基于特征因子的食品工業(yè)廢水排放追蹤方法

　　摘要：針對(duì)雨水管網(wǎng)中工業(yè)廢水接入導(dǎo)致的混接污染排放，以及污水管網(wǎng)中工業(yè)廢水突發(fā)的非正常排放沖擊問(wèn)題，選擇我國(guó)典型農(nóng)副食品加工及食品制造企業(yè)，通過(guò)對(duì)企業(yè)排放廢水中候選水質(zhì)特征因子的穩(wěn)定性及顯著性分析，得出鉀、鈉、氯化物等無(wú)機(jī)鹽對(duì)食品行業(yè)廢水具有較普遍的表征性，且與電導(dǎo)率具有良好的相關(guān)性，為廢水排放實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了可行性.在此基礎(chǔ)上，給出了識(shí)別食品行業(yè)廢水排放的無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量濃度和電導(dǎo)率參照值，提出了基于節(jié)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的雨污水管網(wǎng)中工業(yè)廢水排放追蹤定位方法.

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)廢水,水質(zhì)特征因子,污染追蹤,參照質(zhì)量濃度,電導(dǎo)率

　　當(dāng)前，我國(guó)城市雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理面臨著兩大問(wèn)題：一是雨水管網(wǎng)中的污水混接問(wèn)題，污水經(jīng)由雨水管道直排河道，造成城區(qū)河道嚴(yán)重污染[1-3];二是污水處理廠受廢水沖擊性排放污染問(wèn)題，造成污水廠運(yùn)行效率降低甚至無(wú)法正常運(yùn)行[4].上述兩種情形都與工業(yè)廢水接入有關(guān)，具體表現(xiàn)在：一，經(jīng)處理或者未經(jīng)處理的工業(yè)廢水混接排入雨水管網(wǎng);二，未經(jīng)處理的高濃度工業(yè)廢水短時(shí)間內(nèi)集中排入污水收集管網(wǎng)，造成污水廠進(jìn)水濃度超出設(shè)計(jì)值.為了解決這一問(wèn)題，需要建立工業(yè)廢水排放的追蹤方法.混接或者突發(fā)性的工業(yè)廢水排放識(shí)別與追蹤，其前提是找到表征該種污染排放類型的水質(zhì)特征因子.

　　美國(guó)環(huán)保局在1993年、2004年等發(fā)布的雨水管網(wǎng)混接調(diào)查與改造技術(shù)指南等技術(shù)文件中，提出了基于水質(zhì)特征因子對(duì)生活和工業(yè)污染源不恰當(dāng)接入雨水管網(wǎng)進(jìn)行診斷的技術(shù)方法[5-6].

　　近年來(lái)，對(duì)地表水體、地下水和雨水管網(wǎng)中生活污染來(lái)源進(jìn)行識(shí)別的水質(zhì)特征因子研究已有較多報(bào)道，如采用人工甜味劑、總氮、類菌體、藥物和化妝類化學(xué)品、同位素、固醇等生活污染來(lái)源進(jìn)行識(shí)別[7-17]，以及采用表面活性劑、熒光增白劑、硼、茶氨酸等對(duì)生活、商業(yè)等灰水排放進(jìn)行表征等[16-19].

　　但是對(duì)工業(yè)廢水排放進(jìn)行識(shí)別的研究則不多見(jiàn).美國(guó)環(huán)保局在1993年的技術(shù)指南中給出了表征不同行業(yè)工業(yè)廢水排放的水質(zhì)特征因子，但是沒(méi)給出對(duì)應(yīng)特征因子的質(zhì)量濃度范圍及其與生活污水相比的參照值[5].在2004年發(fā)布的技術(shù)指南中，雖然給出了表征工業(yè)廢水排放的參照值，包括氨氮、電導(dǎo)率、硬度、pH、鉀、濁度等的參照值，但是總體上是一個(gè)原則性的數(shù)據(jù)，沒(méi)有明確到具體的工業(yè)企業(yè)行業(yè)門類[6].

　　尹海龍等[20]針對(duì)電子類企業(yè)工業(yè)廢水排放，提出了將氟化物等作為電子類企業(yè)廢水的水質(zhì)特征因子，在上海市中心城區(qū)某排水系統(tǒng)的混接調(diào)查中得到了有效應(yīng)用，但是沒(méi)有涉及管網(wǎng)中工業(yè)廢水突發(fā)性排放的動(dòng)態(tài)溯源監(jiān)控問(wèn)題.

　　目前在我國(guó)一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，工業(yè)企業(yè)眾多，城區(qū)或者鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)工業(yè)污染和生活污染排放復(fù)合排放的特點(diǎn)，污水管網(wǎng)受到工業(yè)廢水潛在沖擊的風(fēng)險(xiǎn)較大，雨污混接問(wèn)題也較突出.針對(duì)各種典型的行業(yè)類型，有必要分別識(shí)別其污染排放的特征因子并加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控.根據(jù)前期調(diào)研，作者發(fā)現(xiàn)食品工業(yè)是城區(qū)內(nèi)普遍存在的一種行業(yè)類型，為此以食品工業(yè)廢水排放為例，在識(shí)別其主要特征因子的基礎(chǔ)上，開(kāi)展排水管網(wǎng)中工業(yè)廢水排放追蹤方法研究.

　　1研究方法

　　1.1研究對(duì)象的選擇

　　本文在我國(guó)南方地區(qū)兩個(gè)城市，針對(duì)食品加工與制造業(yè)的6個(gè)子行業(yè)類型，選擇了10家排水量較大且具有典型代表性的工業(yè)企業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

　　1.2水質(zhì)特征因子選擇基本原則

　　理想的水質(zhì)特征因子需滿足三個(gè)條件：①與其他混接水源指標(biāo)質(zhì)量濃度存在顯著性差異;②性質(zhì)穩(wěn)定，基本不發(fā)生物理、化學(xué)及生物反應(yīng);③靈敏度高，易于檢測(cè)[20].對(duì)于水質(zhì)特征因子的保守性分析，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究多采用對(duì)比污水處理設(shè)施進(jìn)出水前后污染物質(zhì)量濃度變化，認(rèn)為去除率較低的物質(zhì)其保守性較好[21-23].本研究引入Ri量化表征污染物質(zhì)量濃度穩(wěn)定性.

　　1.3采樣方法

　　1.3.1工業(yè)企業(yè)采樣

　　第一階段針對(duì)企業(yè)1～企業(yè)5，在各企業(yè)處理設(shè)施的進(jìn)水口和出水口各采集10個(gè)水樣，08：0018：00間每小時(shí)采樣一次，每次采集1.5L水樣.在第一階段采樣的基礎(chǔ)上，考慮到采樣的企業(yè)排水量較大且生產(chǎn)工藝流程穩(wěn)定，第二階段針對(duì)企業(yè)6～企業(yè)10，在每家企業(yè)采集8個(gè)水樣(進(jìn)出水各4個(gè))，每小時(shí)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(yè)廢水指標(biāo)的顯著性，在某生活小區(qū)采集了生活污水水樣.該居住小區(qū)為20世紀(jì)70年代建設(shè)的小區(qū)，小區(qū)內(nèi)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(qū)黑水和灰水管道的出口處，分別持續(xù)采樣48h，每3h取樣一次，每個(gè)樣品1.5L，總計(jì)采集16個(gè)黑水水樣和灰水水樣.

　　1.4水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

　　農(nóng)副食品加工和制造業(yè)廢水主要來(lái)自原料清洗、工藝制造等過(guò)程.通過(guò)對(duì)食品行業(yè)不同中類生產(chǎn)過(guò)程中所用原料及其生產(chǎn)工藝過(guò)程的了解與分析[28]，確定食品行業(yè)廢水的候選水質(zhì)特征因子包括氨氮、總氮、油脂、鈉、鉀、氯化物、蛋白質(zhì)、總糖、淀粉等9項(xiàng).此外，考慮到在線監(jiān)控的可行性，針對(duì)第二階段監(jiān)測(cè)的企業(yè)6～企業(yè)10以及生活污水水樣，進(jìn)一步增加了電導(dǎo)率的監(jiān)測(cè).上述候選指標(biāo)中，油脂、氯化物、氨氮、總氮、鉀、鈉、電導(dǎo)率的分析方法參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)分析方法參照相關(guān)文獻(xiàn)。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1水質(zhì)特征因子的篩選與確定

　　2.1.1穩(wěn)定性分析

　　各監(jiān)測(cè)企業(yè)處理設(shè)施進(jìn)水口和排放口水質(zhì)質(zhì)量，其中直線Ri=0.7表示判斷水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定性的基準(zhǔn)線.鈉、鉀、氯化物是保守性的水質(zhì)指標(biāo)，其Ri值基本均高于0.7，是潛在的食品行業(yè)水質(zhì)特征因子.而氨氮、蛋白質(zhì)、還原糖、淀粉、油脂等指標(biāo)，總體去除率明顯大于30%，不適合作為水質(zhì)特征因子.

　　2.1.2顯著性分析

　　對(duì)上述滿足穩(wěn)定性條件的指標(biāo)再進(jìn)行顯著性分析，各指標(biāo)在工業(yè)企業(yè)處理設(shè)施排放口和生活污水中水質(zhì)質(zhì)量濃度對(duì)比.鉀、鈉離子是最為顯著性的水質(zhì)特征指標(biāo).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(gè)行業(yè)中類廢水中的Rs值均超過(guò)10，具有較為普遍的適用性.水產(chǎn)品加工廢水主要來(lái)自于水產(chǎn)品加工過(guò)程中的原料解凍及清洗工序，具有鈉離子含量高的特點(diǎn)[32].

　　大多數(shù)食品工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用食鹽等調(diào)味品，故排放廢水中鈉離子含量高.因此，鈉離子在水產(chǎn)品加工、焙烤食品制造(膨化)、豆制品加工3個(gè)行業(yè)中類廢水中的Rs值均超過(guò)7.

　　氯化物是僅次于鈉、鉀離子的顯著性指標(biāo)，食品行業(yè)中氯化物主要來(lái)源于海產(chǎn)品的含鹽量及食用鹽的使用，其在水產(chǎn)品加工、焙烤食品制造(膨化)及豆制品加工業(yè)中具有顯著的指示性.考慮到市政管網(wǎng)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(jiān)測(cè)的可行性分析

　　電導(dǎo)率是一種可以快速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，且相對(duì)與其他指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)，具有成本低廉和維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，便于大范圍推廣應(yīng)用.針對(duì)測(cè)定的生活污水和食品行業(yè)廢水中無(wú)機(jī)鹽(鉀、鈉、氯化物)質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率之間進(jìn)行相關(guān)性分析.綜上，綜合候選水質(zhì)特征因子穩(wěn)定性及顯著性分析.

　　氯化物和鉀離子與電導(dǎo)率的相關(guān)性相對(duì)最為顯著，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.85和0.81.鈉離子與電導(dǎo)率間的相關(guān)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(dāng)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，也能夠反映工業(yè)廢水排放量的突然變化.因此，從監(jiān)控工業(yè)廢水突發(fā)性排放的角度，基于電導(dǎo)率間接表征食品行業(yè)廢水排放具有可行性.如污水管網(wǎng)中出現(xiàn)食品行業(yè)廢水大量接入時(shí)，相應(yīng)污水電導(dǎo)率值也隨之增大，且波動(dòng)性增強(qiáng).依此可以借助電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)溯源追蹤.

　　2.1.4工業(yè)廢水接入的基準(zhǔn)值判定

　　綜上，綜合候選水質(zhì)特征因子穩(wěn)定性及顯著性分析，如前所述，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，城區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)工業(yè)污染和生活污染排放復(fù)合排放的特點(diǎn).對(duì)所篩選的水質(zhì)特征因子指標(biāo)，生活污水中黑水的質(zhì)量濃度值均高于灰水的質(zhì)量濃度值，與食品或者添加劑中含有上述物質(zhì)有關(guān).其中瞬時(shí)值按照生活污水中的黑水質(zhì)量濃度最高值確定;平均值按照居住小區(qū)生活污水出水質(zhì)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(wǎng)中工業(yè)廢水接入的溯源追蹤

　　采用管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)特征因子質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)，對(duì)雨污水管網(wǎng)中工業(yè)廢水接入進(jìn)行溯源追蹤.原則上，臨近的上下游節(jié)點(diǎn)特征因子質(zhì)量濃度值升高且高于工業(yè)廢水接入質(zhì)量濃度均值時(shí)，該區(qū)域存在工業(yè)廢水接入.

　　3結(jié)論與建議

　　(1)以城區(qū)內(nèi)較為普遍存在的食品類工業(yè)企業(yè)為例，總體上鉀、鈉、氯化物等3種無(wú)機(jī)鹽指標(biāo)是普適性的用于表征食品工業(yè)廢水接入的特征指標(biāo).

　　(2)相對(duì)生活污水而言，表征食品工業(yè)廢水接入的特征因子瞬時(shí)質(zhì)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(zhì)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(jù)上述參照值，基于節(jié)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)雨水管網(wǎng)中食品類工業(yè)廢水混接進(jìn)行診斷溯源.

　　(3)電導(dǎo)率與鉀、鈉、氯化物等3種無(wú)機(jī)鹽指標(biāo)具有良好的相關(guān)性.當(dāng)電導(dǎo)率的瞬時(shí)值大于2000μS·cm-1時(shí)，指示有工業(yè)廢水接入.因此從污水管網(wǎng)中食品工業(yè)廢水突發(fā)排放監(jiān)控或者水量動(dòng)態(tài)波動(dòng)的角度，采用電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控是可行的，這為基于智慧水務(wù)對(duì)污水管網(wǎng)中工業(yè)廢水排放有效監(jiān)管提供了一種技術(shù)方法.

　　(4)后續(xù)研究中將對(duì)城區(qū)內(nèi)較為普遍存在的其他工業(yè)行業(yè)類型包括醫(yī)藥、紡織、電子等行業(yè)進(jìn)一步開(kāi)展監(jiān)測(cè)，分析表征不同行業(yè)工業(yè)企業(yè)的水質(zhì)特征因子指標(biāo)，尤其是無(wú)機(jī)離子指標(biāo)及其與電導(dǎo)率的相關(guān)性，從而更好地對(duì)雨污水管網(wǎng)中工業(yè)廢水混接排放或者突發(fā)排放問(wèn)題進(jìn)行有效監(jiān)管.

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　　建筑類刊物推薦：《中國(guó)給水排水》(半月刊)創(chuàng)刊于1985年，由中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院、國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心主辦。獲獎(jiǎng)情況：全國(guó)建筑科學(xué)類中文核心期刊;中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊;全國(guó)優(yōu)秀期刊;華北地區(qū)“十佳”優(yōu)秀期刊,建設(shè)部?jī)?yōu)秀期刊。

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