污水处理厂排放对受纳河流水质影响的长期多指标统计分析

这篇研究通过22年大样本数据（317个污水处理厂和232个对照河段），首次系统评估了污水处理厂（STW）排放对河流多参数（硝酸盐、磷酸盐、BOD等8项指标）的长期影响。研究发现STW显著改变受纳河流的硝酸盐（+19%）、磷酸盐（+84%）等6项指标，其中三级活性污泥处理（TAS）对营养盐控制效果突出，但二级处理效果有限。研究创新性采用对照河段比较法，揭示了污水处理规模（DWF）与水质恶化的正相关性，为水生态治理提供了关键数据支持。

　　

1 引言

随着人口增长，污水处理厂（STW）排放对水环境的影响日益凸显。既往研究多缺乏对受纳河流的长期系统评估，尤其忽视不同处理工艺的差异化影响。本研究创新性地采用"污水处理段-对照段"双轨比较法，分析2000-2022年间英格兰河流的8项关键指标：硝酸盐(NO₃)、磷酸盐(PO₄)、温度、电导率、pH、BOD、COD和悬浮物。

STW排放可能通过多重途径影响水生态：

• 直接输入营养盐引发藻类暴发（如Jarvie等报道的磷污染）

• 溶解有机物（DOM）改变碳氮磷循环

• 温度波动（平均升高2.2°C）影响水生生物代谢

• 溶解氧（BOD指标）和酸碱度（pH）变化破坏微生物群落

2 研究方法

2.1 数据来源

采用英国环境署（EA）23年水质监测数据，筛选标准包括：

• 每个监测点至少20年20次采样

• 排除突发污染事件的应急监测数据

• 污水处理段需有上下游配对站点（STW pair）

• 对照段（Control pair）需无支流汇入

2.2 实验设计

创新性设置两类对比：

• STW组：256组污水处理厂上下游站点

• 对照组：168组无排放影响的自然河段

  通过ANOVA分析四重因素：处理类型（Type）、年份（Year）、月份（Month）和站点对（Pair），并引入海拔、流量百分位等协变量。

2.3 工艺特征分析

记录各STW的：

• 人口当量（PE）

• 旱季流量（DWF）

• 二级处理工艺（SAS活性污泥/SB生物处理）

• 三级处理工艺（TAS/TB）

• 磷去除设施

3 主要发现

3.1 总体影响

STW导致受纳河流显著变化（p<0.05）：

• 营养盐：磷酸盐激增84%（均值0.37→0.62 mg P/L），硝酸盐增加19%（4.05→6.54 mg N/L）

• 理化指标：温度升高1%（10.68→10.91°C），电导率增加0.8%

• 有机污染：BOD上升4.5%（1.50→2.37 mg O₂/L），pH降低0.4%

3.2 时间趋势

• 恶化指标：磷酸盐、BOD等4项因背景值升高持续恶化

• 改善指标：硝酸盐因STW工艺改进年均降低0.03 mg N/L

3.3 工艺差异

• 三级处理：TAS使硝酸盐/磷酸盐分别降低0.06 mg N/L和0.07 mg P/L

• 规模效应：每增加1000人口当量，BOD和硝酸盐分别升高0.04 mg/L

4 讨论

4.1 营养盐悖论

尽管欧盟《城市污水处理指令》（UWWTD）实施30年，磷酸盐仍居高不下。这可能源于：

• 河床沉积物磷释放（如Cooper等报道的"遗产污染"）

• 三级处理覆盖率不足（仅38/121个STW配备除磷设施）

4.2 工艺优化方向

PCA分析揭示两类污染模式：

• 有机污染型：COD-BOD-悬浮物共变（PC2解释26%方差）

• 营养盐型：硝酸盐-磷酸盐-电导率关联（PC1解释44%）

  建议针对不同污染特征组合工艺，如TAS+SAS处理营养盐优势明显。

5 结论

本研究通过大样本长期监测证实：

1. STW排放是河流营养盐污染的主因，其中磷酸盐影响最剧

2. 三级活性污泥处理（TAS）效果显著优于生物处理

3. 处理规模（DWF）与污染程度呈正相关

4. 需加强沉积物磷释放机制研究和实时监测网络建设

该成果为《英国25年环境改善计划》提供了关键科学依据，提示未来应重点升级三级处理设施并优化工艺组合。