基于特征因子的食品工業廢水排放追蹤方法

　　摘要：針對雨水管網中工業廢水接入導致的混接污染排放，以及污水管網中工業廢水突發的非正常排放沖擊問題，選擇我國典型農副食品加工及食品制造企業，通過對企業排放廢水中候選水質特征因子的穩定性及顯著性分析，得出鉀、鈉、氯化物等無機鹽對食品行業廢水具有較普遍的表征性，且與電導率具有良好的相關性，為廢水排放實時監控提供了可行性.在此基礎上，給出了識別食品行業廢水排放的無機鹽質量濃度和電導率參照值，提出了基于節點水質監測的雨污水管網中工業廢水排放追蹤定位方法.

　　關鍵詞：工業廢水,水質特征因子,污染追蹤,參照質量濃度,電導率

　　當前，我國城市雨污水管網系統的運行管理面臨著兩大問題：一是雨水管網中的污水混接問題，污水經由雨水管道直排河道，造成城區河道嚴重污染[1-3];二是污水處理廠受廢水沖擊性排放污染問題，造成污水廠運行效率降低甚至無法正常運行[4].上述兩種情形都與工業廢水接入有關，具體表現在：一，經處理或者未經處理的工業廢水混接排入雨水管網;二，未經處理的高濃度工業廢水短時間內集中排入污水收集管網，造成污水廠進水濃度超出設計值.為了解決這一問題，需要建立工業廢水排放的追蹤方法.混接或者突發性的工業廢水排放識別與追蹤，其前提是找到表征該種污染排放類型的水質特征因子.

　　美國環保局在1993年、2004年等發布的雨水管網混接調查與改造技術指南等技術文件中，提出了基于水質特征因子對生活和工業污染源不恰當接入雨水管網進行診斷的技術方法[5-6].

　　近年來，對地表水體、地下水和雨水管網中生活污染來源進行識別的水質特征因子研究已有較多報道，如采用人工甜味劑、總氮、類菌體、藥物和化妝類化學品、同位素、固醇等生活污染來源進行識別[7-17]，以及采用表面活性劑、熒光增白劑、硼、茶氨酸等對生活、商業等灰水排放進行表征等[16-19].

　　但是對工業廢水排放進行識別的研究則不多見.美國環保局在1993年的技術指南中給出了表征不同行業工業廢水排放的水質特征因子，但是沒給出對應特征因子的質量濃度范圍及其與生活污水相比的參照值[5].在2004年發布的技術指南中，雖然給出了表征工業廢水排放的參照值，包括氨氮、電導率、硬度、pH、鉀、濁度等的參照值，但是總體上是一個原則性的數據，沒有明確到具體的工業企業行業門類[6].

　　尹海龍等[20]針對電子類企業工業廢水排放，提出了將氟化物等作為電子類企業廢水的水質特征因子，在上海市中心城區某排水系統的混接調查中得到了有效應用，但是沒有涉及管網中工業廢水突發性排放的動態溯源監控問題.

　　目前在我國一些經濟發達的地區，工業企業眾多，城區或者鎮區內呈現工業污染和生活污染排放復合排放的特點，污水管網受到工業廢水潛在沖擊的風險較大，雨污混接問題也較突出.針對各種典型的行業類型，有必要分別識別其污染排放的特征因子并加強動態監控.根據前期調研，作者發現食品工業是城區內普遍存在的一種行業類型，為此以食品工業廢水排放為例，在識別其主要特征因子的基礎上，開展排水管網中工業廢水排放追蹤方法研究.

　　1研究方法

　　1.1研究對象的選擇

　　本文在我國南方地區兩個城市，針對食品加工與制造業的6個子行業類型，選擇了10家排水量較大且具有典型代表性的工業企業進行監測.

　　1.2水質特征因子選擇基本原則

　　理想的水質特征因子需滿足三個條件：①與其他混接水源指標質量濃度存在顯著性差異;②性質穩定，基本不發生物理、化學及生物反應;③靈敏度高，易于檢測[20].對于水質特征因子的保守性分析，國內外相關研究多采用對比污水處理設施進出水前后污染物質量濃度變化，認為去除率較低的物質其保守性較好[21-23].本研究引入Ri量化表征污染物質量濃度穩定性.

　　1.3采樣方法

　　1.3.1工業企業采樣

　　第一階段針對企業1～企業5，在各企業處理設施的進水口和出水口各采集10個水樣，08：0018：00間每小時采樣一次，每次采集1.5L水樣.在第一階段采樣的基礎上，考慮到采樣的企業排水量較大且生產工藝流程穩定，第二階段針對企業6～企業10，在每家企業采集8個水樣(進出水各4個)，每小時采樣一次，每次采集1.5L水樣.

　　1.3.2生活污水采樣

　　為了分析工業廢水指標的顯著性，在某生活小區采集了生活污水水樣.該居住小區為20世紀70年代建設的小區，小區內有一根黑水管和一根灰水管，分別接納廁所馬桶沖洗水和其他生活污水(洗衣、洗浴和廚房混合污水).在小區黑水和灰水管道的出口處，分別持續采樣48h，每3h取樣一次，每個樣品1.5L，總計采集16個黑水水樣和灰水水樣.

　　1.4水質監測指標

　　農副食品加工和制造業廢水主要來自原料清洗、工藝制造等過程.通過對食品行業不同中類生產過程中所用原料及其生產工藝過程的了解與分析[28]，確定食品行業廢水的候選水質特征因子包括氨氮、總氮、油脂、鈉、鉀、氯化物、蛋白質、總糖、淀粉等9項.此外，考慮到在線監控的可行性，針對第二階段監測的企業6～企業10以及生活污水水樣，進一步增加了電導率的監測.上述候選指標中，油脂、氯化物、氨氮、總氮、鉀、鈉、電導率的分析方法參考相關行業標準，其余指標分析方法參照相關文獻。

　　2結果與討論

　　2.1水質特征因子的篩選與確定

　　2.1.1穩定性分析

　　各監測企業處理設施進水口和排放口水質質量，其中直線Ri=0.7表示判斷水質指標穩定性的基準線.鈉、鉀、氯化物是保守性的水質指標，其Ri值基本均高于0.7，是潛在的食品行業水質特征因子.而氨氮、蛋白質、還原糖、淀粉、油脂等指標，總體去除率明顯大于30%，不適合作為水質特征因子.

　　2.1.2顯著性分析

　　對上述滿足穩定性條件的指標再進行顯著性分析，各指標在工業企業處理設施排放口和生活污水中水質質量濃度對比.鉀、鈉離子是最為顯著性的水質特征指標.由于豆制品制作原料中富含鉀離子，原料清洗及制作工藝廢水中鉀含量通常較高，故其在植物油加工、焙烤食品制造(膨化)、豆制品加工及乳制品制造4個行業中類廢水中的Rs值均超過10，具有較為普遍的適用性.水產品加工廢水主要來自于水產品加工過程中的原料解凍及清洗工序，具有鈉離子含量高的特點[32].

　　大多數食品工業企業生產過程中使用食鹽等調味品，故排放廢水中鈉離子含量高.因此，鈉離子在水產品加工、焙烤食品制造(膨化)、豆制品加工3個行業中類廢水中的Rs值均超過7.

　　氯化物是僅次于鈉、鉀離子的顯著性指標，食品行業中氯化物主要來源于海產品的含鹽量及食用鹽的使用，其在水產品加工、焙烤食品制造(膨化)及豆制品加工業中具有顯著的指示性.考慮到市政管網中輸送的生活污水中灰水比例大約為70%～75%[33]，則鉀、鈉及氯化物與生活污水之間的顯著性差異性將更加明顯.

　　2.1.3在線監測的可行性分析

　　電導率是一種可以快速實時監測的指標，且相對與其他指標的在線監測，具有成本低廉和維護簡單的特點，便于大范圍推廣應用.針對測定的生活污水和食品行業廢水中無機鹽(鉀、鈉、氯化物)質量濃度與電導率之間進行相關性分析.綜上，綜合候選水質特征因子穩定性及顯著性分析.

　　氯化物和鉀離子與電導率的相關性相對最為顯著，相關系數分別達到0.85和0.81.鈉離子與電導率間的相關性雖低于氯化物和鉀離子，但總體上也具有較好的表征性;當電導率數據出現異常時，也能夠反映工業廢水排放量的突然變化.因此，從監控工業廢水突發性排放的角度，基于電導率間接表征食品行業廢水排放具有可行性.如污水管網中出現食品行業廢水大量接入時，相應污水電導率值也隨之增大，且波動性增強.依此可以借助電導率在線監測及時反饋，實現溯源追蹤.

　　2.1.4工業廢水接入的基準值判定

　　綜上，綜合候選水質特征因子穩定性及顯著性分析，如前所述，隨著城市化和工業化進程的發展，城區內呈現工業污染和生活污染排放復合排放的特點.對所篩選的水質特征因子指標，生活污水中黑水的質量濃度值均高于灰水的質量濃度值，與食品或者添加劑中含有上述物質有關.其中瞬時值按照生活污水中的黑水質量濃度最高值確定;平均值按照居住小區生活污水出水質量濃度的均值確定，黑水與灰水的比例分別按照30%和70%估算.

　　2.2雨污水管網中工業廢水接入的溯源追蹤

　　采用管網節點水質特征因子質量濃度監測，對雨污水管網中工業廢水接入進行溯源追蹤.原則上，臨近的上下游節點特征因子質量濃度值升高且高于工業廢水接入質量濃度均值時，該區域存在工業廢水接入.

　　3結論與建議

　　(1)以城區內較為普遍存在的食品類工業企業為例，總體上鉀、鈉、氯化物等3種無機鹽指標是普適性的用于表征食品工業廢水接入的特征指標.

　　(2)相對生活污水而言，表征食品工業廢水接入的特征因子瞬時質量濃度參照值為：ρ(鉀)≥60mg·L-1、ρ(鈉)≥70mg·L-1、ρ(氯化物)≥240mg·L-1;日平均質量濃度參照值為：ρ(鉀)≥30mg·L-1、ρ(鈉)≥45mg·L-1、ρ(氯化物)≥110mg·L-1.由此，可根據上述參照值，基于節點水質監測對雨水管網中食品類工業廢水混接進行診斷溯源.

　　(3)電導率與鉀、鈉、氯化物等3種無機鹽指標具有良好的相關性.當電導率的瞬時值大于2000μS·cm-1時，指示有工業廢水接入.因此從污水管網中食品工業廢水突發排放監控或者水量動態波動的角度，采用電導率進行實時動態監控是可行的，這為基于智慧水務對污水管網中工業廢水排放有效監管提供了一種技術方法.

　　(4)后續研究中將對城區內較為普遍存在的其他工業行業類型包括醫藥、紡織、電子等行業進一步開展監測，分析表征不同行業工業企業的水質特征因子指標，尤其是無機離子指標及其與電導率的相關性，從而更好地對雨污水管網中工業廢水混接排放或者突發排放問題進行有效監管.

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　　建筑類刊物推薦：《中國給水排水》(半月刊)創刊于1985年，由中國市政工程華北設計研究院、國家城市給水排水工程技術研究中心主辦。獲獎情況：全國建筑科學類中文核心期刊;中國科技論文統計源期刊;全國優秀期刊;華北地區“十佳”優秀期刊,建設部優秀期刊。

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