典型工藝污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率與穩(wěn)定性分析

苑宏英，韓嘉瑋，張小亞，王 雪

（天津城建大學(xué)a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；d.基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)和環(huán)境綠色生物技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300384）

污水處理廠作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市周邊水環(huán)境質(zhì)量改善與污染總量減排起著重要作用. 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放總量不斷加大，據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部通報(bào)顯示[1]，截至2016 年底，國(guó)內(nèi)城市污水處理廠全年累計(jì)處理污水量達(dá)448.8 億m3，過(guò)多排放的污水嚴(yán)重影響已建成污水廠的穩(wěn)定運(yùn)行與達(dá)標(biāo)生產(chǎn).因此，合理評(píng)價(jià)已運(yùn)行污水處理廠的出水水質(zhì)，科學(xué)劃分指標(biāo)的污染等級(jí)，對(duì)污水處理廠運(yùn)行效率的提高與實(shí)現(xiàn)效益最大化具有重要意義[2-3].

國(guó)內(nèi)外的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因素指數(shù)法、可持續(xù)性績(jī)效評(píng)價(jià)法、生命周期方法、層次分析法等[4-8]，但是隨著國(guó)家環(huán)保理念的更新，水質(zhì)評(píng)價(jià)方法也由單一指標(biāo)評(píng)價(jià)向多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以往的研究中多以污水廠出水達(dá)標(biāo)率情況評(píng)估其整體運(yùn)行性能[9-10]，聯(lián)合其他參數(shù)的評(píng)價(jià)尚且不多.雖然在污水廠的運(yùn)行管理過(guò)程中，達(dá)標(biāo)率確實(shí)是污水廠運(yùn)行的首要目標(biāo)，但是隨著進(jìn)水水質(zhì)與水量的變動(dòng)，出水穩(wěn)定性也隨之改變，因此穩(wěn)定性也是評(píng)價(jià)污水廠穩(wěn)定運(yùn)行性能的重要參數(shù)[11].本文將污水廠出水達(dá)標(biāo)率與穩(wěn)定性相結(jié)合，以南方某7 座污水處理廠的出水水質(zhì)為研究對(duì)象，采用多元統(tǒng)計(jì)分析的方式，對(duì)污水廠長(zhǎng)期監(jiān)控所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[12]，同時(shí)利用多維尺度分析對(duì)污染物指標(biāo)的穩(wěn)定性進(jìn)行差異性分析，識(shí)別出其中最易發(fā)生波動(dòng)的樣本，并對(duì)污染物指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)分，制定相關(guān)的污染指標(biāo)控制清單，為現(xiàn)有城市污水廠的運(yùn)行調(diào)控和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo).

1 概況與方法

1.1 污水處理廠概況

7 座污水處理廠均地處我國(guó)南方幾個(gè)省市，大多數(shù)為中小型污水廠，最大設(shè)計(jì)規(guī)模為120 000 m3/d，最小設(shè)計(jì)規(guī)模為15 000 m3/d，設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)均為國(guó)家一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn).污水處理廠的基礎(chǔ)概況如表1 所示.

表1 城市污水處理廠概況

1.2 評(píng)價(jià)方法

依據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的多元統(tǒng)計(jì)分析的方法，將出水達(dá)標(biāo)率（出水污染物濃度小于等于排放標(biāo)準(zhǔn)限值的累積概率）與出水穩(wěn)定性（特定時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)值的波動(dòng)情況，一般使用變異系數(shù)作為穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)）相結(jié)合，以GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[13]一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)限值為達(dá)標(biāo)基準(zhǔn)，選取其中BOD5、COD、SS、TP、NH4+-N、TN 為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)污水廠水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)建立多維尺度分析模型（MDS），識(shí)別出各項(xiàng)指標(biāo)中偏離程度最顯著的指標(biāo)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)出水達(dá)標(biāo)率與穩(wěn)定性的要求制定相關(guān)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，得出相應(yīng)的污染物指標(biāo)控制清單.

1.3 數(shù)據(jù)分析

采集南方7 座污水處理廠整年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用美國(guó)SPSS 公司的PASW statistics 18.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 出水污染指標(biāo)達(dá)標(biāo)率分析

2.1.1 出水BOD5與COD 的達(dá)標(biāo)率

污水處理廠的BOD5和COD 的累計(jì)概率分布特征如圖1 所示.由圖1a 可以看出A 廠至G 廠出水BOD5的達(dá)標(biāo)率依次為100%，99.4%，100%，100%，100%，98.2%，100%. 其中A 廠對(duì)BOD5的去除效果尤為明顯，95%與100%達(dá)標(biāo)率下出水BOD5質(zhì)量濃度分別為7.24 mg/L 和9.21 mg/L.

圖1 7 座水廠出水BOD5 與COD 的累計(jì)概率

由圖 1b 可以看出 A 廠至 D 廠、G 廠出水 COD 的達(dá)標(biāo)率均為100%，F(xiàn) 廠出水COD 的達(dá)標(biāo)率為98.4%，E 廠處理COD 的效果最差，達(dá)標(biāo)率僅有87.1%，意味著全年近乎有13%的樣本出水COD 濃度不能達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，這也從側(cè)面上反映出其生物反應(yīng)池（改良SBR）中微生物對(duì)污水中有機(jī)物的分解與利用并不完全.

2.1.2 出水SS 與TP 的達(dá)標(biāo)率

污水處理廠的SS 和TP 的累計(jì)概率分布特征如圖2 所示.由圖2a 可以看出7 座污水處理廠出水SS達(dá)標(biāo)率都在98%以上.其中D 廠對(duì)污水中SS 的去除效果尤為明顯，出水SS 低于5.00 mg/L 和6.00 mg/L的樣本累計(jì)概率分別為98.4%與100%，而F 廠對(duì)污水中SS 的去除效果最差，出水SS 低于10.00 mg/L 和18.00 mg/L 的樣本累計(jì)概率分別為98.1%與100%.

圖2 7 座水廠出水SS 與TP 的累計(jì)概率

就圖2b 中TP 的達(dá)標(biāo)率情況而言，7 座污水處理廠中除A 廠TP 達(dá)標(biāo)率為98.5%外，其余6 座污水處理廠出水TP 的達(dá)標(biāo)率均為100%，整體達(dá)標(biāo)情況較為良好.

2.1.3 出水NH4+-N 與TN 的達(dá)標(biāo)率

由于所選污水處理廠地處于我國(guó)南方，冬季平均氣溫都高于12 ℃，因此以5 mg/L 作為污水廠排放NH4+-N 的限值.污水處理廠的NH4+-N 與TN 的累計(jì)概率分布特征如圖3 所示.由圖3a 可見(jiàn)7 座污水處理廠出水NH4+-N 達(dá)標(biāo)率依次為98.8%，100%，100%，100%，72.1%，100%，100%. 其中 E 廠 NH4+-N 的達(dá)標(biāo)率只有72.1%，意味著全年有將近28%的超標(biāo)污水排入河道，嚴(yán)重威脅水生植物健康的同時(shí)也會(huì)破壞水體[14-15].

圖3 7 座水廠出水NH4+-N 和TN 的累積概率

7 座污水處理廠除E 廠出水TN 達(dá)標(biāo)率為48%外，其余污水處理廠達(dá)標(biāo)率均為100%，可見(jiàn)E 廠整體的脫氮效果最差，從一方面可以反映出其生物反應(yīng)池（改良SBR）中微生物對(duì)氮的去除率較差.

2.2 出水污染指標(biāo)穩(wěn)定性分析

郭峰與阮建等人[16]使用變異系數(shù)對(duì)不同種花生的品質(zhì)性狀進(jìn)行綜合分析，通過(guò)品種之間的相互比較，分析了各種花生在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)遺傳穩(wěn)定性上的差異，從而為花生的育種提供了一定的科學(xué)建議.變異系數(shù)是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比，消除了測(cè)量尺度與量綱的影響，能夠客觀地反映出數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值[17]，因此，本文使用變異系數(shù)法對(duì)各污水廠出水指標(biāo)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析.城市污水處理廠出水水質(zhì)特征如表2 所示.

表2 城市污水處理廠出水水質(zhì)特征 mg/L

由表2 中7 座城市污水處理廠出水水質(zhì)特征可以看出，幾座污水廠的單因素指標(biāo)的平均值與變異系數(shù)存在差異與相似，說(shuō)明各污水廠穩(wěn)定處理污染物的能力各不相同，其中個(gè)別污水處理廠的變異系數(shù)超過(guò)1，說(shuō)明樣本的離散程度較大，穩(wěn)定處理污染物的能力稍差，出水污染物濃度可能超標(biāo)或逼近排放標(biāo)準(zhǔn)限值.

為進(jìn)一步分析污染物指標(biāo)穩(wěn)定性的差異，采用多元統(tǒng)計(jì)分析的方式，建立多維尺度模型，得到由BOD5、COD、SS、TN、NH4+-N 和 TP 共 6 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的二維定位坐標(biāo)圖，如圖4 所示.

圖4 污染物指標(biāo)二維坐標(biāo)圖

由圖4 污染物指標(biāo)二維坐標(biāo)圖可以看出，BOD5、COD、SS、TN、NH4+-N 和 TP 被劃分到 4 個(gè)象限. 其中COD、SS 與TN 處于一個(gè)象限，其他3 個(gè)指標(biāo)各自單獨(dú)處于一個(gè)象限. 由表2 可以看出7 座污水處理廠SS值的變異系數(shù)整體較小，說(shuō)明其出水較為穩(wěn)定，則與其處于相同象限的COD 和TN 亦有較高的穩(wěn)定性，而TP、BOD5 和NH4+-N 均處于不同的象限，說(shuō)明這3 個(gè)指標(biāo)的出水不穩(wěn)定，波動(dòng)較為明顯，根據(jù)歐式距離計(jì)算結(jié)果可知出水中NH4+-N 與其他指標(biāo)的偏離程度最大，屬于波動(dòng)程度最大的污染物，因此在污水廠的管理運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)NH4+-N 指標(biāo)的監(jiān)控，防止出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象.

2.3 出水水質(zhì)的分級(jí)評(píng)價(jià)

以7 座污水處理廠出水水質(zhì)為樣本，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)污水處理廠出水達(dá)標(biāo)率和穩(wěn)定性的要求[18-19]，制定相應(yīng)的污水處理廠出水水質(zhì)分級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則.

邢麗貞等人[20]研究表明污水廠出水達(dá)標(biāo)率超過(guò)95%的情況下，認(rèn)定穩(wěn)定性等級(jí)較高，否則以變異系數(shù)（Cov）作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo).Metcalf&Eddy 等人[21]和污水廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出了使用Cov 對(duì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的判別依據(jù)，即 Cov＜0.3 時(shí)穩(wěn)定性好，0.3＜Cov＜0.6 時(shí)穩(wěn)定性較好，Cov＞0.6 時(shí)穩(wěn)定性較差. 本評(píng)價(jià)采用十分制方式評(píng)價(jià)水質(zhì)，把污水廠的達(dá)標(biāo)率與穩(wěn)定性定義為較低、低、一般、較高、高共5 個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)著1～5 分. 城市污水處理廠水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則如表3 所示.

表3 城市污水處理廠水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)則

最終以污水出水的達(dá)標(biāo)率與穩(wěn)定性兩項(xiàng)分?jǐn)?shù)之和進(jìn)行分級(jí)：總分低于3 分的水廠需要重點(diǎn)控制，滿意程度以“※”表示；4～5 分的水廠需要一級(jí)控制，以“+++”表示；6～7 分的水廠需要二級(jí)控制，以“++”表示；8～9 分的水廠需要三級(jí)控制，以“+”表示；總分為10 分的水廠各方面水平都比較高，無(wú)需控制以“■”表示.城市污水處理廠水質(zhì)滿意程度評(píng)價(jià)規(guī)則如表4所示.

表4 城市污水處理廠水質(zhì)滿意程度評(píng)價(jià)規(guī)則

以A 廠評(píng)價(jià)為例：圖1a 中A 廠達(dá)標(biāo)率為100%，表2 中A 廠BOD5項(xiàng)目變異系數(shù)為0.446；對(duì)應(yīng)得到A 廠BOD5項(xiàng)目達(dá)標(biāo)率評(píng)分為5 分，穩(wěn)定性評(píng)分為4分，總分為9 分；A 廠控制等級(jí)為三級(jí)控制，滿意程度為“+”.

通過(guò)對(duì)7 座污水處理廠出水水質(zhì)分析，依據(jù)表3和表4 所示規(guī)則，得到了污水處理廠污染指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、NH4+-N 和 TN 的水質(zhì)指標(biāo)滿意程度評(píng)價(jià)表與水質(zhì)控制清單，如表5-6 所示.

表5 水質(zhì)指標(biāo)滿意程度評(píng)價(jià)表

表6 城市污水處理廠水質(zhì)控制清單

如表6 所示，A 廠NH4+-N 需要二級(jí)控制，其余指標(biāo)為三級(jí)控制；B 廠需要二級(jí)控制的指標(biāo)是BOD5，其余指標(biāo)均為三級(jí)控制；C 廠 TN、TP、NH4+-N 需要三級(jí)控制；D 廠僅需要對(duì) TP、NH4+-N 進(jìn)行三級(jí)控制；E 廠TN 與NH4+-N 需要重點(diǎn)控制，COD 需要一級(jí)控制，BOD5、SS、TP 需要三級(jí)控制；F 廠需要二級(jí)控制的指標(biāo)是BOD5，其余指標(biāo)均為三級(jí)控制；G 廠三級(jí)控制的指標(biāo)為 BOD5、COD、TN、TP、NH4+-N. 整體而言，D 廠的出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)情況最好，E 廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)情況較差.

3 結(jié) 論

（1）7 座污水處理廠中除E 廠外其余幾座污水廠的出水 BOD5、COD、SS、TP、TN、NH4+-N 達(dá)標(biāo)率都在95%以上. E 廠出水的 COD 達(dá)標(biāo)率為 87%，TN 與NH4+-N 的達(dá)標(biāo)率都在75%以下，其余指標(biāo)達(dá)標(biāo)率都在98%以上. MDS 分析模型顯示，7 座污水廠出水NH4+-N 的穩(wěn)定性與其他指標(biāo)的偏離程度最大，易超標(biāo)或者逼近排放限值，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)出水中NH4+-N 含量的監(jiān)控監(jiān)管.

（2）E 廠 TN 與 NH4+-N 需要重點(diǎn)控制，COD 需要一級(jí)控制，A 廠 NH4+-N 需要二級(jí)控制，B 廠與 F 廠的BOD5需要二級(jí)控制，整體而言D 廠的出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)情況最好，E 廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)情況較差，各污水廠應(yīng)根據(jù)水廠財(cái)政現(xiàn)狀與地區(qū)政策要求，在優(yōu)先改進(jìn)需重點(diǎn)控制的水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地制定適應(yīng)不同污水處理廠的技術(shù)改進(jìn)的路線，最終實(shí)現(xiàn)污水廠出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)與效益最大化.