生化處理模式下生豬養(yǎng)殖污水特征分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)

周 昊，周素茵，鄔心迪

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3. 浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

近年來(lái)，隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展，規(guī)模豬場(chǎng)普遍采用生化處理模式[1?2]對(duì)養(yǎng)殖污水處理后進(jìn)行排放，但由于受處理工藝穩(wěn)定性及其他因素的影響，大量排放的污水達(dá)標(biāo)與否成為突出問題[3?4]。因此，提出合理、快速的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法用于污水實(shí)時(shí)監(jiān)管十分必要?，F(xiàn)有的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究主要是針對(duì)地下水及河流湖泊等地表水[5?7]。在單因子評(píng)價(jià)法的研究中，超標(biāo)最嚴(yán)重的指標(biāo)往往被簡(jiǎn)單地視作整體水質(zhì)的決定性因素，而其他指標(biāo)所產(chǎn)生的綜合影響則被忽視，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。模糊綜合評(píng)價(jià)法常用于地下水的評(píng)價(jià)，方運(yùn)海等[8]引入相對(duì)隸屬度概念建立起模糊綜合優(yōu)化模型評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)，并證明了模型的可靠性，但該方法仍存在隸屬函數(shù)判定區(qū)間不精確、水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表達(dá)方式單一等問題。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在自學(xué)習(xí)以及自適應(yīng)功能方面優(yōu)勢(shì)顯著，有利于將各水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)整體等級(jí)更好地?cái)M合，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)[9?10]，孔剛等[11]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)，在減小了人為影響因素的同時(shí)，得到更加貼近客觀實(shí)際的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，但因其對(duì)樣本依賴性過強(qiáng)而具有局限性。與以上方法相比，水質(zhì)指數(shù)(water quality index，WQI)方法能夠結(jié)合多個(gè)環(huán)境參數(shù)并將其有效地轉(zhuǎn)換為反映水質(zhì)狀況的單個(gè)值，被廣泛用于地下水和地表水的水質(zhì)評(píng)價(jià)[12?13]，在水資源管理中起著越來(lái)越重要的作用。KAMRAN等[14]對(duì)河流水采用主成分分析法提取主要指標(biāo)后，再結(jié)合WQI方法對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。目前，規(guī)模豬場(chǎng)針對(duì)生化處理后的養(yǎng)殖污水水質(zhì)評(píng)價(jià)僅以GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的各指標(biāo)限值作為依據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的單一性和片面性。本研究以一家采用SFAO4(step-feed four-stage micro aeration units)微氧曝氣工藝的規(guī)模豬場(chǎng)處理后的養(yǎng)殖污水為研究對(duì)象，在分析其水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)和WQI的生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，以期為生化處理后的生豬養(yǎng)殖污水提供準(zhǔn)確和快速的評(píng)價(jià)方法。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

本研究自2018年秋至2020年秋對(duì)浙北一家規(guī)模豬場(chǎng)處理后的養(yǎng)殖污水進(jìn)行隨機(jī)采樣，累計(jì)樣本81組，其中春、夏、秋、冬分別采樣20、19、24和18組。

1.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

以GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的指標(biāo)和現(xiàn)有規(guī)模豬場(chǎng)中常規(guī)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)，本研究選取了氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(COD)、酸堿度(pH)和電導(dǎo)率(EC)共6個(gè)指標(biāo)對(duì)生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 水質(zhì)指數(shù)計(jì)算

為避免水質(zhì)評(píng)價(jià)的片面性和單一性，初始水質(zhì)指數(shù)(WQI)的計(jì)算選取了評(píng)價(jià)生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)常用的NH3-N、COD、TN、TP、pH共5個(gè)指標(biāo)，計(jì)算方法如式(1)所示。根據(jù)每個(gè)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的影響程度及相對(duì)重要性，為其分配權(quán)重[15?17]，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除變量的不同量綱和不同數(shù)量級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響(表1)。

表1 各指標(biāo)權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)化值Table 1 Weights and standardized values of water quality indexes

式(1)中：n為指標(biāo)總數(shù)，Ci和Pi分別為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值與權(quán)重。IWQ為水質(zhì)指數(shù)，取值范圍為[0,100]，根據(jù)水質(zhì)指數(shù)把水質(zhì)等級(jí)劃分為：很好(90,100]、好 (70, 90]、一般 (50, 70]、差 (30, 50]、很差[0, 30]。在保證水質(zhì)評(píng)價(jià)合理的同時(shí)，為了縮減評(píng)價(jià)指標(biāo)以提高評(píng)價(jià)速度，本研究采用逐步回歸分析法篩選影響生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，并引入了加權(quán)和非加權(quán)最小水質(zhì)指數(shù)模型[18]，分別表示為WQImin-w和 WQImin-nw。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)特征

從表2可以看出：部分樣本的TN質(zhì)量濃度偏高 ， 最 大 質(zhì) 量 濃 度 為183.00 mg·L?1；NH3-N、COD和TP的平均質(zhì)量濃度分別為6.36、40.79和2.40 mg·L?1，均遠(yuǎn)低于限值，且標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小；pH均在正常范圍內(nèi)。

表2 水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of water quality indexes

對(duì)不同季節(jié)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖1)可以看出：秋、冬季TN和NH3-N的質(zhì)量濃度及EC相比春、夏季較高；TP的質(zhì)量濃度春季較小；COD四季變化規(guī)律不明顯；pH在春季相對(duì)較高。

圖1 水質(zhì)指標(biāo)季節(jié)變化規(guī)律Figure 1 Regulation of concentration or value of water quality indexes in different seasons

2.2 水質(zhì)指數(shù)分析

將采樣數(shù)據(jù)代入水質(zhì)指數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果表明：81組樣本中有64組等級(jí)為好，占比為79.0%，等級(jí)為一般和很好的樣本分別占8.6%和12.4%。從圖2可以看出：不同季節(jié)中水質(zhì)指數(shù)差異較大，秋、冬季的污水水質(zhì)指數(shù)相對(duì)較低，平均為60～80，而春、夏季的水質(zhì)指數(shù)顯著增大，平均為75～95，尤其在夏季較為突出，這表明總體上春、夏季的水質(zhì)較好。

圖2 生豬養(yǎng)殖污水初始水質(zhì)指數(shù)Figure 2 Initial water quality indexes value of swine breeding wastewater

2.3 最小水質(zhì)指數(shù)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

2.3.1 模型構(gòu)建 從 81組樣本中根據(jù)不同季節(jié)共隨機(jī)抽取45組用于建模，其余36組用于模型檢驗(yàn)。如表3所示：在構(gòu)建最小水質(zhì)指數(shù)模型(WQImin)之前，利用逐步多元線性回歸法確定了對(duì)水質(zhì)指數(shù)影響最大的指標(biāo)為TN(模型1，R2=0.859，P＜0.001)，依次增加NH3-N、COD后，模型的決定系數(shù)(R2)逐漸增加(模型2、模型3)。從R2變化可以看出：NH3-N、COD對(duì)模型精度有較為明顯的提升；但加入TP后，R2僅提升了0.005(模型4)。因此，TN、NH3-N和COD對(duì)水質(zhì)指數(shù)的影響較大。

周昊等[19]發(fā)現(xiàn)生豬污水中NH3-N、TN和EC具有強(qiáng)相關(guān)性，其中NH3-N、TN的標(biāo)準(zhǔn)化值可分別通過替代模型由EC推導(dǎo)的NH3-N(記做NH3-Nd)、TN(記做TNd)標(biāo)準(zhǔn)化值代替。本研究將NH3-N、TN分別與EC和WQI進(jìn)行相關(guān)性分析表明：①NH3-N、TN與EC的強(qiáng)相關(guān)性依然存在，相關(guān)系數(shù)分別為0.738和0.914。②NH3-N、TN與WQI的相關(guān)系數(shù)分別為0.898和0.938；NH3-Nd、TNd與WQI的相關(guān)系數(shù)分別為0.768和0.812。因此NH3-N和TN的推導(dǎo)值與實(shí)測(cè)值均與WQI顯著相關(guān)。

基于這一結(jié)論，本研究利用NH3-Nd和TNd計(jì)算WQI (記做WQId)，并將其與初始WQI值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：①WQId與初始WQI之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，其R2為0.721，P＜0.001；②WQId與WQI的差值平均值僅為1.13，標(biāo)準(zhǔn)差為3.8，差值小于等于5的組數(shù)占總組數(shù)的88.73%。因此，WQId與WQI差距較小，采用NH3-Nd和TNd替代NH3-N和TN實(shí)測(cè)值計(jì)算WQI值是可行的。綜上，在利用逐步多元線性回歸方法剔除TP并確定NH3-N、TN和COD等3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)后，利用NH3-Nd和TNd可再次精簡(jiǎn)計(jì)算WQI所需指標(biāo)，僅需要使用EC和COD計(jì)算WQI即可。在45組建模樣本中，將原NH3-N和TN分別用NH3-Nd和TNd替換，得出模型5～7共3個(gè)WQI模型(表3)，這3個(gè)模型的R2逐步遞增，分別為0.842、0.925和0.994。因此，本研究選擇精度最高的模型7作為WQImin模型。

表3 基于實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的水質(zhì)指數(shù)逐步多元回歸結(jié)果Table 3 Water quality indexes stepwise multiple regression results based on measured values

2.3.2 模型驗(yàn)證 以模型7為驗(yàn)證對(duì)象，將加權(quán)最小水質(zhì)指數(shù)模型WQImin-w和非加權(quán)最小水質(zhì)指數(shù)模型WQImin-nw進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。首先基于決定系數(shù)(R2)、殘差平方和(RSS)以及顯著性(P)來(lái)判斷模型本身的擬合優(yōu)度和精度，再將基于WQImin-w、WQImin-nw計(jì)算得到的WQI值，與通過初始5個(gè)指標(biāo)計(jì)算得到的WQI值的線性擬合效果判斷模型的適用性。以EC和COD作為關(guān)鍵指標(biāo)，將36組檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入2個(gè)模型，進(jìn)行精度檢驗(yàn)。模型WQImin-w和WQImin-nw的P＜0.001，其中模型WQImin-w的決定系數(shù)(0.994)略高于模型WQImin-nw(0.971)，且模型WQImin-w的殘差平方和(RSS)為1.327，小于模型WQImin-nw(6.580)。因此，模型WQImin-w的擬合優(yōu)度和精度略高于模型WQImin-nw。為進(jìn)一步判斷模型的適用性，將檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)分別代入2個(gè)模型，得到WQI值，與初始WQI值進(jìn)行線性擬合分析。從圖3可知：由模型WQImin-w得到的WQI值與初始WQI值具有更密切的相關(guān)性，其擬合直線決定系數(shù)為0.855，略高于模型WQImin-nw(0.854)；模型WQImin-nw對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)與1∶1參考線的距離普遍較大，且偏離程度大于WQImin-w中擬合直線與1∶1參考直線的偏離程度。圖4為分別通過2個(gè)模型以及初始WQI公式計(jì)算得到的36組水質(zhì)指數(shù)，可以直觀地看出：模型WQImin-w的WQI值與初始WQI值較為接近，而模型WQImin-nw的誤差相對(duì)較大?？梢?，模型WQImin-w的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與初始WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果一致程度更高(91.7%)，而模型WQImin-nw的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果誤差相對(duì)較大，一致程度僅為83.3%。綜合以上對(duì)比結(jié)果，模型WQImin-w更適用于生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)的評(píng)價(jià)。

圖3 WQImin 模型驗(yàn)證Figure 3 Validation of WQImin model

圖4 模型 7計(jì)算的 WQI值與初始 WQI值對(duì)比Figure 4 Comparison of WQI value calculated by model 7 with initial WQI value

3 討論

3.1 生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)影響因素分析

本研究結(jié)果表明：相對(duì)于TP、pH和COD這3個(gè)污水水質(zhì)主要指標(biāo)，TN和NH3-N這2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的大小受季節(jié)變化影響較為明顯，這可能與不同季節(jié)的氣溫有關(guān)。仇天雷[20]研究發(fā)現(xiàn)：在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，溫度的升高有利于養(yǎng)殖廢水中NH3-N的消除。何佳敏等[21]研究了溫度對(duì)升流式微氧活性污泥反應(yīng)器(UMSR)處理高NH3-N、低碳氮比養(yǎng)豬廢水效能的影響，結(jié)果表明當(dāng)溫度下降時(shí)，TN和NH3-N的去除率均有大幅度下降，而其他指標(biāo)的去除率變化不明顯。諸多關(guān)于城市生活污水處理工藝或水質(zhì)影響因素的研究中也有同一發(fā)現(xiàn)[22?24]，即不同處理工藝的污水處理效果均與溫度密切相關(guān)。因春夏季平均氣溫高于秋冬季，故本研究處理后的污水水質(zhì)為春夏季優(yōu)于秋冬季，且以夏季最優(yōu)。此外，污水曝氣情況、靜置時(shí)間、陽(yáng)光照射等因素也可能對(duì)各指標(biāo)的值產(chǎn)生影響[25]。曝氣是否充分是影響污水指標(biāo)質(zhì)量濃度的重要因素，如曝氣不足將導(dǎo)致溶解氧供應(yīng)不充分，直接影響微生物的代謝，從而降低COD、NH3-N和TP的去除率[26]；曝氣過量也同樣會(huì)影響污水處理效率，可能導(dǎo)致COD等指標(biāo)質(zhì)量濃度超標(biāo)[27]。

3.2 模型精度影響因素分析

污水樣本檢測(cè)的精度、水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法、權(quán)重分配是影響水質(zhì)評(píng)價(jià)模型精度的主要因素。本研究以地表水水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法為參考，結(jié)合生豬養(yǎng)殖污水的特點(diǎn)，基于GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)污水中相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化值共分為11個(gè)等級(jí)，而等級(jí)數(shù)和等級(jí)劃分的細(xì)致程度會(huì)對(duì)水質(zhì)指數(shù)的大小產(chǎn)生直接影響。在權(quán)重分配環(huán)節(jié)，是以地下水及河流湖泊等地表水水質(zhì)研究中的權(quán)重分配方式為參考，對(duì)生豬養(yǎng)殖污水中的TN、NH3-N、COD、TP和pH進(jìn)行權(quán)重分配。在地下水及河流湖泊等地表水水質(zhì)研究中，TN的權(quán)重取2。而針對(duì)生豬養(yǎng)殖污水的有關(guān)研究表明[28]：TN是畜禽養(yǎng)殖污水中重要的指標(biāo)，也是極易超標(biāo)的指標(biāo)之一，因此本研究適當(dāng)?shù)貙?duì)TN的權(quán)重進(jìn)行了調(diào)整，COD、TN和NH3-N的權(quán)重分別為4、3、3，其他指標(biāo)為1。

除上述分析外，污水處理工藝的穩(wěn)定性也是需要考慮的因素，不穩(wěn)定的工藝必然導(dǎo)致出水水質(zhì)異常，若將異常數(shù)據(jù)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，即使數(shù)量很少，也會(huì)對(duì)模型精度產(chǎn)生不容忽視的影響。

4 結(jié)論

生化處理模式下，規(guī)模豬場(chǎng)處理后的養(yǎng)殖污水水質(zhì)呈現(xiàn)季節(jié)性變化特征，具體表現(xiàn)為春、夏季水質(zhì)總體優(yōu)于秋、冬季，尤其是夏季水質(zhì)最好。基于EC和COD構(gòu)建的最小水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)模型決定系數(shù)為0.994，通過該模型得到的水質(zhì)等級(jí)與基于NH3-N、COD、TN、TP和pH共5個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)的等級(jí)一致程度可達(dá)90%以上。因此，利用該模型能夠較為準(zhǔn)確、合理地評(píng)價(jià)處理后的生豬養(yǎng)殖污水水質(zhì)。