城镇居住小区人均污水污染物产生量测算方法与应用

刘战广

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

2019年4月，住房和城乡建设部等三部委印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案》(2019—2021年)，提出城市生活污水集中收集效能显著提高的目标。城镇居民人均生活污水污染物产生量是生活污水处理工程设计的重要参数，也是计算城镇生活污水集中收集率、评估污水系统效能的重要基础数据[1-4]。国内相关规范标准引用的人均日生活污水污染物产生量数据多借鉴国外经验值，同时，国内现有研究得到的结果往往低于相关规范标准的数据，难以准确表征我国城镇居民生活污水污染物产生和排放情况[5]。

本文以居住小区出水总排口为研究对象，在污水收集设施相对完善、工业废水比例较小的城市排水系统服务范围内，根据污水收集设施建设情况、居住人口、入住年限等因素研究居住小区的选取原则和方法，建立居住小区生活污水水质采样检测、流量测量、用水量调查、数据分析的系统方法。并针对上海某城市污水处理厂排水系统开展应用研究，分析居住小区生活污水污染物产生规律，为城镇居民人均生活污水污染物产生量的测算和研究提供参考。

1 测算方法

1.1 居住小区选择

在城市建成区范围内选取典型生活小区。所选小区应为普通住宅，不含别墅区，实际居住人口应超过1 000人或住户超过400户，入住率在70%以上。所选小区应为分流制系统，不存在雨污混接现象(阳台洗涤废水未混接进入雨水管)。应有统一的集中排放总管，或其中一个出水口排放量超过小区生活污水总排放量的80%，便于采样和监测。

1.2 水质采样检测

根据选择的居住小区监测点，在春季(或秋季)、夏季和冬季分别进行1～2次连续的水质采样和流量测量，每次连续监测5～7 d，其中包含周末。在采样日，两位采样人员每天分别在采样时间段(6∶00—24∶00)，每隔2～4 h取1次样品。采集样品均为小区集中排口处窨井内监测口流动的水样，每次取样量为500 mL。完成全天采样后，将水样混合均匀，检测COD、BOD5、NH3-N、TN、TP等指标。小区如设有化粪池，选测一座化粪池测量进、出水水质，水质采样方法与小区集中排口处相同。

1.3 流量测量方法

尽量采用在线监测获取小区总排口污水量，条件不允许时，可通过用水量调查间接获取小区人均污水量数据。流量测量建议使用多普勒超声波流量计等在线监测仪表，但应注意水深较浅、流速较小、管道底泥及水中杂质等干扰因素的影响[6-8]。

1.4 用水量调查方法

当不具备流量测量条件时，可通过调查小区用水量，结合污水排放系数估算污水量。如无法获取小区用水量数据，可在小区选取部分典型住户进行自来水表读数获取人均用水量数据。所选住户包括一代人1～2人居住、两代人3人居住、三代人4～5人居住等几类，每类住户不少于2户。在采样期间，间隔24 h读取所选住户自来水表，并记录下读数期间在家的人口数。同时间隔24 h读取小区总水表的读数，并询问明确所读取的用水量中是否包括绿化用水，应扣除绿化等非居民生活用水量。

1.5 数据分析方法

根据监测数据计算出每个小区在春季(或秋季)、夏季和冬季的人均污染物当量，按照季节权重计算出该小区1年人均污染物产生量。其中，春季(或秋季)的权重为2，夏季和冬季的权重为1。

Fe=Qw×Ce

(1)

F=(2F春/秋+F夏+F冬)/4

(2)

其中：Fe——单季人均污染物产生量，g/(人·d)；

Qw——人均污水量，L/(人·d)；

Ce——污染物平均浓度，g/L；

F——全年人均污染物产生量平均值，g/(人·d)。

根据监测得到的每个小区的生活污水人均污染物产生量，可进行城市监测点数据加权平均计算，得到城市生活污水人均污染物产生当量。

2 案例研究

2.1 居住小区选择

结合某城市污水处理厂排水系统，对某城市典型居住小区人均污染物产生量开展调研。由于时间及经费限制，本研究仅在夏季进行连续一周的水质采样分析，对测算方法进行了验证。由于不同地区、不同小区、不同季节的用水量、污水水质等波动较大[9]，小区或城镇尺度的人均水污染物产生量测算应覆盖不同季节，并适当增加监测频次，使测算结果更具代表性。该污水处理厂设计处理规模为2万m3/d，服务范围内以居住小区为主，主要包括上世纪90年代建设的大型居住小区及部分2000年以后兴建的居住小区。该排水系统为分流制，周边建有3个强排模式的分流制雨水排水系统及1个分流制缓冲自排模式的雨水排水系统。综合考虑小区规模、所处位置、建设年代及现场监测条件等因素，选取A、B等两个普通住宅小区作为研究对象，如图1所示。其中，小区A建于2003年，总户数1 024户，居住人口3 048人。小区B建于1995年，总户数1 800户，居住人口5 312人。两个小区的入住率均在80%以上。居住人口为居委会统计数据，小区居委会每两年对小区内实际居住人口进行一次核查，包括户口人员和租住人员。两个小区均接近污水处理厂，通过排放总管集中排水，无化粪池。

图1 居住小区位置示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Studied Residential Quarters

2.2 污水水质分析

针对小区A和B同时进行连续一周的采样监测，取样位置为小区总排口，每天完成采样后，取全天的混合样测定水质，结果如表1和图2(周一—周日)所示。

表1 小区污水水质Tab.1 Residential Wastewater Quality

由表1和图2可知，由于两个小区无化粪池，生活污水的水质波动范围较大。小区A污水各指标最大值与最小值的比例可达1.99～3.44倍，小区B污水各指标最大值与最小值的比例可达1.62～6.28倍。相较TN和TP，污水COD、BOD5、NH3-N最大值与最小值的比例更大。由图2可知，污染物浓度的变化规律相似，即周末污染物浓度高，工作日污染物浓度较低。小区A污水COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的最小值均出现在周四，除TP外其他指标的最大值均出现在周末。小区B也有类似规律，最大值基本在周五—周日，最小值基本在周三和周四。这可能与居民周末在家用餐率较高、洗涤剂使用量较大等因素有关，表明小区人均生活污水污染物产生量的监测应同时包含工作日和周末。

图2 小区污水CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP的变化规律Fig.2 Values of CODCr, BOD5, NH3-N, TN and TP in Residential Wastewater

图2标出了第二次全国污染源普查《生活污染源产排污系数手册(试用版)》中对应地区城镇生活源水污染物产污校核系数的上限值、平均值和下限值。由图2中可知，小区A污水COD、BOD5、TP的监测平均值低于产污校核系数的平均值，但均高于其下限值，NH3-N和TN的监测平均值与产污校核系数平均值相当。小区B污水的COD、BOD5监测平均值显著高于产污校核系数的上限值，这与周五—周日COD、BOD5的日均监测值异常偏高有关。周一—周四小区B污水的悬浮物、COD、BOD5平均值分别为135、360、154 mg/L，周五—周日的平均值则分别为427、1 125、480 mg/L。因此，周五—周日小区B污水的COD、BOD5浓度显著上升可能是受样品中悬浮物浓度较高的影响。小区B污水的NH3-N、TN、TP监测平均值高于产污校核系数的平均值，但均低于其上限值。

如果小区内部排水系统存在雨污混接现象，可能导致生活污水水质受到降雨影响。本次小区生活污水取样期间周边2个雨量站记录的平均降雨量如图3所示，由图3中可知，采样期间周四、周六和周日该区域有降雨，其中周六的降雨量达到(20.0±6.7) mm。尽管如此，两个小区周六的生活污水水质均相对较浓，表明小区内部雨污混接可能较少。

图3 采样期间的降雨量分布情况Fig.3 Rainfall Distribution during Sampling Period

两个小区的位置均接近污水处理厂，如图4所示，污水处理厂同期进水的COD、BOD5、NH3-N、TN平均值分别为(452±195)、(297±123)、(46.9±11.5)、(57.1±10.0) mg/L，为典型的城镇生活污水水质浓度。其中，BOD5、NH3-N、TN均高于第二次全国污染源普查对应生活源产污校核系数的上限值。该污水处理厂排水系统服务范围内以居住小区为主，其中，大部分小区的建设年代为上世纪90年代，与小区B相近。两个小区官方统计的户均人口均为3人，但建设年代较早的小区B家庭老人占比较高，老人较多的家庭用餐率更高、用水量较小，可能导致污水污染物浓度更高[10]。

图4 污水处理厂进水污染物浓度Fig.4 Influent Pollutant Concentration of Wastewater Treatment Plant

2.3 人均污染物产生量估算

根据小区的用水量和污水排放系数估算污水量。由于居住小区为双月抄表，采用供水部门提供的监测前后4个月的用水量数据和小区居委会统计的居住人口进行初步估算，结果如表2所示。小区A的人均用水量可达到上海市节水型小区评价标准，即135.0 L/(人·d)，小区B的人均用水量偏低，仅为小区A的66%，可能与家庭经济水平、年龄结构、节水意识等相关[11]。污水排放系数取0.85时，计算小区A和B的人均污水量分别为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中的污染物平均浓度，按照式(1)计算人均污染物产生量，结果如表3所示。与室外排水设计规范中的设计水质相比，表3中居住小区人均污染物产生量偏低，其中小区A的BOD5、TN、TP人均产生量较室外排水规范下限值分别低48.1%、18.1%、47.7%，小区B的BOD5、TN、TP人均产生量较室外排水规范下限值分别低11.2%、38.5%、41.8%。有研究表明，居民用水量与污染物排放系数呈正相关关系，即用水量较大时，人均污染物排放量也越高[5]。由于用水量、污染物浓度等受经济条件、生活习惯、文化程度、年龄结构等因素差异的影响，尽管小区A用水量较小区B大，但人均污染物产生量较低。同时，本研究中的小区人均用水量采用供水部门提供的小区用水量数据和居委会人口普查数据计算得到，尽管基础数据相对准确，但由于居民生活规律不同、人员流动特征复杂，难以精准定量小区居民全天24 h产生的所有污水污染物。因此，直接采用居住人口计算人均数据时，由于居民在上班、上学、临时外出等情况下的用水量及污染物产生量未计算在内，会导致人均用水量和人均污染物产生量偏低。常州市某居民楼宇的研究采用安装人员出入监控系统计算调查时间段内的排污人口当量，得到检测日居民生活污水人均日排放量为216.0 L/(人·d)，上海市居民生活用水定额通用值为200.9 L/(人·d)，均高于本文研究结果[12]。

表2 小区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 小区人均污染物产生量Tab.3 Daily Domestic Wastewater Pollutant Production Per Capita of Urban Residents

3 结论

(1)提出了城镇居住小区人均污染物产生量的测算方法，包括居住小区选择、水质采样检测、流量测量、用水量调查、数据分析等。

(2)对某城市污水处理厂排水系统服务范围内两个无化粪池的居住小区A和B连续一周的监测分析。结果表明，小区生活污水的水质波动范围较大，周末污染物浓度较工作日高。具有代表性的小区B总排口污水的CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP平均值分别为687、294、32.6、40.7、5.42 mg/L。小区B未设化粪池，且紧邻污水处理厂，其生活污水水质与污水处理厂进水水质较为接近。设有化粪池的小区，居民生活污水经化粪池处理后，悬浮物、COD、BOD5等指标会有所下降。此外，生活污水污染物在输送过程中可能发生部分衰减。因此，小区排口水质监测结果一般不能直接代表污水处理厂的进水水质。

(3)根据小区用水量数据和人口普查数据计算小区B的人均用水量为88.8 L/(人·d)，污水排放系数取0.85时小区B的人均CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP产生量平均值分别为51.90、22.18、2.46、3.07、0.41 g/(人·d)，低于室外排水设计规范中城镇污水的设计水质。

(4)供水部门提供的小区用水量数据与用于计算的排污人口当量数据不匹配导致人均用水量和污水量数据偏低可能是人均污染物产生量偏低的主要原因，后续研究采用流量测量、入户调查等方式获取尽可能准确的人均污水量和人均污染物产生量，可为国内城镇居住小区人均污染物产生量的测算提供参考。此外，室外排水设计规范中的人均污染物产生量数据是在大范围统计分析的结果，扩大调查范围以获取更多的数据可进一步减小误差。