城鎮(zhèn)居住小區(qū)人均污水污染物產(chǎn)生量測算方法與應(yīng)用

劉戰(zhàn)廣

(上海市政工程設(shè)計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

2019年4月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等三部委印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》(2019—2021年)，提出城市生活污水集中收集效能顯著提高的目標(biāo)。城鎮(zhèn)居民人均生活污水污染物產(chǎn)生量是生活污水處理工程設(shè)計的重要參數(shù)，也是計算城鎮(zhèn)生活污水集中收集率、評估污水系統(tǒng)效能的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-4]。國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)引用的人均日生活污水污染物產(chǎn)生量數(shù)據(jù)多借鑒國外經(jīng)驗值，同時，國內(nèi)現(xiàn)有研究得到的結(jié)果往往低于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確表征我國城鎮(zhèn)居民生活污水污染物產(chǎn)生和排放情況[5]。

本文以居住小區(qū)出水總排口為研究對象，在污水收集設(shè)施相對完善、工業(yè)廢水比例較小的城市排水系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)，根據(jù)污水收集設(shè)施建設(shè)情況、居住人口、入住年限等因素研究居住小區(qū)的選取原則和方法，建立居住小區(qū)生活污水水質(zhì)采樣檢測、流量測量、用水量調(diào)查、數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)方法。并針對上海某城市污水處理廠排水系統(tǒng)開展應(yīng)用研究，分析居住小區(qū)生活污水污染物產(chǎn)生規(guī)律，為城鎮(zhèn)居民人均生活污水污染物產(chǎn)生量的測算和研究提供參考。

1 測算方法

1.1 居住小區(qū)選擇

在城市建成區(qū)范圍內(nèi)選取典型生活小區(qū)。所選小區(qū)應(yīng)為普通住宅，不含別墅區(qū)，實際居住人口應(yīng)超過1 000人或住戶超過400戶，入住率在70%以上。所選小區(qū)應(yīng)為分流制系統(tǒng)，不存在雨污混接現(xiàn)象(陽臺洗滌廢水未混接進入雨水管)。應(yīng)有統(tǒng)一的集中排放總管，或其中一個出水口排放量超過小區(qū)生活污水總排放量的80%，便于采樣和監(jiān)測。

1.2 水質(zhì)采樣檢測

根據(jù)選擇的居住小區(qū)監(jiān)測點，在春季(或秋季)、夏季和冬季分別進行1～2次連續(xù)的水質(zhì)采樣和流量測量，每次連續(xù)監(jiān)測5～7 d，其中包含周末。在采樣日，兩位采樣人員每天分別在采樣時間段(6∶00—24∶00)，每隔2～4 h取1次樣品。采集樣品均為小區(qū)集中排口處窨井內(nèi)監(jiān)測口流動的水樣，每次取樣量為500 mL。完成全天采樣后，將水樣混合均勻，檢測COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等指標(biāo)。小區(qū)如設(shè)有化糞池，選測一座化糞池測量進、出水水質(zhì)，水質(zhì)采樣方法與小區(qū)集中排口處相同。

1.3 流量測量方法

盡量采用在線監(jiān)測獲取小區(qū)總排口污水量，條件不允許時，可通過用水量調(diào)查間接獲取小區(qū)人均污水量數(shù)據(jù)。流量測量建議使用多普勒超聲波流量計等在線監(jiān)測儀表，但應(yīng)注意水深較淺、流速較小、管道底泥及水中雜質(zhì)等干擾因素的影響[6-8]。

1.4 用水量調(diào)查方法

當(dāng)不具備流量測量條件時，可通過調(diào)查小區(qū)用水量，結(jié)合污水排放系數(shù)估算污水量。如無法獲取小區(qū)用水量數(shù)據(jù)，可在小區(qū)選取部分典型住戶進行自來水表讀數(shù)獲取人均用水量數(shù)據(jù)。所選住戶包括一代人1～2人居住、兩代人3人居住、三代人4～5人居住等幾類，每類住戶不少于2戶。在采樣期間，間隔24 h讀取所選住戶自來水表，并記錄下讀數(shù)期間在家的人口數(shù)。同時間隔24 h讀取小區(qū)總水表的讀數(shù)，并詢問明確所讀取的用水量中是否包括綠化用水，應(yīng)扣除綠化等非居民生活用水量。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出每個小區(qū)在春季(或秋季)、夏季和冬季的人均污染物當(dāng)量，按照季節(jié)權(quán)重計算出該小區(qū)1年人均污染物產(chǎn)生量。其中，春季(或秋季)的權(quán)重為2，夏季和冬季的權(quán)重為1。

Fe=Qw×Ce

(1)

F=(2F春/秋+F夏+F冬)/4

(2)

其中：Fe——單季人均污染物產(chǎn)生量，g/(人·d)；

Qw——人均污水量，L/(人·d)；

Ce——污染物平均濃度，g/L；

F——全年人均污染物產(chǎn)生量平均值，g/(人·d)。

根據(jù)監(jiān)測得到的每個小區(qū)的生活污水人均污染物產(chǎn)生量，可進行城市監(jiān)測點數(shù)據(jù)加權(quán)平均計算，得到城市生活污水人均污染物產(chǎn)生當(dāng)量。

2 案例研究

2.1 居住小區(qū)選擇

結(jié)合某城市污水處理廠排水系統(tǒng)，對某城市典型居住小區(qū)人均污染物產(chǎn)生量開展調(diào)研。由于時間及經(jīng)費限制，本研究僅在夏季進行連續(xù)一周的水質(zhì)采樣分析，對測算方法進行了驗證。由于不同地區(qū)、不同小區(qū)、不同季節(jié)的用水量、污水水質(zhì)等波動較大[9]，小區(qū)或城鎮(zhèn)尺度的人均水污染物產(chǎn)生量測算應(yīng)覆蓋不同季節(jié)，并適當(dāng)增加監(jiān)測頻次，使測算結(jié)果更具代表性。該污水處理廠設(shè)計處理規(guī)模為2萬m3/d，服務(wù)范圍內(nèi)以居住小區(qū)為主，主要包括上世紀(jì)90年代建設(shè)的大型居住小區(qū)及部分2000年以后興建的居住小區(qū)。該排水系統(tǒng)為分流制，周邊建有3個強排模式的分流制雨水排水系統(tǒng)及1個分流制緩沖自排模式的雨水排水系統(tǒng)。綜合考慮小區(qū)規(guī)模、所處位置、建設(shè)年代及現(xiàn)場監(jiān)測條件等因素，選取A、B等兩個普通住宅小區(qū)作為研究對象，如圖1所示。其中，小區(qū)A建于2003年，總戶數(shù)1 024戶，居住人口3 048人。小區(qū)B建于1995年，總戶數(shù)1 800戶，居住人口5 312人。兩個小區(qū)的入住率均在80%以上。居住人口為居委會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，小區(qū)居委會每兩年對小區(qū)內(nèi)實際居住人口進行一次核查，包括戶口人員和租住人員。兩個小區(qū)均接近污水處理廠，通過排放總管集中排水，無化糞池。

圖1 居住小區(qū)位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Studied Residential Quarters

2.2 污水水質(zhì)分析

針對小區(qū)A和B同時進行連續(xù)一周的采樣監(jiān)測，取樣位置為小區(qū)總排口，每天完成采樣后，取全天的混合樣測定水質(zhì)，結(jié)果如表1和圖2(周一—周日)所示。

表1 小區(qū)污水水質(zhì)Tab.1 Residential Wastewater Quality

由表1和圖2可知，由于兩個小區(qū)無化糞池，生活污水的水質(zhì)波動范圍較大。小區(qū)A污水各指標(biāo)最大值與最小值的比例可達(dá)1.99～3.44倍，小區(qū)B污水各指標(biāo)最大值與最小值的比例可達(dá)1.62～6.28倍。相較TN和TP，污水COD、BOD5、NH3-N最大值與最小值的比例更大。由圖2可知，污染物濃度的變化規(guī)律相似，即周末污染物濃度高，工作日污染物濃度較低。小區(qū)A污水COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的最小值均出現(xiàn)在周四，除TP外其他指標(biāo)的最大值均出現(xiàn)在周末。小區(qū)B也有類似規(guī)律，最大值基本在周五—周日，最小值基本在周三和周四。這可能與居民周末在家用餐率較高、洗滌劑使用量較大等因素有關(guān)，表明小區(qū)人均生活污水污染物產(chǎn)生量的監(jiān)測應(yīng)同時包含工作日和周末。

圖2 小區(qū)污水CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP的變化規(guī)律Fig.2 Values of CODCr, BOD5, NH3-N, TN and TP in Residential Wastewater

圖2標(biāo)出了第二次全國污染源普查《生活污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(試用版)》中對應(yīng)地區(qū)城鎮(zhèn)生活源水污染物產(chǎn)污校核系數(shù)的上限值、平均值和下限值。由圖2中可知，小區(qū)A污水COD、BOD5、TP的監(jiān)測平均值低于產(chǎn)污校核系數(shù)的平均值，但均高于其下限值，NH3-N和TN的監(jiān)測平均值與產(chǎn)污校核系數(shù)平均值相當(dāng)。小區(qū)B污水的COD、BOD5監(jiān)測平均值顯著高于產(chǎn)污校核系數(shù)的上限值，這與周五—周日COD、BOD5的日均監(jiān)測值異常偏高有關(guān)。周一—周四小區(qū)B污水的懸浮物、COD、BOD5平均值分別為135、360、154 mg/L，周五—周日的平均值則分別為427、1 125、480 mg/L。因此，周五—周日小區(qū)B污水的COD、BOD5濃度顯著上升可能是受樣品中懸浮物濃度較高的影響。小區(qū)B污水的NH3-N、TN、TP監(jiān)測平均值高于產(chǎn)污校核系數(shù)的平均值，但均低于其上限值。

如果小區(qū)內(nèi)部排水系統(tǒng)存在雨污混接現(xiàn)象，可能導(dǎo)致生活污水水質(zhì)受到降雨影響。本次小區(qū)生活污水取樣期間周邊2個雨量站記錄的平均降雨量如圖3所示，由圖3中可知，采樣期間周四、周六和周日該區(qū)域有降雨，其中周六的降雨量達(dá)到(20.0±6.7) mm。盡管如此，兩個小區(qū)周六的生活污水水質(zhì)均相對較濃，表明小區(qū)內(nèi)部雨污混接可能較少。

圖3 采樣期間的降雨量分布情況Fig.3 Rainfall Distribution during Sampling Period

兩個小區(qū)的位置均接近污水處理廠，如圖4所示，污水處理廠同期進水的COD、BOD5、NH3-N、TN平均值分別為(452±195)、(297±123)、(46.9±11.5)、(57.1±10.0) mg/L，為典型的城鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)濃度。其中，BOD5、NH3-N、TN均高于第二次全國污染源普查對應(yīng)生活源產(chǎn)污校核系數(shù)的上限值。該污水處理廠排水系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)以居住小區(qū)為主，其中，大部分小區(qū)的建設(shè)年代為上世紀(jì)90年代，與小區(qū)B相近。兩個小區(qū)官方統(tǒng)計的戶均人口均為3人，但建設(shè)年代較早的小區(qū)B家庭老人占比較高，老人較多的家庭用餐率更高、用水量較小，可能導(dǎo)致污水污染物濃度更高[10]。

圖4 污水處理廠進水污染物濃度Fig.4 Influent Pollutant Concentration of Wastewater Treatment Plant

2.3 人均污染物產(chǎn)生量估算

根據(jù)小區(qū)的用水量和污水排放系數(shù)估算污水量。由于居住小區(qū)為雙月抄表，采用供水部門提供的監(jiān)測前后4個月的用水量數(shù)據(jù)和小區(qū)居委會統(tǒng)計的居住人口進行初步估算，結(jié)果如表2所示。小區(qū)A的人均用水量可達(dá)到上海市節(jié)水型小區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)，即135.0 L/(人·d)，小區(qū)B的人均用水量偏低，僅為小區(qū)A的66%，可能與家庭經(jīng)濟水平、年齡結(jié)構(gòu)、節(jié)水意識等相關(guān)[11]。污水排放系數(shù)取0.85時，計算小區(qū)A和B的人均污水量分別為114.4 L/(人·d)和75.5 L/(人·d)。

基于表2中的人均污水量和表1中的污染物平均濃度，按照式(1)計算人均污染物產(chǎn)生量，結(jié)果如表3所示。與室外排水設(shè)計規(guī)范中的設(shè)計水質(zhì)相比，表3中居住小區(qū)人均污染物產(chǎn)生量偏低，其中小區(qū)A的BOD5、TN、TP人均產(chǎn)生量較室外排水規(guī)范下限值分別低48.1%、18.1%、47.7%，小區(qū)B的BOD5、TN、TP人均產(chǎn)生量較室外排水規(guī)范下限值分別低11.2%、38.5%、41.8%。有研究表明，居民用水量與污染物排放系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，即用水量較大時，人均污染物排放量也越高[5]。由于用水量、污染物濃度等受經(jīng)濟條件、生活習(xí)慣、文化程度、年齡結(jié)構(gòu)等因素差異的影響，盡管小區(qū)A用水量較小區(qū)B大，但人均污染物產(chǎn)生量較低。同時，本研究中的小區(qū)人均用水量采用供水部門提供的小區(qū)用水量數(shù)據(jù)和居委會人口普查數(shù)據(jù)計算得到，盡管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，但由于居民生活規(guī)律不同、人員流動特征復(fù)雜，難以精準(zhǔn)定量小區(qū)居民全天24 h產(chǎn)生的所有污水污染物。因此，直接采用居住人口計算人均數(shù)據(jù)時，由于居民在上班、上學(xué)、臨時外出等情況下的用水量及污染物產(chǎn)生量未計算在內(nèi)，會導(dǎo)致人均用水量和人均污染物產(chǎn)生量偏低。常州市某居民樓宇的研究采用安裝人員出入監(jiān)控系統(tǒng)計算調(diào)查時間段內(nèi)的排污人口當(dāng)量，得到檢測日居民生活污水人均日排放量為216.0 L/(人·d)，上海市居民生活用水定額通用值為200.9 L/(人·d)，均高于本文研究結(jié)果[12]。

表2 小區(qū)人均用水量和污水量Tab.2 Daily Water Consumption Per Capita and Domestic Wastewater Production of Urban Residents

表3 小區(qū)人均污染物產(chǎn)生量Tab.3 Daily Domestic Wastewater Pollutant Production Per Capita of Urban Residents

3 結(jié)論

(1)提出了城鎮(zhèn)居住小區(qū)人均污染物產(chǎn)生量的測算方法，包括居住小區(qū)選擇、水質(zhì)采樣檢測、流量測量、用水量調(diào)查、數(shù)據(jù)分析等。

(2)對某城市污水處理廠排水系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)兩個無化糞池的居住小區(qū)A和B連續(xù)一周的監(jiān)測分析。結(jié)果表明，小區(qū)生活污水的水質(zhì)波動范圍較大，周末污染物濃度較工作日高。具有代表性的小區(qū)B總排口污水的CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP平均值分別為687、294、32.6、40.7、5.42 mg/L。小區(qū)B未設(shè)化糞池，且緊鄰污水處理廠，其生活污水水質(zhì)與污水處理廠進水水質(zhì)較為接近。設(shè)有化糞池的小區(qū)，居民生活污水經(jīng)化糞池處理后，懸浮物、COD、BOD5等指標(biāo)會有所下降。此外，生活污水污染物在輸送過程中可能發(fā)生部分衰減。因此，小區(qū)排口水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果一般不能直接代表污水處理廠的進水水質(zhì)。

(3)根據(jù)小區(qū)用水量數(shù)據(jù)和人口普查數(shù)據(jù)計算小區(qū)B的人均用水量為88.8 L/(人·d)，污水排放系數(shù)取0.85時小區(qū)B的人均CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP產(chǎn)生量平均值分別為51.90、22.18、2.46、3.07、0.41 g/(人·d)，低于室外排水設(shè)計規(guī)范中城鎮(zhèn)污水的設(shè)計水質(zhì)。

(4)供水部門提供的小區(qū)用水量數(shù)據(jù)與用于計算的排污人口當(dāng)量數(shù)據(jù)不匹配導(dǎo)致人均用水量和污水量數(shù)據(jù)偏低可能是人均污染物產(chǎn)生量偏低的主要原因，后續(xù)研究采用流量測量、入戶調(diào)查等方式獲取盡可能準(zhǔn)確的人均污水量和人均污染物產(chǎn)生量，可為國內(nèi)城鎮(zhèn)居住小區(qū)人均污染物產(chǎn)生量的測算提供參考。此外，室外排水設(shè)計規(guī)范中的人均污染物產(chǎn)生量數(shù)據(jù)是在大范圍統(tǒng)計分析的結(jié)果，擴大調(diào)查范圍以獲取更多的數(shù)據(jù)可進一步減小誤差。