瓦池污水處理廠進水水質(zhì)特征及其對出水水質(zhì)的影響分析

李嘉穎，姜應(yīng)和，龔樹毅，趙 俊

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430070；2.公安縣佳源水務(wù)有限公司，湖北荊州 434300；3.武漢理工大學供水與水污染控制研究中心，湖北武漢 430070)

擬定的污水處理廠設(shè)計進水水質(zhì)是該廠污水處理工藝流程選擇和污水處理單元設(shè)計參數(shù)確定的重要依據(jù)，污水處理廠實際進水水質(zhì)與污水處理廠出水水質(zhì)具有相關(guān)性，是污水處理廠運行調(diào)控的重要影響因素。因此，對污水處理廠進水水質(zhì)特征及其對出水水質(zhì)的相關(guān)性開展研究，對指導(dǎo)污水處理廠設(shè)計、運行和管理具有十分重要的意義[1-2]。

本文以公安縣瓦池污水處理廠2017年全年實際進水水質(zhì)資料為研究對象，分析各水質(zhì)指標的變化規(guī)律；參照德國ATV-DVWK-A131E標準[3]確定污水處理廠的設(shè)計進水水質(zhì)，與原先該廠的設(shè)計進水水質(zhì)進行比較；根據(jù)污水處理廠進水和出水水質(zhì)資料，分析各指標出水水質(zhì)與進水水質(zhì)的相關(guān)性。通過分析得到公安縣瓦池污水處理廠的進水水質(zhì)特征，為南方地區(qū)管網(wǎng)收集條件類似的污水處理廠設(shè)計和運行提供借鑒。

1 進水水質(zhì)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖1 進水水質(zhì)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.1 Monitoring Data of Influent Quality and Quantity

2 各水質(zhì)指標變化規(guī)律分析

以圖1的進水水質(zhì)實測結(jié)果為研究對象，分析各污染物指標年平均值、全年監(jiān)測值變化特征、月平均值變化規(guī)律。統(tǒng)計分析運用EXCEL軟件，作圖軟件運用SPSS 23.0和Origin 2016。

2.1 全年水質(zhì)特征分析

以標準偏差、變異系數(shù)來判斷數(shù)據(jù)的離散程度，以偏度和峰度來檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性[4]。偏度大于零則表明某指標365個監(jiān)測數(shù)據(jù)屬于正偏態(tài)分布，小于零則屬于負偏態(tài)分布，等于零則為正態(tài)分布。峰度是表征數(shù)據(jù)分布在平均值位置峰值高低的特征數(shù)，峰度大于零則峰部較尖，小于零則峰部更平緩，等于零則為正態(tài)分布。變異系數(shù)為標準偏差和平均值的比值，可比較不同數(shù)據(jù)組的離散程度大小。對圖1中進水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如表1所示。

表1 各指標進水水質(zhì)統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical Analysis of Each Index of Influent Quality

2.2 各月進水平均值變化規(guī)律分析

2017年各月處理水量及各指標進水濃度平均值如表2所示。

表2 各指標進水水質(zhì)月均值Tab.2 Monthly Average Values of Each Index of Influent Quality

注：括號內(nèi)為月份

3 設(shè)計進水水質(zhì)可靠性分析

當有一定數(shù)量實測數(shù)據(jù)時，以一定保證率作為標準來確定設(shè)計進水水質(zhì)較為科學合理[11]。德國ATV-DVWK-A131E標準[3]規(guī)定，當有40 d以上監(jiān)測數(shù)據(jù)時，一般可采用85%保證率來確定設(shè)計進水水質(zhì)。

首先將實測的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行匯總，然后從小到大進行排序，并利用式(1)計算小于等于某一濃度值的出現(xiàn)頻率，即其相應(yīng)濃度值的累積概率，計算結(jié)果如圖2所示。

P=n/(N+1)

(1)

其中：P——某一濃度值的出現(xiàn)頻率；

n——某一濃度值從小到大的序列號；

N——實測的水質(zhì)數(shù)據(jù)的總數(shù)。

圖2 各指標累積頻率Fig.2 Cumulative Frequency of Each Index

該污水處理廠原先設(shè)計進水水質(zhì)以及根據(jù)實際進水水質(zhì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)按ATV標準確定的設(shè)計進水水質(zhì)如表3所示。

表3 設(shè)計進水水質(zhì)對比Tab.3 Comparison of Designed Influent Quality Parameters

當進水BOD5為115 mg/L時，以BOD5=0.68 BODu[4]計，原水中總BOD即BODu，約為169 mg/L，即215 mg/L的CODCr中約有46 mg/L的CODCr是不可生物降解的，其中非溶解性不可生物降解的COD絕大部分被活性污泥吸附。BODu/TN=4.8，略大于4.0，基本滿足生物脫氮要求；BODu/TP=37.1，遠大于20，完全滿足生物除磷要求。實際進水的TN和TP高于設(shè)計擬定值，且設(shè)計人員常采用COD作為可生化有機物量來分析生物除磷脫氮的碳氮比和碳磷比，導(dǎo)致設(shè)計時對生物除磷脫氮效果的預(yù)期往往較為樂觀。該廠實際運行全年結(jié)果也表明，升級改造前該廠尾水出水TN達到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的概率約為90%，佐證了上述對脫氮碳源充足性的分析結(jié)果。

4 進水水質(zhì)對出水水質(zhì)的影響分析

4.1 污水處理廠出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

該污水處理廠2017年每日出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

對圖3中出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到該污水處理廠出水達標情況如表4所示。

4.2 進水濃度對出水水質(zhì)相關(guān)性分析

圖3 出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Monitoring Data of Effluent Quality

表4 出水水質(zhì)達標率Tab.4 Qualification Rate of Effluent Quality

更符合正態(tài)分布，COD、BOD5和TP更符合正偏態(tài)分布。對皮爾遜系數(shù)法而言，其適用條件之一就是每個變量都應(yīng)服從正態(tài)分布或接近正態(tài)分布；對斯皮爾曼系數(shù)法而言，其適用條件則更為寬泛，只要兩個變量是連續(xù)的成對出現(xiàn)即可，但其統(tǒng)計效能相皮爾遜系數(shù)法略差一些。根據(jù)實際進水水質(zhì)特點，選用斯皮爾曼系數(shù)法來判斷進水水質(zhì)對出水水質(zhì)的影響。

根據(jù)圖1和圖3的進出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用SPSS 23.0計算各指標進水濃度對出水影響的相關(guān)系數(shù)，其結(jié)果如表5所示。

表5 進水水質(zhì)對出水水質(zhì)影響斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析Tab.5 Spearman's Rank Correlation Coefficient of the Effect of Influent Quality on Effluent Quality

注：**表示在0.01置信區(qū)間內(nèi)，相關(guān)性顯著

5 結(jié)論

(2)除BOD5外，另外4個水質(zhì)指標月均濃度最大值集中在氣溫低的春冬季；除COD、BOD5外，另外3個水質(zhì)指標月均濃度最小值集中在氣溫較高的夏季。該廠進水水質(zhì)隨季節(jié)的變化規(guī)律與眾多南方污水處理廠相似。