城市污水处理厂进水水质波动对处理系统的影响研究

近年来，城市污水排放结构的变化使污水处理厂面临更加复杂的运行环境。尤其是工业废水间歇性排放、突发性雨水径流、合流制排水系统的广泛存在，以及居民生活污水排放规律的多样化，使得污水处理厂进水水质在污染物浓度、水量流速等方面呈现出不稳定性，严重影响了处理系统的运行效率与出水水质的稳定达标。水质波动不仅加剧了各处理单元的负荷波动，降低了生物系统的抗冲击能力，还可能导致污泥膨胀、微生物群落结构紊乱、出水超标等问题，增加了能耗与运行管理成本。深入研究污水处理厂进水水质波动的规律与影响机制，并探索有效的调控与优化措施，对于提升污水处理系统的整体运行水平和应对水环境管理新挑战具有重要意义。

一、城市污水处理厂进水水质波动特征分析

（一）进水水质波动的来源与类型

城市污水处理厂的进水水质波动主要来源于三个方面。首先，工业废水排入的间歇性与成分复杂性是重要因素。部分工业企业缺乏完善的预处理措施，或存在超标、偷排行为，导致COD、氨氮、重金属等污染物浓度在短时间内剧烈波动[1]。例如，纺织、化工、食品加工等行业排放的高浓度有机废水进入市政管网，会在早晚生产高峰期形成明显的水质冲击。其次，降雨径流对污水水质水量的影响不容忽视。尤其在合流制排水系统下，降雨初期径流夹带大量地表污染物，导致进水悬浮物（SS）、COD、氨氮等指标急剧升高，同时雨量增加又稀释部分污染物，形成复杂的双重影响。第三，居民生活污水的排放具有典型的日变化规律，早晚高峰期水量集中，污染物负荷相对较高，夜间水量减少，水质偏稀释，进一步加剧水质波动的周期性特征。

（二）进水水质波动的主要指标

污水处理厂进水水质波动体现在水量与污染物浓度的双重变化。以某北方城市污水处理厂监测数据为例，平日水量波动幅度达 20%～35% ，降雨期间峰值水量可超设计处理能力 1.5 倍以上 [2]。水质方面，CODcr 日平均波动范围一般在250 ～ 500 mg/L，高峰时可突破 800 mg/L；BOD₅ 集中在 120 ～ 250 mg/L，氨氮通常在20 ～45 mg/L 之间波动，暴雨期间氨氮浓度可短时下降至 10mg/L 以下，随后快速回升至正常水平。此外，总磷、总氮、悬浮物、pH 值等参数亦存在不规律波动，对后续处理工艺稳定性构成挑战。

二、进水水质波动对污水处理系统的影响

（一）对预处理单元的影响

城市污水处理厂的预处理单元，包括粗细格栅、沉砂池及部分初沉池，首要任务是去除大颗粒杂质、砂粒和漂浮物，减轻后续处理单元的负荷。然而，进水水质水量的波动对这些单元的运行稳定性构成了直接影响 [3]。水量突增情况下，格栅截留区流速加快，栅渣积累速度明显上升，常规的机械格栅容易因过量杂物堆积导致堵塞，设备磨损加剧，需缩短清理周期，部分老旧设施甚至面临功能性失效。同时，进水悬浮物（SS）或高浓度油脂类污染物骤增时，部分细小漂浮杂质难以有效截留，进入沉砂池甚至生物反应池，加重系统整体有机负荷，影响后续工艺效率。沉砂池方面，设计流速一般控制在 0. 3～( .6 m/s 范围内，以确保较大的无机颗粒顺利沉降。但水量短时间内大幅上升，水流速度超出设计标准，形成冲刷作用，导致砂粒、悬浮物携带进入后续单元，增加污泥处理压力，降低生物池的稳定性。若沉砂池未配套自动排砂系统，高强度运行期砂粒堆积加剧，需人工干预清理，提升了运行维护成本。

（二）对生物处理单元的影响

生物处理单元，尤其是普遍应用的活性污泥法系统，其对进水水质水量波动的适应能力有限。污染物负荷突变，尤其是 CODcr、氨氮短时浓度升高，会打破微生物的代谢平衡，导致优势菌群比例失调，部分耐污负荷能力差的微生物死亡，群落结构紊乱，丝状菌大量繁殖，最终引发污泥膨胀问题。膨胀污泥的絮体结构松散，沉降性能恶化，造成二沉池污泥上浮、跑泥、出水水质恶化等一系列连锁反应。氨氮浓度快速上升时，系统硝化细菌受胁迫，硝化反应速率下降，出水氨氮超标频发。同时，大幅水量波动影响水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）控制，若水量激增，微生物得不到充分停留，系统脱氮除磷反应效率下降；若水量骤减，系统处于低负荷运行，溶解氧（DO）过剩，能源浪费现象严重。以常用的 A²/0 工艺为例，正常运行时 C/N 比宜控制在 8～10 ，以保障反硝化过程稳定进行。但在工业废水排入或高有机负荷冲击下，CODcr 浓度骤升至 800 ～ 1000 mg/L，C/N比失衡，反硝化区环境恶化，溶解氧“穿透”至反硝化池，破坏厌氧区的微生物代谢条件，导致总氮去除效率下降。部分处理厂监测数据显示，在CODcr 高峰期，出水总氮最高可升至 22mg/L ，远高于标准（ .15mg/L) ），环境风险明显增加。

（三）对深度处理与出水水质的影响

深度处理单元，如常见的砂滤系统、超滤膜（UF）或反渗透（RO）系统，在保障出水水质方面发挥关键作用，但自身对进水水质的稳定性要求较高。短时间高强度污染物冲击，尤其是 SS、COD、总磷（TP）指标大幅波动，会直接影响深度处理单元的运行效率。膜处理系统对颗粒物、胶体物质极为敏感，高负荷时膜污染速率加剧，膜孔堵塞现象普遍，导致膜通量降低、跨膜压差（TMP）升高，需频繁化学清洗或更换膜组件，增加维护成本。以 MBR 系统为例，进水 SS 若超过 400 mg/L，膜污染速率提升约 30% ，反冲洗频次需由每日 2 次提高至 4 次，运行能耗与药剂消耗同步上升。絮凝沉淀系统中，水质水量波动易导致药剂投加系统调整滞后，絮凝效果不稳定，进而影响沉淀池出水 SS 与 TP 含量，导致整体出水指标波动。部分处理厂在应对突发高有机负荷或总磷超标时，需临时加大聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）等混凝剂、助凝剂投加量，短期内运行成本大幅增加，经济负担加重。

（四）经济与管理方面的影响

水质波动对污水处理厂经济与管理带来多重压力，首先体现在运行成本的非线性增长。药剂投加量随进水污染物浓度波动而频繁调整，尤其在高负荷冲击期间，碳源、混凝剂、除磷剂等药剂消耗显著增加。以某处理厂为例，平稳运行期间药剂年成本约为300 万元，水质波动严重年份，药剂成本最高上涨至460 万元，超出预算 50% 以上。污泥产量亦受水质波动影响显著。高有机负荷冲击下，污泥增长速率提升，含水率偏高，导致脱水、运输与处置成本同步上升。部分厂区因污泥处理能力受限，需外运至第三方处置单位，单位成本显著高于内部处理。此外，水质水量波动使设备频繁启停、超负荷运行，缩短了设备使用寿命，增加了日常维护与紧急检修需求，整体管理难度加剧。运行人员需实时监控水质变化，增加巡检、应急响应频次，劳动强度与人员配置压力同步上升，影响系统长期稳定性与管理效率。

三、应对进水水质波动的优化措施与技术建议

（一）源头控制与预警机制建设

针对工业废水对市政污水系统的冲击，必须严格落实企业废水预处理设施的设计、建设与运行标准，确保重金属、有毒有害物质、难降解有机物在进入市政管网前已充分去除。对于重点工业园区，建议分区设置独立的污水调节池或预处理站，采用物化、生化联合工艺，控制 COD、氨氮、重金属含量，防止大范围水质波动传导至主干污水系统。同时，推动“排水许可”制度信息化管理，结合在线监测系统，实时掌握重点企业排水水质、水量数据，实现超标自动报警与溯源追责 [4]。针对雨水径流影响，建议优先实施雨污分流改造，解决合流制排水系统下初期雨水污染物对污水厂的冲击。短期内，可通过建设雨水调蓄池、初期雨水截流设施，利用智能阀门控制系统，分阶段引流、调蓄与处理，降低强降雨期间水质恶化风险。此外，污水处理厂需建设完善的在线水质水量监控系统，重点布设COD、氨氮、总磷、流量等参数监测点，结合物联网技术与数据云平台，构建“水质- 水量- 报警- 联动”闭环控制体系，实现进水水质波动的实时感知与动态响应。

（二）处理工艺的优化与适应性提升

针对水质水量波动，工艺系统的弹性设计与灵活运行是提升整体稳定性的关键。首先，应根据水质波动幅度合理配置调节池，容量一般不低于设计日处理水量的 10%～20% ，具备缓冲水量高峰、均化污染物浓度的功能 [5]。调节池内可加装机械搅拌与曝气系统，防止水质分层及污染物沉积。生物处理工艺方面，A²/O工艺可通过动态调节内回流比、碳源（如乙酸钠、葡萄糖）投加策略，稳定反硝化区的碳氮平衡，提升总氮去除效率。SBR 工艺因具备灵活的进水、反应、沉淀、排水周期调整功能，适用于高波动性进水环境，常规设计下，每周期可灵活调整4 ～6 小时。MBR 工艺结合膜分离技术，有效隔离悬浮物、微生物及部分有机物，保障出水 SS 低于 5 mg/L，CODcr 小于 50 mg/L，特别适合水质波动频繁、出水水质要求高的城市污水项目。自动化控制系统方面，应全面集成 DO、pH、ORP、MLSS、温度、流量等多参数在线监测设备，配合智能 PLC 控制单元，根据实时水质数据自动调整曝气量、回流比、药剂投加量，确保系统运行状态的稳定与高效。

（三）运行管理策略的改进

提升人员专业技能与管理水平是系统稳定运行的保障。污水厂应定期组织水质分析、故障应急、事故处置等专项培训，提升操作人员对突发水质波动的响应能力，形成完整的应急预案与多级响应机制，确保水质异常期间工艺调整、设备调度、药剂补充等措施有序执行。

针对药剂投加管理，需根据水质波动规律建立动态投加模型，结合水质预测与实时监测数据，自动优化碳源、混凝剂、除磷剂等药剂用量，既确保处理效果，又有效控制运行成本。污泥管理方面，应根据污泥浓度（MLSS）、污泥龄（SRT）动态调整排泥、脱水计划，避免高水质冲击下污泥系统超负荷，推荐采用带式压滤、板框压滤等高效脱水设备，配合污泥调理药剂，提升脱水效率，降低含水率。鼓励推广污泥厌氧消化、污泥焚烧、建材利用等资源化途径，实现污泥减量化、稳定化、无害化、资源化。

（四）典型案例与工程实践效果

以某大型城市污水处理厂为例，设计规模20 万m³/d，原工艺采用传统 A²/0 流程，受工业废水波动与季节性强降雨影响，进水水质 CODcr 高峰值曾突破 1000mg/L，氨氮波动幅度达50% 以上，出水水质波动严重。

针对上述问题，该厂实施多项综合技术改造措施：首先，新增10,000 m³ 调节池，配备自动搅拌与曝气系统，显著缓冲水量与水质波动；其次，扩容生物反应池并改造为MBR 工艺，总膜面积提升至15,000 m²，确保出水稳定达标；同时，建设全厂在线监测平台，部署 12 个水质水量监测点，实时掌握 CODcr、氨氮、总磷、SS 等关键指标；配套智能化药剂投加系统，结合水质数据自动调整碳源与混凝剂用量，避免人为滞后操作。

运行数据显示，系统改造后进水 CODcr 高峰值下降 20% ，氨氮波动幅度降低至 25% 以内，出水 CODcr、NH₃-N、TP 稳定保持在一级 A 标准以下，污泥产量下降15%，脱水后含水率降低至 75% ，整体能耗下降 8%，有效提升了系统稳定性、经济性与环境效益，成为典型的污水厂韧性提升示范工程。

总结：城市污水处理厂进水水质波动已成为影响处理系统稳定性与出水达标率的重要因素。水质水量的不规律变化对预处理、生物处理及深度处理各环节均带来不同程度的冲击，表现为设备负荷加剧、微生物系统紊乱、出水水质波动及运行成本上升等问题。通过源头控制、工艺优化与智能管理相结合，可有效缓解水质波动对系统运行的不利影响。尤其是调节池、生物工艺适应性提升、在线监测与自动控制系统的综合应用，显著增强了处理系统的稳定性与韧性。未来，需加强水质监测技术创新与智慧化运营水平，推动污水处理厂朝着高效、稳定、低耗方向发展，全面提升城市污水处理能力与水环境保障水平。

参考文献

[1] 曾旭 , 王荣昌 , 马翠香 , 等 . 工业生活混合污水处理厂的进水变化特征 [J].净水技术 ,2020,39(05):75- 79+115.

[2] 崔韵唯 . 城市污水处理厂污水有机组分化学多样性演替的微生物机制研究 [D]. 广西大学 ,2024.002777.

[3] 王湘 , 徐菡玲 , 陈积义 , 等 . 南方城市污水处理厂低浓度进水水质特征分析 [J]. 中国给水排水 ,2024,40(15):101- 107.

[4] 王凯 , 刘广兵 , 岳强 , 等 . 不同降雨规模对城镇污水处理厂进水水质水量影响分析 [J]. 给水排水 ,2024,60(08):57- 63.

[5] 陈琰 . 城市污水处理厂进水水质分析及 MBR 膜生物处理工艺研究 [J]. 化学工程师 ,2024,38(01):38- 41.