西南丘陵城市泸州中心区城市污水处理厂用电量和药剂投加量特征

秦元初; 王文龙; 吴乾元; 陈卓; 巫寅虎; 贾海峰; 刘方华; 王方; 胡洪营

doi:10.12030/j.cjee.202305095

西南丘陵城市泸州中心区城市污水处理厂用电量和药剂投加量特征

1.
清华大学深圳国际研究生院，国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室，广东省城市水循环与环境安全工程中心，深圳 518055
2.
清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，环境前沿技术北京实验室，北京 100084
3.
泸州市住房和城乡建设局，泸州 646000
4.
泸州市园林绿化服务中心，泸州 646000

作者简介: 秦元初 (2000—) ，男，硕士研究生，314785716@qq.com

通讯作者: 王文龙（1990—），男，博士，副教授，博士生导师，wwlthu@126.com;

基金项目:
泸州市海绵城市科研课题研究项目 (N5105012022000106) ；国家自然科学基金资助项目 (52000115)
中图分类号: X703

Characteristics of electricity consumption and chemical dosage of urban wastewater treatment plants in the central area of the southwestern hilly city Luzhou

1.
Guangdong Provincial Engineering Research Center for Urban Water Recycling and Environmental Safety, Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control of Shenzhen, Institute of Environment and Ecology, Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
2.
State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, Beijing Laboratory for Environmental Frontier Technologies, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
3.
Luzhou Housing and Urban-Rural Development Bureau, Luzhou 646000, China
4.
Luzhou City Landscape and Greening Service Centre, Luzhou 646000, China

Corresponding author: WANG Wenlong, wwlthu@126.com ;

摘要: 用电量和药剂投加量是城市污水处理厂运行的主要成本，也是污水处理厂减污降碳的重要环节。西南丘陵城市具有地势落差大、雨污收集速度快、地下水渗入率较高等显著区域特征，但其城市污水处理中的电力和药剂使用量和使用效率仍不清楚。分析了西南丘陵城市泸州中心区5座城市污水处理厂电力、混凝剂和碳源的使用量和使用效率。研究发现，电力和药剂使用量具有显著的季节特征，夏季降雨较多时的用电量和药剂用量较高。泸州市中心城区污水处理厂的单位处理水量的用电量为0.28~0.46 kW·h·m⁻³，位于全国28%~66%；单位总磷去除量的混凝剂用量为25.11~53.57 mg·mg⁻¹，单位总氮去除量的碳源 (折合COD计) 投加量为0.60~4.88 g·g⁻¹，位于全国44%~95%。泸州中心区城市污水处理厂的电力使用效率较高，但碳源使用效率较低，脱氮工艺和操作仍有待优化。本研究可为长江上游地区丘陵城市污水处理厂的优化运行管理和节能降耗工作提供参考。
- 泸州市 /
- 城市污水处理厂 /
- 用电量 /
- 混凝剂 /
- 碳源
Abstract: Electricity consumption and chemical dosage are major costs in the operation of urban wastewater treatment plants and important aspects of reducing pollution and carbon in wastewater treatment plants. Southwestern hilly cities have significant regional characteristics such as large terrain drop-offs, rapid rainwater collection rates, and high groundwater infiltration rates, but the amount and efficiency of electricity and chemical use in their urban wastewater treatment remains unclear. The usage and efficiency of electricity, coagulant, and carbon source in five urban wastewater treatment plants in the central area of the southwestern hilly city of Luzhou were analyzed in this paper. It was found that electricity consumption and chemical dosage had significant seasonal characteristics, with higher electricity and chemical usage in summer due to more rainfall. The electricity consumption per unit of treated water volume in the central urban wastewater treatment plant in Luzhou ranged from 0.28 to 0.46 kW·h·m⁻³, located at 28%~66% nationally. The coagulant dosage per unit of total phosphorus removal ranged from 25.11~53.57 mg·mg⁻¹, and the carbon source dosage per unit of total nitrogen removal ranged from 0.60~4.88 g·g⁻¹ (reduced COD value meter), located at 44%~95% nationally. The central area of Luzhou urban wastewater treatment plant had a high efficiency of power utilization but a low efficiency of carbon source utilization, and the denitrification process and operation still needed to be optimized. This study can provide important basic information for the optimal operation and management of urban wastewater treatment plants in hilly cities to save energy and consumption reduction in the upper Yangtze River region.
- Luzhou City /
- urban wastewater treatment plant /
- electricity consumption /
- coagulant /
- carbon source

邻苯二甲酸酯（phthalate esters，PAEs）作为增塑剂，被大量添加在塑料、涂料、化肥和化妆品等商品中. 根据信息处理服务公司（Information handling services，IHS）的一份报告，2014年全球生产和消费的增塑剂为840万吨，其中PAEs类占了70%^[1]. 预计2017—2022年全球对PAEs的需求将以年均1.3%的速度增长^[2]. 目前，PAEs在中国每年的生产量和消费量大约为130万吨，占全球总量的20%^[3]. 鉴于PAEs不是通过稳定的化学键与产品结合，此类化合物很容易通过多种方式释放到环境中，例如工业和市政废水排放、固体废物处置和浸出、产品使用过程中的迁移和挥发^[4-6]. 研究表明全球大多数人群均已暴露于PAEs中，并且已在人体血清和脂肪中发现PAEs的存在^[7]. 人体暴露于PAEs的主要途径为食物和饮用水的摄入^[8-9]，其中饮用水作为每日必须摄入的介质，其中含有的PAEs对人体的影响近年来受到了广泛关注^[5，10-11].

邻苯二甲酸二甲酯（dinethyl phthalate，DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（diethyl phthalate，DEP）、邻苯二甲酸二丁酯（di-n-phthalate，DBP）、邻苯二甲酸丁苄酯（butylbenzyl phthalate，BBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（di（2-ethylhexyl）phthalate，DEHP）和邻苯二甲酸二辛酯（di-n-octyl phthalate，DNOP）已被联合国列入优先管控污染物^[12]，DMP、DBP和DEHP也已被列入我国水环境优先控制污染物黑名单，但均未列入我国2017年和2020年出台的两批《优先控制化学品名录》中. 我国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）、《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）、《城市供水水质标准》（CJ/T206-2005）中也规定了部分PAEs的限值. DEHP由于存在最多的健康和环境问题，已被归类为国际癌症研究机构（IARC）确定的可能对人类致癌的物质^[13]. 尽管近几年来，PAEs在各类饮用水环境中的检出引起了人们的重视，研究范围涉及水源水、自来水和瓶装水等样品，但针对江苏省沿江城市居民住宅自来水的研究几近空白.

本研究选取江苏省不同区域居民自来水中的PAEs作为研究对象，分析PAEs的污染特征，检验加热煮沸过程对自来水中的PAEs是否具有去除效果，评估经口摄入的人体健康风险，以期为全省饮用水健康安全管控提供科学支撑.

1. 材料与方法（Materials and methods）

1.1 样品的采集

于2017年3月至4月，分别采集江苏省沿江8市（南京、无锡、常州、苏州、南通、扬州、镇江、泰州）居民住宅自来水，采样点位如图1所示. 每个城市选取5户居民进行取样（n=40），采样体积为2 L，所有水样均置于棕色玻璃瓶中，4 ℃避光保存，并于24 h内运回实验室分析. 为了研究加热煮沸过程对水中PAEs的去除效果，从每个城市选取两份水样在实验室煮沸，冷却至室温后保存待测（n=16）.

图 1 江苏省不同城市居民住宅自来水采样点

Figure 1. Sampling points for residential tap water from different cities in Jiangsu

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1.2 仪器与试剂

超高效液相色谱/串联质谱（Waters Acquity/TQD），Masslynx工作站，ODS液相色谱柱（waters, BEH C18, 50 mm×2.1 mm, 1.7 μm）；Milli-Q超纯水器（美国Millipore公司）；HLB玻璃材质固相萃取柱（200mg/5cc,Waters,美国）.

6种PAEs（DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP）混合标准品储备液，质量浓度为100 μg·mL⁻¹（德国Dr. Ehrenstorfer公司），纯度在98.5%—99.5%之间;替代标准物氘代邻苯二甲酸二正丁酯（d4-DBP）和内标物氘代邻苯二甲酸二乙酯（d4-DEP），质量浓度均为100 μg·mL⁻¹（美国Accustandard公司），实验用甲醇、正己烷、乙腈、丙酮等试剂均为农药级或LC-MS级.

1.3 样品的前处理

取1L水样，加入回收率指示物（d4-DBP），以10 mL·min^-1的流速通过HLB固相萃取柱. 上样前依次用10 mL乙醚、5 mL乙腈和5 mL超纯水活化萃取柱. 水样过柱后，用高纯氮气吹干HLB小柱，再用体积95:5的乙醚-乙腈溶液进行洗脱，收集洗脱液，氮吹浓缩至近干，用乙腈定容至1 mL，加入内标化合物（d4-DEP）后置于进样瓶中，等待进样.

1.4 仪器分析

本研究采用超高效液相色谱/串联质谱仪（Waters Acquity/TQD）、BEH C18色谱柱（50 mm×2.1 mm，1.7 μm）对目标化合物进行定性和定量分析. 进样量为10 μL，流动相为水（A相，含0.2%甲酸）和甲醇（B相），流速为0.4 mL·min⁻¹，色谱柱温度为40 ℃，流动相梯度设置如下: 0 min，A相比例为90%，保持2 min; 2—12 min，A相比例由90%降为0%，保持4 min; 16—18 min，A相比例恢复至60%. 质谱采用电喷雾离子源（ESI），正离子扫描方式，多离子反应监测（MRM）模式，监测条件见表1. 离子源温度120 ℃，毛细管电压4.0 kV，去溶剂温度400 ℃.

表 1 目标化合物的多反应监测条件

Table 1. MRM parameters for target compounds

化合物Compounds	母离子Precursor ions（m/z）	子离子Product ions （m/z）	解簇电压/VDeclustering potential	碰撞能量/VCollision energy
DMP	195.3	163.0^＊	40	12
DMP	195.3	77.1	40	46
DEP	223.1	177.4^＊	50	25
DEP	223.1	149.3	50	12
BBP	313.3	91.3^＊	68	27
BBP	313.3	205.2	68	12
DBP	279.1	149.3^＊	72	20
DBP	279.1	205.2	72	12
DEHP	391.1	167.0^＊	84	18
DEHP	391.1	149.0	84	32
DNOP	391.3	261.1^＊	60	10
DNOP	391.3	149.0	60	20

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1.5 质量保证与质量控制（QA/QC）

实验过程中发现采用液质联用分析PAEs时，存在较大的系统空白干扰，为解决该问题，参考已有研究方法并进行优化完善^[14]：在液相输液泵和进样阀之间加入一根吸附分配柱，通过六通阀切换，流动相经过该分配柱后，进入定量环，将定量环中样品带入色谱柱进行分离分析; 由于色谱系统产生的干扰经过吸附分配柱后可以进行短暂的吸附保留，再进入色谱柱，而定量环中的样品则直接经过色谱柱被吸附保留. 因此，系统产生的干扰和目标化合物可以产生出峰时间差，从而减少误差干扰.

实验过程中避免使用塑料和橡胶器皿，所使用的玻璃容器均在马弗炉中400 ℃高温烘烤4 h后经正己烷、丙酮和乙腈清洗. 所有水样均添加回收率标样，每5份样品添加1个程序空白. 自来水中6种PAEs的加标回收率范围为86.5%—109%. 以3倍空白水样加标样测定结果的标准偏差计算各种物质的方法检出限（detection limit，DL），6种PAEs化合物的DL范围为0.1—0.5 μg·L⁻¹.

1.6 健康风险评价

本研究采用美国环保署（USEPA）推荐的水环境健康风险评价模型，分别评估了通过饮用水途径暴露的DEHP致癌风险和∑PAEs非致癌风险. 通过饮用水摄入的日均PAEs剂量（CDI）可以通过公式（1）计算:

${\rm{CDI}}=C\times {\rm{IR}}/{\rm{BW}}$

$(1)$

式中， CDI为每天通过饮水摄入的PAEs平均剂量（mg·kg⁻¹·d⁻¹）; C为饮用水中PAEs的含量（mg·L⁻¹）; IR为每日饮用水的摄入量（取2 L·d⁻¹）; BW为人均体重（取60 kg）.

通过饮用水途径暴露的DEHP致癌风险（R_DEHP）通过公式（2）计算:

$R_{{\rm{DEHP}}}={\rm{CDI}}\times {\rm{SF}}$

$(2)$

式中，SF为经口摄入致癌斜率因子，DEHP的SF值为0.014 kg·d·mg⁻¹.

PAEs非致癌风险采用危险指数（HI）进行评估，通过公式（3）计算:

${\rm{HI}}={\rm{CDI}}/{\rm{R}}f{\rm{D}}$

$(3)$

式中，RfD为法规或指南中给出的PAEs非致癌危害的参考剂量（mg·kg⁻¹·d⁻¹），DEP、BBP、DBP、DNOP和DEHP的RfD分别为0.8、0.2、0.1、0.01、0.02 mg·kg⁻¹·d⁻¹，DMP缺少RfD参考剂量数据，HI小于1表示处于安全范围.

2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 江苏城市饮用水中PAEs的含量与组成

江苏省8个城市居民自来水水样中PAEs检出率为100%，PAEs含量如图2所示，∑PAEs检出范围为4.10—14.23 μg·L⁻¹，平均值为（8.43±2.76）μg·L⁻¹，其中镇江市自来水中∑PAEs含量最高，达到（10.76±2.10）μg·L⁻¹，苏州市其次（（9.39±2.08）μg·L⁻¹），泰州市最低（（7.14±3.39）μg·L⁻¹）.

图 2 江苏省不同城市居民自来水中PAEs含量

Figure 2. Concentrations of PAEs in tap water from different cities in Jiangsu

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DBP在所有水样中均有检出，且平均含量最高（（2.10±1.65）μg·L⁻¹），17.5%的自来水样品中DBP浓度超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）限值（3 μg·L⁻¹）. 所有自来水样品中DEHP浓度均未超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）与世界卫生组织（WHO）《饮用水水质准则》限值（8 μg·L⁻¹）或美国瓶装水中的标准限值（6 μg·L⁻¹）^[15]，说明江苏省部分城市居民自来水已受到PAEs污染，存在一定的潜在健康风险，该结论与我国其他已有研究结果相似^[16-17]. 然而，根据美国环保署1997年出台的饮用水法规和健康建议，由于DEHP致癌性，美国对DEHP的最终管理目标是零暴露风险^[18]. 同时有研究表明，长期饮用含有微量PAEs的水，即使其含量满足饮用水标准，也可能对人体健康造成危害^[19-20]. 从组成成分来看，DBP和DMP是造成自来水中PAEs含量差异的最主要因素.

表2列出了全球其他国家和地区饮用水中PAEs的污染情况，本研究结果与沙特阿拉伯（0.2—30.8 μg·L⁻¹）和墨西哥（0.6—45.1 μg·L⁻¹）等国家瓶装水中PAEs的含量相近^[5]，比葡萄牙（0.02—0.35 μg·L⁻¹）、法国（0.03—0.35 μg·L⁻¹）和伊朗（0.07—0.52 μg·L⁻¹）等西方国家自来水中浓度高近两个数量级^[11，21-22]，比我国天津市居民饮用水（（2.41±0.39）μg·L⁻¹）高一个数量级^[23]，但低于河南省的研究结果（0.24—82.2 μg·L⁻¹）^[24]，这与河南饮用水取样点位受到污染河流水平扩散、垂直渗透和雨水溶解有关. 已有研究表明江苏居民自来水中PAEs来源广泛，包括水源水赋存、生产过程带入和塑料管道析出等^[25].

表 2 世界其他国家和地区自来水中PAEs含量

Table 2. Concentrations of PAEs in other countries and regions around the world

国家和地区Country and region	BBP/（μg·L⁻¹）	DBP/（μg·L⁻¹）	DEP/（μg·L⁻¹）	DMP/（μg·L⁻¹）	DNOP/（μg·L⁻¹）	DEHP/（μg·L⁻¹）	∑PAEs/（μg·L⁻¹）	参考文献Reference
江苏省Jiangsu	nd—7.39（0.71）	0.34—7.40（2.01）	nd—6.41（1.40）	nd—8.40（1.93）	nd—5.23（1.23）	nd—6.87（1.93）	4.10—14.23（8.43）	本研究
天津市Tianjin	0.44—0.71	0.38—0.68	—	—	—	1.10—1.78	1.92—2.78（2.41）	[23]
河南省Henan	nd	0.93	44.04	38.19	—	12.49	—	[24]
武汉市Wuhan	—	0.60	0.90	nd	—	—	—	[26]
葡萄牙Portugal	0.03	0.52	0.19	0.04	—	0.06	0.02—0.35	[21]
德国Germany	0.05	0.64	0.16	—	—	0.06	0.02—0.60	[27]
西班牙Span	nd	nd—0.91	nd—0.38	nd—0.03	—	nd	0.38—0.73	[10]
西班牙Span	nd	nd	0.19	nd	—	nd	nd—0.19	[28]
法国France	nd	0.04	0.03	nd	—	0.35	—	[22]
希腊Greece	—	1.04	0.30	—	—	0.93	0.30—1.04	[29]
捷克Czech	0.002	0.05	0.07	0.08	nd	0.66	—	[30]
越南Vietnam	0.20—4.21	0.01—2.56	nd—2.57	nd—0.54	nd—1.93	1.01—14.50	2.10—18.00（11.2）	[31]
伊朗Iran	0.05—0.15（0.10）	nd—0.14（0.09）	nd—0.09（0.05）	0.08—0.67（0.37）	nd—0.11（0.01）	nd—0.38（0.15）	0.07—0.52	[11]
注：nd，未检出，not detected；—，未参与检测，not included；（），平均值，mean level

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图3比较了自来水与煮沸后冷却至室温的水样中PAEs的浓度，结果与其他研究类似^[32]，加热或煮沸后的自来水中，PAEs含量有所下降，但下降程度有限，其中DBP平均降低程度最高（21.6%），其次是BBP（18.6%），DNOP最低（9.1%）. 值得注意的是，有研究报道，若将开水立刻倒入塑料杯，高温会加速塑料中PAEs的析出，导致饮用水中PAEs含量显著升高^[23].

图 3 自来水和煮沸水中PAEs含量变化

Figure 3. Changes of concentrations of PAEs in tap water and boiled water

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2.2 PAEs健康风险评价

2.2.1 致癌风险评估

江苏省不同地区通过饮用水摄入导致的DEHP致癌风险如图4所示，所有自来水和煮沸冷却水中DEHP的致癌风险均低于USEPA推荐的健康风险可接受最大水平（1×10⁻⁶），其中苏州、南通和泰州水样中DEHP致癌风险较高. 煮沸后的自来水在一定程度上降低了DEHP的致癌风险，降幅达到78%. 但在高温情况下DEHP会从塑料包装中迁移至水体，导致DEHP的致癌风险有超过1×10⁻⁶的可能^[23，33]，另外随着储存时间的增加，水中DEHP的含量也会随之上升^[22]. 因此，长期饮用存放在高温环境中的瓶装水，例如高温天气车内长时间放置的瓶装水，对人体健康危害极大，应引起高度重视.

图 4 自来水和煮沸水中DEHP的致癌风险

Figure 4. Carcinogenic risks of DEHP via tap water and boiled water

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2.2.2 非致癌风险评估

5种PAEs（DEP、BBP、DBP、DNOP和DEHP）的非致癌风险采用危险指数如图5和表3所示. 结果显示，江苏省8个城市自来水中∑PAEs的HI范围在8.26×10⁻³（无锡市）—3.25×10⁻²（南通市），均远小于1，表明江苏省不同地区自来水中PAEs摄入对人体造成的非致癌健康风险可忽略不计. 煮沸后的自来水PAEs非致癌风险与致癌风险变化情况类似，均有不同程度的降低，该结果与Wang^[23]和Li^[20]在天津市和黄海沿海城市的研究结果一致. DBP在自来水中占总非致癌风险的47.3%，而BBP和DEHP仅占1.60%和1.58%，该结果与天津市自来水中PAEs的非致癌风险占比（DEHP占比最大）有较大差别^[23]，主要原因是尽管DEHP毒性最大，但在江苏省8个城市自来水样中DEHP的含量相对较低，因此对∑PAEs非致癌风险贡献较小.

Figure 5. Non-carcinogenic risks of PAEs via tap water and boiled water

图 5 自来水和煮沸水中PAEs非致癌风险

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除了通过饮用水的暴露方式，PAEs还可以通过食物摄入和皮肤接触等途径对人体健康造成负面影响. 此外，自来水中可能存重金属、农药、消毒副产物和个人护理产品等多种污染物，它们之间的协同效应可能会对人体健康产生多重负面影响. 因此，建议进一步研究并持续监测这些化学物质在不同条件下的自来水和瓶装水中的赋存特征，以期更好地管控生态环境健康风险.

表 3 江苏省不同城市居民自来水中PAEs非致癌风险

Table 3. Non-carcinogenic risks of PAEs in residential tap water from different cities in Jiangsu Province

城市 City	HI_BBP	HI_DBP	HI_DEP	HI_DMP	HI_DNOP	HI_DEHP	∑HI
南京Nanjing	1.67×10⁻⁵	4.67×10⁻³	9.36×10⁻⁵	na	4.77×10⁻³	4.17×10⁻⁵	9.59×10⁻³
无锡Wuxi	1.27×10⁻³	4.72×10⁻³	2.66×10⁻⁴	na	1.07×10⁻³	9.36×10⁻⁴	8.26×10⁻³
常州Changzhou	1.67×10⁻⁵	2.48×10⁻³	1.23×10⁻⁴	na	5.02×10⁻³	1.64×10⁻³	9.28×10⁻³
苏州Suzhou	1.67×10⁻⁵	8.69×10⁻³	4.17×10⁻⁵	na	8.33×10⁻⁵	3.60×10⁻³	1.24×10⁻²
南通Nantong	1.67×10⁻⁵	1.58×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	1.26×10⁻²	3.09×10⁻³	3.15×10⁻²
扬州Yangzhou	3.97×10⁻⁴	1.15×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	6.66×10⁻³	1.97×10⁻³	2.06×10⁻²
镇江Zhenjiang	1.55×10⁻⁴	8.65×10⁻³	2.86×10⁻⁴	na	8.33×10⁻⁵	1.18×10⁻³	1.04×10⁻²
泰州Taizhou	3.24×10⁻⁴	1.60×10⁻²	4.17×10⁻⁵	na	5.91×10⁻³	2.73×10⁻³	2.50×10⁻²
注：na，无参考数据，no reference data

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3. 结论（Conclusion）

（1）江苏省8个城市40份居民自来水中均检出了PAEs，检出范围为4.10—14.23 μg·L⁻¹，其中镇江市自来水中PAEs的含量最高. 与其他国家和地区相比，本研究区域自来水中PAEs含量处于中等偏上水平，其污染来源有待进一步明确.

（2）与自来水相比，煮沸后冷却至室温的水样在一定程度上降低了PAEs浓度和此类化合物的致癌风险与非致癌风险.

（3）研究区域内DEHP致癌风险指数小于最大可接受风险水平（1×10⁻⁶），∑PAEs的非致癌风险指数远小于1，但部分水样中DBP含量超过《生活饮用水规范》（GB5749-2006）限值，存在潜在的生态环境健康风险.

图 1 泸州中心区城市污水处理厂的处理水量的变化

Figure 1. Variation characteristics of treated water quantity of urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou

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图 2 泸州中心区城市污水处理厂的用电量和用电效率特征 (2020年1月—2022年4月)

Figure 2. Electricity consumption and efficiency characteristics of urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou (2020-01—2022-04)

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图 3 全国城镇污水处理厂的单位处理水量的用电量 (Q_V) (2020~2021)

Figure 3. Electricity consumption per unit of treated water (Q_V) for nationwide urban wastewater reatment plants nationwide (2020~2021)

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图 4 泸州中心区城市污水处理厂单位处理水量的PFS投加量 (PFS_V) 和单位总磷去除量的PFS投加量 (PFS_TP) 时间变化和统计分布 (2020年1月—2022年4月)

Figure 4. Temporal variation and statistical distribution of PFS dosage per unit treated water volume (PFS_V) and PFS dosage per unit total phosphorus removal (PFS_TP) of urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou (2020-01—2022-04)

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图 5 PFS_TP与进出水TP的关系

Figure 5. Relationship between PFS_TP value and TP in incoming and outgoing water

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图 6 泸州中心区城市污水处理厂的碳源使用效率分布 (2020年1月—2022年4月)

Figure 6. Carbon source utilization efficiency distribution of urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou (2020-01—2022-04)

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图 7 全国城镇污水处理厂的碳源使用效率分布 (2020—2021)

Figure 7. Carbon source efficiency distribution of urban sewage treatment plants in China (2020—2021)

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图 8 C_TN与进出水TN的关系

Figure 8. Relationship between C_TN value and TNin incoming and outgoing water

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表 1 泸州中心区5座城市污水处理厂概况

Table 1. Overview of the five urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou

污水处理厂	设计污水处理量/(10⁴ m³·d⁻¹)	主体处理工艺和主要能耗单元
纳溪污水处理厂	2.75	曝气沉砂池-A²/O改良工艺-紫外消毒渠
鸭儿凼污水处理厂	8.0	曝气沉砂池-MBR-紫外消毒渠
二道溪污水处理厂	10.0	曝气沉砂池-A²/O-反硝化滤池-紫外消毒渠
城东污水处理厂	5.0	曝气沉砂池-A²/O改良工艺-D型滤池-紫外消毒渠
城南污水处理厂	5.0	曝气沉砂池-A²/O改良工艺-D型滤池-紫外消毒渠
注：A²/O改良工艺即在厌氧池前端增加了预反硝化单元。

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表 2 泸州中心区城市污水处理厂进水和出水水质特征 (2020年1月—2022年4月)

Table 2. Quality characteristics of inlet and outlet water of urban wastewater treatment plants in the central area of Luzhou (2020-01—2022-04)

污水处理厂	BOD₅/(mg·L⁻¹)		TN/(mg·L⁻¹)		[NH₃-N]/(mg·L⁻¹)		TP/(mg·L⁻¹)
污水处理厂	进水	出水	进水	出水	进水	出水	进水	出水
纳溪污水处理厂	198.47±60.79	12.03±3.87	27.80±6.67	9.57±1.10	18.70±5.72	0.61±0.45	2.79±0.72	0.21±0.06
鸭儿凼污水处理厂	197.01±55.66	11.77±1.79	29.85±5.18	7.83±1.54	23.21±2.95	0.51±0.32	3.40±1.01	0.24±0.06
二道溪污水处理厂	231.52±55.01	11.26±2.61	29.85±5.18	7.83±1.54	28.39±9.40	0.04±0.39	3.54±0.85	0.25±0.09
城东污水处理厂	182.33±78.28	19.86±3.55	33.18±8.68	10.20±1.21	25.69±6.69	0.04±0.28	3.28±1.08	0.31±0.03
城南污水处理厂	216.65±65.50	11.97±2.99	28.97±7.55	9.25±1.49	20.73±6.04	0.03±0.03	2.50±0.77	0.24±0.07

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表 3 典型城市污水厂处理厂混凝剂药耗水平

Table 3. Coagulant consumption level in a typical urban wastewater treatment plants

污水处理厂	混凝剂种类	单位TP去除量的混凝剂投加量/(mg·mg⁻¹)	TP/(mg·L⁻¹)
污水处理厂	混凝剂种类	单位TP去除量的混凝剂投加量/(mg·mg⁻¹)	进水	出水
纳溪污水处理厂	PFS	11.56	2.79	0.21
鸭儿凼污水处理厂	PFS	19.16	3.40	0.24
二道溪污水处理厂	PFS	17.70	3.54	0.25
城东污水处理厂	PFS	9.42	3.28	0.31
城南污水处理厂	PFS	13.34	2.50	0.24
北京市吴家村污水^[28]	PFS	18.08	3.28	0.43
上海市城投污水^[29]	PFS	27.47	1.40	0.31
昆明市第三污水厂^[27]	PAC	11.1	1.00	0.31

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图( 8) 表( 3)

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1. 材料与方法（Materials and methods）
1.1 样品的采集
1.2 仪器与试剂
1.3 样品的前处理
1.4 仪器分析
1.5 质量保证与质量控制（QA/QC）
1.6 健康风险评价
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 江苏城市饮用水中PAEs的含量与组成
2.2 PAEs健康风险评价
3. 结论（Conclusion）

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长江上游地区是我国重要的经济发展带，位于长江上游的中大型城市多以丘陵地貌为主，具有地势落差大、雨污收集速度快、地下水渗入率高等雨污排放特征^[1-3]。城市污水处理厂是雨污治理的重要基础设施。一方面，污水处理厂减少了有机污染物、氮磷等污染物的排放，在水环境污染物控制中发挥重要作用^[4-6]。城市污水处理厂累计削减的有机污染物 (以COD计) 占全国减排总量的70%以上，且占比逐年增加^[7]；另一方面，城市污水处理厂需消耗大量电能。污水处理厂的用电量约占全社会用电量的2.6‰^[8]，且占比逐年上升。此外，城市污水处理厂在深度脱氮除磷中，需使用大量的有机碳源和混凝剂^[9-11]。

随着城市污水水量增加和污染物种类增多，污水处理厂面临严峻挑战。为保证出水水质达标，污水处理厂会考虑延长处理工艺单元链和增加了药剂的投加量，致使其运行成本增加^[12-13]。本研究拟基于长江上游西南丘陵城市污水处理厂的运行优化需求，以泸州作为长江上游西南丘陵城市的代表，分析2020—2022年泸州中心区城市污水处理厂的电力、混凝剂和碳源使用量和使用效率，并与同期全国城市污水处理厂运行情况比较，以期掌握西南典型丘陵城市污水处理厂的用电量和药剂使用量特征，为污水处理厂运行优化提供参考。

3. 结论

1) 西南丘陵城市泸州市中心区城市污水处理厂的电力、混凝剂和碳源的用量具有显著季节特征，夏季降雨较多时的用电量和药剂用量较高。2) 在用电量方面，泸州市中心城区污水处理厂的Q_V为0.25~0.52 kW·h·m⁻³，用电效率较好，位于全国28%~66%。其中，鸭儿凼污水处理厂的Q_V较高 (中位值 0.46 kW·h·m⁻³) ，与其膜生物处理工艺有关。城东和城南污水处理厂的设计处理水量和工艺相同，但Q_V和Q_NH3~N差异较大，主要原因为进水中污染物的种类和[NH₃-N]差异较大。因此，污水处理厂用电量、用电效率与水量相关，也与进水出水水质、操作条件等相关。3) 在药剂投加量方面，泸州市中心城区污水处理厂以PFS为除磷混凝剂，PFS_TP效率较高，为2.67~30.41 mg·mg⁻¹；泸州市中心区城市污水处理厂的碳源使用率较低，位于全国44%~95%，需通过对进水中硝酸盐与亚硝酸盐质量浓度进行监测、升级脱氮工艺和外加碳源精准投加等方式来提升碳源使用效率。

参考文献 (31)

西南丘陵城市泸州中心区城市污水处理厂用电量和药剂投加量特征

作者简介: 秦元初 (2000—) ，男，硕士研究生，314785716@qq.com

通讯作者: 王文龙（1990—），男，博士，副教授，博士生导师，wwlthu@126.com;