污水输送过程中水质变化研究进展

2022-10-18

一、前言

(一) 研究背景

XX县污水处理厂处理工艺为ICEAS工艺, 设计日处理量1.2万吨, 污水输送主管网长约14.9km, COD年平均进水浓度约为220mg/L, 氨氮年平均进水浓度约为50mg/L, 受丰枯水期水量变化较大及进水浓度偏高的影响, 厂内实际按传统SBR运行模式运行。由于该厂进水存在氨氮常年偏高、COD常年偏低的特点, 运营成本较高, 运营单位初步怀疑管网周边可能存在非法排污行为。但经运营单位组织人员对管网进行长期巡检后并未发现异常。为进一步确定是否存在非法排污行为, 运营单位于2018年3月对污水主管及支管设置共计10个取样点, 每间隔4h取一个样, 开展了持续一天的管网水质监测。最终监测结果表明, 主支管网内污染物浓度相差不大, 各段管网排污特点基本相同, 排除了违法排污的可能性。通过观察监测数据发现, 该管网内污水存在氨氮沿程升高、COD沿程降低的趋势。为了进一步明确污水在输送过程中的变化规律, 笔者在查阅相关资料后, 结合个人理解对相关研究进行了归纳总结。

(二) 研究意义

污水管网是城市污水系统的一个重要组成部分, 传统观点认为污水管网在城市污水系统中仅起到污水输送的作用。近年来, 较多污水管网水质监测结果表明, 在污水管网输送污水至污水处理厂的过程中, 污水管网内的水质会发生一定的变化。在污水输送过程中, 污水管网相当于一个巨大的管道反应容器, 在物理、化学及微生物作用下对部分污染物有一定的去除效果。研究污水输送过程中的各污染物的变化规律, 可对新建污水处理厂设计提供一定的参考, 有利于提高污水处理厂运行效率。此外, 我国约有三分之一的城市污水处理厂存在着碳源不足的问题, 污水脱氮除磷效果较差。研究污水在输送过程中影响有机物变化的因子, 可为后续新建管网提供一定的参考, 有效提高污水处理厂进水有机物浓度, 提高进水C/N比、C/P比, 增强污水处理系统脱氮除磷能力, 降低污水处理厂运行成本。

二、污水水质变化影响因子

污水在管网输送过程中, 引起污水水质变化的主要原因有两个:一是受重力影响, 污水中大颗粒悬浮污染物发生沉降形成污水管网沉积物;二是污水在管网管壁、管网沉积物及污水中微生物的共同作用下, 部分可生物降解的污染物在输送过程中得以降解。

(一) 管网沉积物

污水管网沉积物由随雨水冲刷通过雨水口进入污水管网的地表颗粒物质及污水中悬浮颗粒物的沉积组成, 其主要成分来源于生活污水, 以有机污染物为主。污水中有机大颗粒物质沉降形成有机层, 该层具有较强的可生化性, 由于其抗剪切能力较弱容易被破坏, 故污水中部分有机污染物的浓度变化与其有着直接关系。生物膜层位于管网沉积物表层, 其中存在大量微生物, 生物活性高, 接近活性污泥, 在厌氧环境下对部分污染物有较好的去除效果。但是污水管网沉积物容易淤积堵塞排水管网, 降低管网排水容量, 增大了管网局部阻力, 不利于污水的输送。同时管网沉积物中大量的有机物在厌氧环境下, 容易产生H2S等酸性气体, 腐蚀排水管道, 存在污染地下水的隐患。在厌氧环境下, 管网沉积物易使污水水质发生变化, 增加污水处理厂处理难度。此外, 有相关研究表明, 在合流制溢流污染中, 绝大多数的污染物来自于污水管网沉积物。

(二) 管网内微生物

污水管网内存在大量的微生物, 其主要分布于管壁、管网沉积物及污水内。由于城镇生活污水中存在大量可生物降解的物质, 为管网内微生物生命活动提供了大量的食物, 在微生物生命活动过程中, 部分污染物得以降解。正是因为微生物的存在, 整个污水管网形成了一个巨大的厌氧微生物反应容器, 污水在输送过程中, 污染物得以部分去除。

三、污水输送过程中污水水质变化规律

传统观点认为, 污水管网在污水处理过程中仅起到污水输送的作用。然而越来越多的监测结果及实验研究表明, 污水管网在污水处理系统中有着了一定生化反应器的功能, 并且有很多研究结果均表明受物理、化学及微生物等各种因素的影响, 污水管网内水质会发生一定的变化。Chen等人的研究发现, 污水相中的微生物对污水输送过程中污染物的降解贡献率为40%, 沉淀相中的微生物贡献率为60%[5]。众多研究结果表明, 污水在输送过程中污水水质变化存在一定的规律。

(一) 污水输送过程中COD变化规律

污水管网内聚集了大量微生物, 污水在管网流动过程中发生一系列生化降解反应, 使得污水中有机物被降解, 加之大颗粒有机污染物在流动过程中发生沉降, 导致污水COD在管网流动过程中存在浓度下降的趋势。苏伟健等人研究结果表明, 污水在方渠和明渠短距离 (2km以内) 输送过程中, 污水中有机物降解较少, 降解百分比低于5%, 而输送距离为5km时, 降解比超过8%;其研究还表明, 污水管道中降解比远低于方渠和明渠, 说明污水中有机物的降解受DO影响。综上所述, 污水在污水管网输送过程中COD浓度总体呈下降趋势, 在污水管网输送过程中污水COD降解受溶解氧、温度及输送距离等因素的影响, 输送距离越远, COD降解量也越多。COD在污水输送过程中存在降解是导致城镇污水处理厂碳源不足的原因之一。

(二) 污水输送过程中BOD5的变化规律

在污水输送过程中, BOD5降解较为明显, 输送距离及输送时间越长, BOD5降解越多。由于污水管网内滋生大量高活性微生物组成的生物菌群, 污水中的BOD5在微生物的作用下得到去除, 部分大颗粒有机污染物则受重力作用, 发生沉降, 随之可生物降解的有机物被管网沉积物中的微生物利用, 而不可生物降解的大颗粒有机污染物则成为管网沉积物的一部分。BOD5在污水输送过程中去除率较高, 大大降低了污水处理厂进水可生化性, 降低了污水处理厂脱氮除磷效率, 往往需要投加外部碳源用于生产, 从而导致了污水处理厂运行成本升高, 得不偿失。

(三) 污水输送过程中氮污染物的变化规律

生活污水中氮污染物主要来源于尿液及粪便, 其主要存在形式分别为尿液和有机氮。在化粪池及管网中微生物作用下, 尿素及有机氮迅速水解转化氨氮, 故污水管网中氮污染物主要以氨氮为主。任武昂等在市政污水输送过程中, 对管网内污水氮污染物沿程分布进行监测, 监测结果表明, 污水中氨氮浓度沿程逐渐升高, TN有所降低, 氮污染物在污水输送过程中得到一定去除。引起污水中氮类污染物的变化主要原因为:含氮有机物在水解酶作用下, 转化成多肽和氨基酸等物质, 微生物将部分氨基酸进一步同化为细胞物质, 多余的多肽及氨基酸等物质进一步发生氨化作用, 转化为氨氮, 同时厌氧环境下的反硝化作用去除了部分TN。这一系列过程是导致污水氨氮上升而TN下降的原因。

(四) 污水输送过程中磷类污染物的变化规律

污水输送过程中, 磷类污染物的去除微乎其微。因为磷类污染物的去除主要通过聚磷菌在厌氧条件下释磷, 在好氧条件下吸磷完成, 而污水管网内长期处于厌氧环境, 磷类污染物的去除较为困难, 仅有少部分磷被用于微生物生命活动得以消耗。郝晓宇等人对TP在污水管道中的变化开展研究, 经污水管道输送后, TP浓度由7.34mg/L变为6.71mg/L, 其结果表明, 污水输送过程中磷类污染物得到少量去除。虽然在污水输送过程中, 磷类污染物未得到有效去除, 但在此过程中, 污水管网内微生物对磷类污染物还是有所作用。有研究结果显示, 磷类污染物在污水管网输送过程中, 管网内微生物群体在一定程度上改变了水中磷酸盐的组成。

四、小结

在污水输送过程中, 受物理、化学及微生物影响各污染物浓度均会发生一定的变化, 其中COD、BOD5、TN、磷酸盐浓度均存在不同程度的下降, 而氨氮则会出现略微升高的趋势。温度、氧含量、输送距离是微生物菌群在输送过程中去除各污染物的关键因素, 长距离、适宜的温度及氧环境更有利于污染物的去除。污水管道的管径、流速、坡度等设计参数则影响污水中颗粒状污染物的去除。虽然污水在输送过程能够去除一部分污染物质, 但是在去除的污染物中, 大多为有机污染物, 而氮磷等污染物的去除量则微乎其微, 生活污水主要去除难点就是氮磷的去除, 而这一部分最终还是得依靠污水处理厂来完成。有机污染物在管网内的消减导致污水处理厂进水C/N比、C/P比偏低, 往往需要投加外部碳源, 与减量化的初衷背道而驰。所以, 在设计新建污水管网及污水厂选址时, 考虑采取减少管网沉积量, 缩短输送距离的措施更加符合环保要求。同时, 在污水处理厂设计时, 考虑污水输送过程中污染物的变化情况, 这样设计出来的污水厂才更加实用, 不至于大材小用, 或者产能不足。

摘要：XX市XX县污水处理厂进水氨氮浓度偏高、COD浓度偏低, 为查明原因, 运营单位对XX县污水主管网进行了管网水质监测。监测结果表明, 管网内污水存在氨氮沿程升高、COD沿程降低的趋势。在查阅了相关资料后发现, 污水在输送过程中, 在物理、化学及微生物作用下污水中部分污染物浓度变化存在一定的变化规律。

关键词：城镇污水,污水输送,污水水质变化