合肥市污水處理廠進水水質(zhì)特征的統(tǒng)計學(xué)分析

柳 勇，董寶剛，徐 超，陶國慶

(合肥市排水管理辦公室，安徽合肥 230001)

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，合肥市及周邊區(qū)域人口快速增長，污水處理量也不斷增加。截至2019年年底，合肥市投運的城鎮(zhèn)污水處理廠(含下轄縣市)24座，全年處理污水7.67億t，對改善巢湖流域水生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了極其重要的作用。為進一步加強巢湖流域水污染防治，2018年7月，合肥市污水處理廠開始全面執(zhí)行《巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 34/2710—2016)標準，新標準下出水排放限值全面嚴于一級A標準。

進水水質(zhì)不僅是污水處理廠設(shè)計建造、生產(chǎn)管理及工藝調(diào)控的重要參考，更是影響出水達標的首要因素，充分了解污水處理廠進水水質(zhì)特征，對節(jié)約建設(shè)投資和運營成本、確保出水達標都具有重要的現(xiàn)實意義。近年來，隨著各地污水排放標準的不斷提高，對污水處理廠進水水質(zhì)特征的研究逐漸成為行業(yè)熱點[1-4]。本文擬通過分析合肥市24座污水處理廠進水有機物、氮、磷及懸浮顆粒物的變化特征、概率分布規(guī)律及各指標間的相關(guān)關(guān)系，以期在新排放標準下，為合肥市污水處理廠的運行管理、提標改造提供理論依據(jù)。

1 研究方法

以合肥市24座城鎮(zhèn)污水處理廠2019年全年的進水水質(zhì)數(shù)據(jù)(月均值)為基礎(chǔ)，選取生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)及懸浮固體(SS)6項指標為分析對象，運用統(tǒng)計學(xué)方法分析各指標的分布規(guī)律及相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計分析采用SPSS 23.0軟件，繪圖采用origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 進水水質(zhì)特征分析

2019年合肥市污水處理廠進水BOD5、COD、NH3-N、TN、TP和SS的統(tǒng)計結(jié)果和概率分布分別如表1、圖1所示。根據(jù)表1給出的Kolmogorov-Smirnov檢驗和Shapiro-Wilk檢驗結(jié)果，分析進水水質(zhì)指標分布是否符合正態(tài)性分布，因為樣本數(shù)較少(N<1 000)，采用Shapiro-Wilk檢驗更為精確。一般情況下，當顯著性水平(significance level, Sig.)>0.05時，則認為數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。經(jīng)過Shapiro-Wilk檢驗，可以發(fā)現(xiàn)BOD5和COD的Shapiro-Wilk Sig.>0.05，說明BOD5和COD符合正態(tài)分布；而NH3-N、TN、TP和SS的Shapiro-Wilk Sig.<0.05，不符合正態(tài)分布。另外，NH3-N、TN、TP及SS的偏度和峰度均大于0，說明這4項指標均為正偏態(tài)分布，且數(shù)據(jù)分布相對于正態(tài)分布更陡峭。

表1 進水水質(zhì)統(tǒng)計分析和正態(tài)性檢驗Tab.1 Statistical Analysis and Normality Test of Influent Water Quality

圖1顯示了進水各項指標的概率分布規(guī)律。進水BOD5為18.6～168.0 mg/L，均值為88.8 mg/L，中間值為90.5 mg/L，50%的進水BOD5<90.5 mg/L，80%的進水BOD5<114.5 mg/L；進水CODCr為33.7～375.0 mg/L，均值為191.1 mg/L，中間值為188.7 mg/L，50%的進水CODCr<188.7 mg/L，80%的進水CODCr<251.0 mg/L；進水NH3-N為4.4～59.4 mg/L，均值為27.2 mg/L，中間值為26.5 mg/L， 50%的進水NH3-N<26.5 mg/L，80%的進水NH3-N<33.3 mg/L；進水TN為9.2～73.0 mg/L，均值為34.6 mg/L，中間值為33.9 mg/L，50%的進水TN<33.9 mg/L，80%的進水TN<40.3 mg/L；進水TP為0.5～11.5 mg/L，均值為3.4 mg/L，中間值為3.2 mg/L， 50%的進水TP<3.2 mg/L，80%的進水TP<4.2 mg/L；進水SS為34.8～342.0 mg/L，均值為140.2 mg/L，中間值為130.8 mg/L， 50%的進水SS<130.9 mg/L，80%的進水SS<171.8 mg/L。

圖1 進水水質(zhì)概率分布Fig.1 Probability Distribution of Influent Water Quality

設(shè)計資料顯示，合肥市24座污水處理廠設(shè)計進水BOD5、CODCr、NH3-N、TN、TP、SS分別為150～220、250～440、24～60、35～70、3～8.5、180～330 mg/L，實際進水水質(zhì)與設(shè)計水質(zhì)差異較大，這不僅造成設(shè)備選型不匹配，投資浪費，還導(dǎo)致污水處理廠長期低負荷運行，運行調(diào)控困難，處理效率低下。與太湖流域污水處理廠進水相比，合肥市污水處理廠進水BOD5、COD濃度偏低，而NH3-N、TN、TP及SS濃度偏高[4]。為保證出水水質(zhì)，污水處理廠需要投加更多的碳源，這不僅增加藥劑成本，也大大增加了污泥產(chǎn)量。

2.2 進水指標比例的分布特征

2.2.1 進水BOD/COD

測定BOD/COD是鑒定污水可生化性的最簡便易行且常用的方法。當BOD/COD<0.1時，污水不適合生物處理;當0.20.4的累積概率為83.8%，在0.4～0.6的概率為79.8%，>0.6的概率為4.0%。說明合肥市污水處理廠總體進水可生化性較好，適合生化處理。

圖2 進水BOD/COD的概率分布Fig.2 Probability Distribution of Influent BOD/COD

2.2.2 進水BOD/TN

污水中的氮主要通過硝化反硝化過程去除，好氧階段硝化菌將氨或銨鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，缺氧階段反硝化菌利用硝酸鹽作為電子受體，BOD5作為電子供體，將硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為氮氣。理論上，去除1 g的氮需要消耗2.86 g的BOD5[5]，一般BOD/TN>3～5時，可以認為碳源充足[6]。進水BOD/TN的概率分布如圖3所示，進水BOD/TN為0.71～3.81，平均值為2.50，中位值為2.52，進水BOD/TN<2.86的累積概率為72.7%，而BOD/TN>3的累積概率僅為20.9%，大多數(shù)BOD/TN的概率分布集中在2～3，占比達60.4%，說明合肥市污水處理廠進水BOD/TN普遍偏低，反硝化脫氮過程碳源不足。

圖3 進水BOD/TN的概率分布Fig.3 Probability Distribution of Influent BOD/TN

2.2.3 進水BOD/TP

生物除磷的基本原理是厭氧階段兼性細菌將BOD5轉(zhuǎn)化為低分子發(fā)酵物(VFAS)，聚磷菌在吸收VFAS過程中釋放磷酸鹽，在隨后的好氧階段聚磷菌超量吸磷產(chǎn)生富磷污泥，然后通過剩余污泥排放將磷從系統(tǒng)中去除。這一過程中，BOD/TP是影響生物除磷效果的關(guān)鍵因素，比值越高，出水磷濃度越低，一般認為BOD/TP>20時，方可獲得較為理想的出水磷濃度[5]。進水BOD/TP的概率分布如圖4所示，進水BOD/TP為6.4～50.2，平均值為26.2，中位值為25.5，82.0%的BOD/TP>20的累積概率為82.0%，BOD/TP在20～30的概率分布占比最高，達到56.8%。理論上，進水碳源基本滿足生物除磷需求。

圖4 進水BOD/TP的概率分布Fig.4 Probability Distribution of Influent BOD/TP

2.2.4 進水SS/BOD

研究認為，由于我國大部分城市仍存在較多的雨污合流，大量泥沙隨地表徑流進入污水處理廠，導(dǎo)致進水SS/BOD偏高[7]。這會對污水處理廠運行產(chǎn)生諸多不利影響，一方面導(dǎo)致污泥活性下降，反硝化速率降低，TN去除效果變差[8]；另一方面，粒徑較大的SS易沉淀在生化池底部，造成實際池容變小，降低污水處理效率。進水SS/BOD的概率分布如圖5所示，進水SS/BOD為0.68～6.42，平均值為1.75，中位值為1.53，進水SS/BOD>1.1的累積概率高達86.3%，高比值(1.4～2)和超高比值(>2)的累積概率分布分別達到36.7%和25.9%。與全國城鎮(zhèn)污水處理廠相比[9]，合肥市污水處理廠進水SS/BOD明顯偏高，這是實現(xiàn)TN穩(wěn)定達標排放的主要障礙之一。

圖5 進水SS/BOD的概率分布Fig.5 Probability Distribution of Influent SS/BOD

2.3 進水水質(zhì)指標相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是研究兩組或兩組以上隨機變量間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計分析方法。在相關(guān)性分析中，相關(guān)系數(shù)是反映變量間關(guān)系密切程度的主要指標，常見相關(guān)系數(shù)為Pearson相關(guān)系數(shù)、Spearman秩相關(guān)系數(shù)和Kendall等級相關(guān)系數(shù)。Pearson相關(guān)系數(shù)適用于正態(tài)分布或接近正態(tài)的單峰分布的數(shù)據(jù)；Kendall等級相關(guān)系數(shù)更多地用于含有分類變量數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析；而Spearman秩相關(guān)系數(shù)適用條件則較為寬松，對具有不同分布形態(tài)、樣本數(shù)的數(shù)據(jù)均適用。根據(jù)2.1節(jié)的討論可知，合肥市污水處理廠進水各項指標具有不同的樣本數(shù)及分布特征，因此,本研究采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。

表2 各指標的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation Analysis of Various Indicators

進水各指標間雙尾檢驗的顯著性均為0.000<0.01，說明各指標間相關(guān)性顯著。由Spearman秩相關(guān)系數(shù)可知，BOD5與COD，NH3-N與TN具有極強的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.938、0.897；BOD5與NH3-N、TN、TP的相關(guān)性較好，其相關(guān)性系數(shù)分別為0.620、0.793、0.724，TN與TP也具有較好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.628；SS與BOD5、COD、TP具有一定的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.486、0.550、0.483，而與NH3-N、TN相關(guān)性較弱，相關(guān)性系數(shù)分別為0.276、0.374。整體而言，BOD5、COD、NH3-N、TN、TP這5項指標間的相關(guān)系數(shù)普遍較高，相關(guān)性較好，而SS與其他5項指標的相關(guān)系數(shù)整體偏低，相關(guān)性較弱，說明污水處理廠的進水SS具有與其他污染物不同的來源。

進一步分析各指標間的線性相關(guān)性。對BOD5、COD、NH3-N、TN、TP、SS這6項指標的月均值采用最小二乘法進行線性回歸計算，其回歸方程和相關(guān)系數(shù)(R2)如表3所示。

表3 各指標的回歸分析Tab.3 Regression Analysis of Various Indicators

分析可知，BOD5與COD，NH3-N與TN具有極強的線性關(guān)系，R2分別為0.885、0.856；BOD5與NH3-N、TN、TP均具有較強的線性關(guān)系，R2分別為0.415、0.596、0.440；SS與BOD5、COD及TP的線性關(guān)系一般，R2分別為0.230、0.290、0.259，而與NH3-N及TN幾乎沒有線性關(guān)系，R2分別為0.120、0.181。

2.4 新標準下出水水質(zhì)達標建議

根據(jù)第2.2節(jié)討論可知，合肥市污水處理廠進水可生化性較好，出水COD和NH3-N達標較易，但出水TN和TP達標則較困難。

新排放標準TN的排放限值由15 mg/L提升至10 mg/L。結(jié)合合肥市污水處理廠進水水質(zhì)特征，可以發(fā)現(xiàn)，提高污水處理廠TN去除率的難點在于進水BOD/TN偏低、SS/BOD偏高。因此，首先應(yīng)在排水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域逐步取消化糞池，污水直接排入污水管網(wǎng)，并推進管網(wǎng)雨污分流改造，加大錯接、漏接管網(wǎng)整改力度，定期進行管網(wǎng)清淤，以提高進水有機物濃度，降低進水泥沙含量[7,10-11]；其次，應(yīng)充分挖掘污水處理廠處理潛能，通過降低初沉池表面負荷或采用柵間距更小的格柵提高SS去除率，采用技術(shù)手段強化內(nèi)源碳的利用，投加外部碳源提高反硝化速率，若不能滿足脫氮需求，可向好氧池投加懸浮填料，增加系統(tǒng)微生物種類和數(shù)量，增強脫氮效果[12]，若出水TN仍不能穩(wěn)定達標，再考慮增設(shè)反硝化深床濾池等深度處理設(shè)施脫氮。

新排放標準TP的排放限值由0.5 mg/L提升至0.3 mg/L。合肥市污水處理廠進水水質(zhì)基本能夠滿足生物除磷需求，但在混合系統(tǒng)中，反硝化菌會優(yōu)先于聚磷菌利用碳源進行反硝化脫氮，導(dǎo)致聚磷菌厭氧釋磷過程減弱，好氧吸磷程度降低，生物除磷效果變差[13]。鑒于生物除磷效果不穩(wěn)定，且磷可以通過后續(xù)化學(xué)法去除，建議采用化學(xué)除磷為主、生物除磷為輔的方式除磷，污水處理廠應(yīng)根據(jù)本廠實際情況選擇除磷藥劑及工藝。

3 結(jié)論

(1)Shapiro-Wilk檢驗結(jié)果表明，合肥市污水處理廠進水BOD5、COD濃度分布為正態(tài)分布，而NH3-N、TN、TP和SS濃度分布呈正偏態(tài)分布。進水BOD/COD、BOD/TN、BOD/TP、SS/BOD的累積概率分布表明，合肥市污水處理廠進水可生化性較好，進水有機物基本滿足生物除磷需求，但反硝化過程碳源不足，且進水SS/BOD較高，對生化系統(tǒng)也會產(chǎn)生不利影響。

(2)Spearman秩相關(guān)系數(shù)表明，各指標間相關(guān)性顯著(a<0.01)。其中BOD5與COD，TN與NH3-N具有極強的相關(guān)性，BOD5與NH3-N、TN、TP的相關(guān)性較強，SS與其他5項指標整體上相關(guān)性較弱。線性回歸分析表明，BOD5與COD，NH3-N與TN均具有極強的線性關(guān)系，SS與BOD5、COD及TP具有一定線性關(guān)系，而與NH3-N和TN幾乎沒有線性關(guān)系。

(3)為滿足合肥市新排放標準下的出水要求，建議采取在排水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域逐步取消化糞池，推進雨污分流改造，對錯接漏接管網(wǎng)進行整改等措施提高進水有機物濃度，降低進水SS濃度；同時，在末端污水處理廠通過優(yōu)化運行工藝、增設(shè)深度處理設(shè)施等手段提高脫氮除磷效率，確保出水水質(zhì)達標。