三方面：

①生物緩沖，汛前管道附著(zhù)生物膜、底部沉積物中含有豐富的微生物，其菌群結構較源頭人類(lèi)腸道菌群與下游污水處理廠(chǎng)活性污泥菌群結構均有所不同，且微生物多樣性與豐度呈現時(shí)空差異與季節性變化。污水在管道輸運過(guò)程中，微生物對有機物及營(yíng)養鹽的利用與轉化，對水質(zhì)起到一定的穩定作用。而經(jīng)過(guò)汛期大水量沖刷后，管道內生物量降低，厭氧環(huán)境被破壞，生物緩沖作用減弱；

②稀釋緩沖，旱季管網(wǎng)充滿(mǎn)度潮汐波動(dòng)，下游管網(wǎng)蓄水量對上游來(lái)水的稀釋緩沖作用相對穩定。但是汛后管網(wǎng)淤堵情況緩解，下游對上游的頂托效應減弱，整體充滿(mǎn)度降低，管網(wǎng)存蓄水量減少，稀釋緩沖作用減弱；

③容積緩沖：汛前管道底部沉積物多、局部管阻明顯、充滿(mǎn)度高，管網(wǎng)容積緩沖容量被壓縮。汛后管道底部沉積物較汛前減少、管路相對通暢，容積緩沖容量得到一定程度釋放。但對于充滿(mǎn)度控制合理的管網(wǎng)系統，容積緩沖只在汛期大水量沖擊負荷下發(fā)揮作用。

2.3.3 Anammox對泥區回流氨氮的去除

剩余污泥中蛋白質(zhì)含量較高，占有機物總量的近75%以上，其在厭氧消化過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的氨氮。如圖5所示，板框濾液氨氮日均濃度1 852mg/L，濾液量626m3/d，Anammox系統投運前，泥區板框濾液均回流至水區前端，回流氨氮量折算生物池容積負荷為0.12 g/（m3·h），占旱季（4月份）全天及早間時(shí)段管網(wǎng)來(lái)水氨氮負荷的比例分別為9.16%、13.72%。6月份Anammox系統投運后，平均82.33%的氨氮經(jīng)短程硝化-厭氧氨氧化反應去除，有效緩解了泥區回流氨氮對生物系統的沖擊，尤其對早間時(shí)段氨氮負荷的穩定效果顯著(zhù)。

2.4 QH2雨季進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.4.1 雨季進(jìn)水流量與柵前液位

雨季降水頻發(fā)，水廠(chǎng)低液位抽升為管網(wǎng)騰容頻次也顯著(zhù)增加。7月16日6時(shí)至21日4時(shí)，對QH2廠(chǎng)開(kāi)展主汛期進(jìn)水水量水質(zhì)連續監測。如圖6所示，7月15日8時(shí)至16日19時(shí)。35h內柵前液位經(jīng)歷了高低液位6~10倍的劇烈波動(dòng)，上游管網(wǎng)水力沖擊顯著(zhù)增加。降雨于7月17日21時(shí)陸續展開(kāi)，至19日早6時(shí)結束，流域平均降雨量100.9mm。

即7月17日22時(shí)，抽升量高于平日，且穩中有升，柵前液位開(kāi)始上漲，表明降雨匯流傳輸至水廠(chǎng)端部，管網(wǎng)容積緩沖開(kāi)始發(fā)揮作用。直至18日5時(shí)，抽升量與柵前液位達到臨界值。18日6時(shí)，抽升量雖繼續提升，但柵前液位由4.09m迅速升至8.69m，管網(wǎng)容積緩沖容量全部釋放。7月17日22時(shí)至18日5時(shí)，時(shí)均抽升量2.63萬(wàn)m3/h，較非降雨日該時(shí)段抽升量1.8萬(wàn)~2.0萬(wàn)m3/h，8h累計多抽升4.52萬(wàn)~6.62萬(wàn)m3。該數值可近似等同于QH2廠(chǎng)上游管網(wǎng)汛期容積緩沖容量。

2.4.2 雨季進(jìn)水主要水質(zhì)指標

受低液位抽升與管網(wǎng)緩沖容量降低的影響，前兩日進(jìn)水COD、TP波動(dòng)明顯。進(jìn)水氨氮變化規律與旱季11月份相似，早間低水量時(shí)段濃度低，其他時(shí)段濃度較高（見(jiàn)圖7）。7月17日1時(shí)至5時(shí)，進(jìn)水COD、TP快速升高，呈現明顯的初雨效應，COD、TP時(shí)均濃度分別為前一天均值的2.32、1.52倍。因此，初期雨水應作為合流制管網(wǎng)汛期調蓄與溢流污染控制的重點(diǎn)。監測后三日（7月18日8時(shí)至21日4時(shí)），在2.7萬(wàn)~3.8萬(wàn)m3/h大水量抽升的同時(shí)，柵前液位仍維持在＞7.5m的高位。雨水對進(jìn)水水質(zhì)的稀釋作用凸顯，污染物濃度維持在較低水平。以COD為例，后三日均值195mg/L，最低值僅為113 mg/L。

圖7 雨季（7月）連續監測期間QH2進(jìn)水水質(zhì)變化情況

2.5 QH2進(jìn)水污染物負荷與生物池需氧量

如圖8a所示，三次連續取樣監測過(guò)程中，受進(jìn)水流量與污染物濃度變化的影響，生物池主要耗氧污染物指標COD與氨氮的24h時(shí)均容積負荷呈現波動(dòng)。但日均值相對穩定，汛前（4月19日至21日）、汛中（7月16日至20日）、汛后（11月16日至18日），COD容積負荷分別為15.81、14.96、15.12 g/（m3·h），氨氮容積負荷分別為1.43、1.22、1.38 g/（m3·h）。若以1mg氨氮轉化成硝氮需要消耗4.57mgO2計算，即耗氧污染物總負荷=COD+4.57NH3-N。則汛前、主汛期、汛后，生物池單位容積需氧量分別為22.36、20.58、21.41 g/（m3·h），基本保持不變，差異系數僅為0.042。汛前、汛后雖然水量小，但是耗氧污染物負荷與需氧量均略高于汛期，與劉茜等的分析結果類(lèi)似。參照《室外排水設計標準》（GB 50014-2021），曝氣器氧利用率取30%，核算供氣量為120萬(wàn)m3/d，則汛前、主汛期、汛后生物池氣水比分別為3.3、2.2、2.7，年均氣水比約為2.8。與此同時(shí)，不考慮受低液位抽升與降雨影響天數，每天早間時(shí)段，通常6:00至10:00，QH2廠(chǎng)進(jìn)水污染物濃度與水量均處于低值。早間時(shí)段與其他時(shí)段，生物池耗氧污染物負荷分別為11.64、22.96 g/（m3·h），其他時(shí)段的需氧量約為早間時(shí)段的2倍（見(jiàn)圖8b）。因此，每天應聚焦耗氧污染物負荷高、低兩時(shí)段，通過(guò)鼓風(fēng)機供氣量的及時(shí)調節實(shí)現其低碳運行。

圖8 進(jìn)水耗氧污染物負荷與生物池需氧量

2.6 討論

水廠(chǎng)執行低液位抽升期間，進(jìn)水顆粒態(tài)COD的升高會(huì )增加需氧量，不能僅根據水量降低，減少供氣量。秋末至早春低溫期，居民高蛋白高熱量食品的攝入量增加。例如，2018年至2020年，北京市生豬出欄量最多的時(shí)段均發(fā)生在第一季度或第四季度，大北農企業(yè)數據同樣顯示，2021年其第四季度月均生豬銷(xiāo)量45.3萬(wàn)頭，較前三季度高出38%。期間，大量的有機份隨排水進(jìn)入管網(wǎng)，其中的顆粒物沉積下來(lái)。而春季溫度逐漸回升，管網(wǎng)微生物代謝作用增強，顆粒態(tài)有機物的厭氧轉化效率提高。導致旱季4月份前后，水廠(chǎng)進(jìn)水COD與氨氮負荷偏高，并會(huì )伴隨管網(wǎng)水力條件的變化出現短時(shí)耗氧污染物沖擊負荷，對水廠(chǎng)生物系統硝化段的調控產(chǎn)生影響。

此外汛期DO監測發(fā)現，由于降雨的混入以及管道湍流的加劇，進(jìn)水DO較非降雨日，有不同程度的升高，這與WALSH等研究結果一致。而該情況可能會(huì )產(chǎn)生兩方面的消極影響，Ⅰ管網(wǎng)厭氧環(huán)境受到?jīng)_擊，加之沉積物減少，大分子有機物通過(guò)水解產(chǎn)酸過(guò)程向VFAs的轉化效率降低，水廠(chǎng)生物池活性污泥可利用的優(yōu)質(zhì)碳源減少；Ⅱ直接對生物池前端預缺氧段的缺氧環(huán)境產(chǎn)生沖擊，QH2廠(chǎng)汛期缺氧段ORP漲幅≥50 mV。受Ⅰ、Ⅱ共同作用，生物池預缺氧段聚磷菌與聚糖菌對碳源的競爭趨緊，并且汛期高水溫對聚糖菌有利。QH2廠(chǎng)旱季生物除磷現象，在汛期消失，化學(xué)除磷系統面臨較大壓力，藥量調控需更及時(shí)。

03 結 論

（1）QH2進(jìn)水污染物負荷受上游排水戶(hù)用水規律、中間管網(wǎng)運維狀態(tài)、末端水廠(chǎng)抽升策略以及廠(chǎng)內回流的綜合影響。其中居民用水規律相對穩定，而管網(wǎng)的生物緩沖、容積緩沖、稀釋緩沖容量易受水廠(chǎng)低液位抽升與汛期大水量沖擊的影響。

（2）旱季（汛前4月、汛后11月）與雨季（主汛期7月）非降雨日，QH2柵前液位與居民用水量均呈雙峰分布，且峰值間隔時(shí)長(cháng)接近，約為10h。每天早間為低水量時(shí)段，午間進(jìn)水量提升后維持在高位。

（3）旱季水廠(chǎng)低液位抽升易對管網(wǎng)沉積物產(chǎn)生擾動(dòng)，并導致進(jìn)水顆粒態(tài)COD與TP組份的升高。雨季降水對污染物稀釋作用凸顯，且降雨初期污染物濃度明顯升高。而由于來(lái)源與存在形式較為單一，進(jìn)水氨氮濃度全年平穩。泥區回流液中82.33%的氨氮在A(yíng)nammox系統中被去除。旱季低溫時(shí)節居民飲食習慣的改變，會(huì )加劇有機份在管網(wǎng)內的沉積，并在春季，引發(fā)進(jìn)水耗氧污染物負荷的升高。

（4）QH2廠(chǎng)全年進(jìn)水耗氧污染物負荷保持穩定，汛前、主汛期、汛后，單位生物池容積需氧量分別為22.36、20.58、21.41 g/（m3·h），差異系數僅為0.042。而每天早間時(shí)段的進(jìn)水耗氧污染物負荷與需氧量為其他時(shí)段的1/2。