天津市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

孫艷，張逢，胡洪營(yíng)，2*，牛璋彬

1．清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

2．清華大學(xué)深圳研究生院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055

3．住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城鎮(zhèn)水務(wù)管理辦公室，北京 100835

天津市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

孫艷1，張逢1，胡洪營(yíng)1，2*，牛璋彬3

1．清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084

2．清華大學(xué)深圳研究生院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055

3．住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城鎮(zhèn)水務(wù)管理辦公室，北京 100835

以天津市24座城市污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了進(jìn)水水質(zhì)特征及有機(jī)物、氮、磷和懸浮物之間的概率分布及相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，天津市污水中BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP全年濃度均呈正偏態(tài)分布，其月中間值分布范圍分別為95～140、280～370、130～155、15～30、20～35和3～5 mg/L。進(jìn)水各水質(zhì)指標(biāo)間存在較好的一元線性關(guān)系，其中BOD5與TP相關(guān)性最為顯著，R2為0．983。進(jìn)水BOD5/CODCr分布在0．4～0．6的概率為39．4%，分布在0．2～0．4的概率為50．2%，說(shuō)明天津市污水的可生化性較好。BOD5/TN＜4的概率為54．4%，表明多數(shù)情況下進(jìn)水反硝化碳源不足。BOD5/TP＞20的累積概率為77．9%，表明進(jìn)水可以滿足生物除磷的需求。TN/TP分布在5～15的概率為73．6%，平均值為9．7，且TN/TP＞5的概率為81．6%，表明進(jìn)水能夠滿足微生物生長(zhǎng)對(duì)氮、磷的需求。

污水處理廠;進(jìn)水水質(zhì);水質(zhì)特征;統(tǒng)計(jì)分析

開發(fā)利用非常規(guī)水資源是解決天津水資源短缺的重要手段［4－5］。城市污水作為非常規(guī)水資源的典型代表，其水量穩(wěn)定、供給可靠，對(duì)城市污水進(jìn)行有效處理，達(dá)到目標(biāo)用途要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使之成為多種用途的水資源，是開源節(jié)流、減輕水體污染、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水問(wèn)題的有效途徑之一［6－8］。城市污水水質(zhì)特征是污水處理廠設(shè)計(jì)和建設(shè)的基本參數(shù)，污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)的測(cè)定分析對(duì)污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理具有重要意義，掌握污水水質(zhì)特征能夠?yàn)橛行岣咚幚硇Ч霸偕锰峁┛茖W(xué)依據(jù)［9－11］。筆者以天津市24座污水處理廠為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了進(jìn)廠原水水質(zhì)特征，主要包括水質(zhì)指標(biāo)BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP的變化規(guī)律和概率統(tǒng)計(jì)分析，以及有機(jī)物、氮、磷和懸浮物之間的相關(guān)關(guān)系，以期為天津市污水再生利用，緩解水資源短缺提供可靠數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

以天津市24座污水處理廠為研究對(duì)象，以2012年全年實(shí)際進(jìn)廠原水水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要分析了BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP等的變化規(guī)律，各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系及概率分布。水質(zhì)分析數(shù)據(jù)來(lái)源于住房城鄉(xiāng)建設(shè)部城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS20．0軟件，作圖分析采用Origin9軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)水水質(zhì)分布特性分析

天津市2012年全年污水處理廠進(jìn)廠原水主要水質(zhì)指標(biāo)BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和正態(tài)性檢驗(yàn)如表1所示。

表1 污水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)性檢驗(yàn)Table 1 Statistical analysis of influent quality characteristics and normality test

根據(jù)表1給出的Kolmogorov－Smirnov統(tǒng)計(jì)量、Shapiro－Wilk統(tǒng)計(jì)量、偏度和峰度結(jié)果，可以對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的分布進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，當(dāng)樣本容量N＜ 1 000時(shí)，以Shapiro－Wilk檢驗(yàn)為準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)Shapiro－Wilk檢驗(yàn)，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)顯著性水平(Sig．，significance level)均小于0．05，表明各項(xiàng)指標(biāo)不服從正態(tài)分布。從偏度和峰度系數(shù)可以看出，各污水水質(zhì)指標(biāo)的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均大于0，由此可判斷各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)分布均呈正偏態(tài)分布。因此，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)分布的平均值、中間值及最頻值分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。表2列出了各月濃度中間值。

表2 污水水質(zhì)指標(biāo)月中間值Table 2 Themonthlymedian of pollution indicators mg/L

2.1.1 進(jìn)水BOD5分布特性

在三位負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，我們身著工作服，參觀了從上鋁卷到電化學(xué)處理、涂布和干燥、在線分切、包裝，直至儲(chǔ)運(yùn)、物流的完整生產(chǎn)流程。我們看到，在監(jiān)控室里高速生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷閃現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)可以保留2年；生產(chǎn)全過(guò)程參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，全球同步；安裝于生產(chǎn)線上的在線檢測(cè)系統(tǒng)，可檢測(cè)到50微米缺陷，自動(dòng)切走缺陷部分；采用環(huán)保包裝方式，自動(dòng)打包。此外，我們了解到，其關(guān)鍵材料由總部統(tǒng)一進(jìn)口；新開發(fā)產(chǎn)品，需經(jīng)過(guò)12個(gè)月嚴(yán)格測(cè)試，才能投入正式生產(chǎn)……或許正因?yàn)閳?zhí)行著最嚴(yán)苛的生產(chǎn)要求，無(wú)錫工廠才敢于做出最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的莊重承諾。

進(jìn)水BOD5濃度逐月變化規(guī)律和概率分布如圖1所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖1(a)可以看出，BOD5分布在20～360 mg/L，各月濃度平均值均大于中間值，各月中間值分布在95～140mg/L，其中8月濃度最低，3月濃度最高。由表2可知，中間值最小值為98．0mg/L，最大值為136．3mg/L。從圖1(b)可以看出，進(jìn)水 BOD5平均值為 125．2 mg/L，中間值為115．0 mg/L。概率分布較高的濃度范圍在50～150 mg/L，其累積概率為75．8%，達(dá)到累積頻率95%時(shí)，BOD5為253．0 mg/L。

圖1 進(jìn)水BOD5逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．1 Themonthly change and probability distribution of influent BOD5(January 2012－December 2012)

2.1.2 進(jìn)水CODCr分布特性

進(jìn)水CODCr逐月變化規(guī)律和概率分布如圖2所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖2(a)可以看出，CODCr分布在30～900 mg/L，1—7月各月濃度平均值大于中間值，8—12月平均值小于中間值。各月中間值分布在280～370 mg/L，其中8月濃度最低，3月濃度最高。由表2可知，中間值最小值為283．0 mg/L;最大值為364．7 mg/L。從圖2(b)可以看出，進(jìn)水CODCr平均值為334．5 mg/L，中間值為330．5 mg/L。概率分布較高的濃度范圍在150～400 mg/L，其累積概率為77．1%，達(dá)到累積頻率95%時(shí)，CODCr為575．0 mg/L。

圖2 進(jìn)水CODCr逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．2 Themonthly change and probability distribution of influent CODCr(January 2012－December 2012)

2.1.3 進(jìn)水SS分布特性

進(jìn)水SS濃度逐月變化規(guī)律和概率分布如圖3所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖3(a)可以看出，SS濃度分布在20～540 mg/L，各月SS濃度平均值均大于中間值，中間值分布在130～155 mg/L，隨季節(jié)變化不明顯。由表2可知，中間值最小值為134．3 mg/L;最大值為152．0 mg/L。從圖3(b)可以看出，進(jìn)水SS濃度平均值為162．6 mg/L，中間值為142．0 mg/L。概率分布較高的濃度范圍在40～280 mg/L，其累積概率為89．3%，達(dá)到累積頻率95%時(shí)，SS濃度為323．0 mg/L。

圖3 進(jìn)水SS濃度逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．3 Themonthly change and probability distribution of influent SS(January 2012－December 2012)

2.1.4 進(jìn)水NH3|N分布特性

進(jìn)水NH3|N濃度逐月變化規(guī)律和概率分布如圖4所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖4(a)可以看出，NH3|N濃度分布在5～90 mg/L，各月濃度平均值均大于中間值，中間值分布在15～30 mg/L，其中8月濃度最低，5月濃度最高。由表2可知，中間值最小值為 15．6 mg/L;最大值為 28．3 mg/L。從圖4(b)可以看出，進(jìn)水NH3|N平均值為26．0 mg/L，中間值為24．0 mg/L。概率分布較高的濃度范圍在5～50 mg/L，其累積概率為93．9%。

圖4 進(jìn)水NH3|N濃度逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．4 Themonthly change and probability distribution of influent NH3|N(January 2012－December 2012)

2.1.5 進(jìn)水TN分布特性

進(jìn)水TN濃度逐月變化規(guī)律和概率分布如圖5所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖5(a)可以看出，TN濃度分布在3～85 mg/L，各月中間值分布在20～35 mg/L，除2、4、5月以外，各月濃度中間值均小于平均值。其中8月TN濃度最低，3月濃度最高。由表2可知，中間值最小值為23．5 mg/L;最大值為33．6 mg/L。從圖5(b)可以看出，進(jìn)水TN平均值為33．6 mg/L，中間值為30．0 mg/L。概率分布較高的濃度范圍在 6～66 mg/L，其累積概率為97．1%。

圖5 進(jìn)水TN濃度逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．5 Themonthly change and probability distribution of influent TN(January 2012－December 2012)

2.1.6 進(jìn)水TP分布特性

進(jìn)水TP濃度逐月變化規(guī)律和概率分布如圖6所示，各月濃度中間值如表2所示。從圖6(a)可以看出，TP濃度分布在0．5～20 mg/L，各月中間值分布在3～5 mg/L，各月濃度中間值均小于平均值。其中8月TP濃度最低，4月和5月濃度最高。由表2可知，中間值最小值為3．4 mg/L;最大值為4．2 mg/L。從圖6(b)可以看出，進(jìn)水TN平均值為4．2 mg/L，中間值為3．8 mg/L。概率分布較高的濃度范圍0～7 mg/L，其累積概率為95．7%。

2.2 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

污水中污染物的組成非常復(fù)雜，分析各污染物間相關(guān)性，了解各污染指標(biāo)間的相關(guān)程度，可以減少監(jiān)測(cè)次數(shù)與項(xiàng)目，還可保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性［12－13］。針對(duì)污水處理廠2012年全年進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP，采用最小二乘法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，確定各指標(biāo)間的一元線性關(guān)系是否存在，建立回歸方程，得到各污染指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。

圖6 進(jìn)水TP濃度逐月變化及概率分布(2012年1月—2012年12月)Fig．6 Themonthly change and probability distribution of influent TP(January 2012－December 2012)

各指標(biāo)間的回歸方程及相關(guān)系數(shù)(R2)如表3所示。由表3可見，各項(xiàng)指標(biāo)間線性相關(guān)關(guān)系均較好，除 CODCr與 TN的相關(guān)關(guān)系相對(duì)弱些(R2= 0．893)之外，其他指標(biāo)間 R2均大于0．900，其中BOD5與TP相關(guān)性最為顯著，R2為0．983。由此可見，天津市污水中污染物組成相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯劇烈變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果也沒(méi)有明顯突變，各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系也較為穩(wěn)定和顯著。

表3 污水水質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)和回歸分析Table 3 The correlation and regression analysis of pollution indicators

2.3 進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的比例關(guān)系

2.3.1 進(jìn)水BOD5/CODCr

污水處理中常用BOD5/CODCr來(lái)衡量污水的可生化性。當(dāng)BOD5/CODCr為0．4～0．6時(shí)，污水可生化性較好，適應(yīng)于生物處理，當(dāng)BOD5/CODCr為0．2～0．4時(shí)，表明污水中存在難生物降解性污染物，當(dāng)BOD5/CODCr＜0．1時(shí)，可生化性差，必須進(jìn)行預(yù)處理后才可進(jìn)行生化處理［14］。進(jìn)水BOD5/CODCr的累積分布如圖 7所示。由圖 7可見，BOD5/CODCr為0．05～0．9，平均值和中間值均為 0．4，全年BOD5/CODCr分布在0．4～0．6的概率為39．4%，分布在0．2～0．4的概率為50．2%，BOD5/CODCr＜0．1的概率為1．0%，說(shuō)明天津城市污水可生化性較好，雖然存在一定的難生物降解性污染物，但仍適應(yīng)生物處理。

圖7 BOD5/CODCr的概率分布Fig．7 The probability distribution of BOD5/CODCr

2.3.2 進(jìn)水BOD5/TN

反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行需要有充足的碳源，如果碳源不足會(huì)嚴(yán)重抑制反硝化反應(yīng)，降低系統(tǒng)總氮去除率;相反如果進(jìn)水碳源過(guò)高會(huì)增加系統(tǒng)耗氧量，嚴(yán)重抑制硝化反應(yīng)，降低硝化效率，相應(yīng)系統(tǒng)總氮去除率也不會(huì)太高，因此需維持進(jìn)水的BOD5/TN［15－16］。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)污水的BOD5/TKN為4～6時(shí)，可認(rèn)為碳源充足［16－17］。BOD5/TN的概率分布如圖8所示。由圖8可見，BOD5/TN的平均值為4．5，中間值為3．8，BOD5/TN＜4的概率為54．4%，分布在4～6的概率為28．7%，表明多數(shù)情況進(jìn)水反硝化碳源不足，應(yīng)注意合理控制外碳源投加量。

圖8 BOD5/TN的概率分布Fig．8 The probability distribution of BOD5/TN

2.3.3 進(jìn)水BOD5/TP和TN/TP

污水的BOD5/TP是評(píng)價(jià)采用生物除磷是否可行的主要指標(biāo)。進(jìn)水的C/P必須足夠高(特別是聚磷菌厭氧條件下)。若該比值過(guò)低，聚磷菌在厭氧池放磷時(shí)釋放的能量不能很好地被用來(lái)吸收和貯藏溶解性有機(jī)物，影響該類細(xì)菌在好氧池的吸磷，從而使出水磷濃度升高，一般認(rèn)為BOD5/TP＞20有較好的磷去除率。比值越大，才能保證聚磷菌有著足夠的基質(zhì)需求，除磷效果越好［16］。BOD5/TP的概率分布如圖9所示。由圖9可見，BOD5/TP平均值為36．4，中間值為35．1，BOD5/TP＞20的累積概率為77．9%，表明進(jìn)水在大多數(shù)情況下均可以滿足生物除磷的需求。

圖9 BOD5/TP的概率分布Fig．9 The probability distribution of BOD5/TP

TN/TP的概率分布如圖10所示，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)污水中BOD5∶N∶P達(dá)到100∶5∶1時(shí)［16］，即可滿足微生物生長(zhǎng)對(duì)氮、磷的需求。由圖10可以看出，TN/ TP平均值為9．7，中間值為9．1，分布在5～15的概率為73．6%，且TN/TP＞5的概率為81．6%。由BOD5/TP和TN/TP值可以判斷，氮磷可滿足微生物生長(zhǎng)的需求。

圖10 TN/TP的概率分布Fig．10 The probability distribution of TN/TP

3 結(jié)論

(1)天津市污水中BOD5、CODCr、SS、NH3|N、TN和TP全年濃度均呈正偏態(tài)分布，月中間值分布在95～140、280～370、130～155、15～30、20～35和3～5 mg/L。各污染指標(biāo)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出較一致的規(guī)律性。

(2)進(jìn)水各常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)間存在較好的一元線性關(guān)系，其中BOD5與TP相關(guān)性最為顯著，相關(guān)系數(shù)(R2)為0．983，說(shuō)明有機(jī)污染物和TP間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。CODCr與TN的相關(guān)關(guān)系相對(duì)弱些，R2為0．893，其他指標(biāo)間R2均大于0．900。

(3)BOD5/CODCr，BOD5/TN，BOD5/TP，TN/TP分析表明，天津城市污水可生化性較好，有機(jī)物可以滿足生物除磷的需求，N和P可基本滿足微生物生長(zhǎng)對(duì)氮、磷的需求，但多數(shù)情況下反硝化碳源不足，應(yīng)注意合理控制外碳源投加量。

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Statistical Analysis of Influent Quality Characteristics of M unicipal W astewater Treatment Plants in Tianjin

SUN Yan1，ZHANG Feng1，HU Hong－ying1，2，NIU Zhang－bin3
1．State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control，School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China
2．State Environmental Protection Key Laboratory of Microorganism Application and Risk Control，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China
3．Water Administration Office，Ministry of Housing and Urban－rural Development，Beijing 100835，China

The influents of 24 wastewater treatment plants in Tianjin were investigated to analyze the characteristics of water quality，the probability distribution of themain pollution indicators，and the correlations among the organic matter，suspended solids，nitrogen and phosphorus．The results showed that the trend of BOD5，CODCr，SS， NH3－N，TN and TP in the influentswere in accordance with positively skewed distribution，and the concentrations of BOD5，CODCr，SS，NH3－N，TN and TP(monthlymedian)were in the range of95－140 mg/L，280－370 mg/L，130－155 mg/L，15－30 mg/L，20－35 mg/L and 3－5 mg/L，respectively．Simple linear relationships among the six indicators could be observed，where BOD5and TP have a significant correlation，and the correlation coefficients R2was 0．983．The probability distribution of BOD5/CODCrratios between 0．4 and 0．6 was39．4%，and between 0．2 and 0．4 was at50．2%of the cumulative frequency，indicating an adequate biodegradation ability of the influents．The probability distribution of BOD5/TN ratios less than 4 was 54．4%，77．9%of the BOD5/TP ratioswere above 20，which could meet the demand for biological phosphorus removal but not for denitrification．The probability distribution of TN/TP ratios between 5 and 15 was 73．6%with an average of 9．7，and 81．6%of the valueswere above 5．Therefore，the influents could meet the demands of nitrogen and phosphorus formicrobial growth．

wastewater treatment plant;influent quality;characteristics of influent quality;statistical analysis

X703

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．029

1674－991X(2014)03－0173－08

2013－11－21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51348011)

孫艷(1977—)，女，助理研究員，博士，主要從事污水再生利用的水質(zhì)安全評(píng)價(jià)，sun_yan@tsinghua．edu．cn

*責(zé)任作者:胡洪營(yíng)(1963—)，男，教授，博士，主要從事環(huán)境微生物學(xué)與環(huán)境生物技術(shù)、污水再生利用的水質(zhì)安全評(píng)價(jià)與保障技術(shù)等方面的研究，hyhu@tsinghua．edu．cn