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，對指導污水處理廠設(shè)計、運行和管理具有十分重要的意義。
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。
Part 1 進水水質(zhì)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)
公安縣瓦池污水處理廠采用AAO工藝，進水以生活污水為主。2017年每日進水流量及進水COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP監(jiān)測值如圖1所示。
Part 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。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。
由表1可知，全年進水CODCr、BOD5平均值分別為201.92、101.58 mg/L，進水中有機物濃度偏低。全年進水NH4+-N、TN和TP的平均值分別為21.50、32.12、3.34 mg/L，進水中營養(yǎng)物濃度并不低，原因有以下兩個：一是公安縣地處南方地區(qū)，地下水位較高，地下水滲入量稀釋了污染物的濃度；二是公安縣住宅所排出的生活污水一般經(jīng)化糞池處理后再排至市政管網(wǎng)，化糞池對有機物的去除率可達30%～40%，而對營養(yǎng)物的去除率一般只有10%甚至為負數(shù)，在住宅區(qū)取消化糞池可使污水排水系統(tǒng)提質(zhì)增效，但管道淤塞的概率會有所提升，攻克這個問題是化糞池能否取消的關(guān)鍵。瓦池污水處理廠進水與武漢市青山區(qū)、黃孝河地區(qū)以及曬湖地區(qū)污水中有機物濃度偏低的特征相似。
由表1可知，COD、BOD5的變異系數(shù)分別為13%、16%，說明進水COD和BOD5離散程度不高。然而，COD和BOD5的偏度和峰度均較大，即COD和BOD5更符合峰部更尖的正偏態(tài)分布。NH4+-N、TN的變異系數(shù)分別為10%、8%，說明進水NH4+-N和TN離散程度也不大，NH4+-N和TN的偏度和峰度均大于0且接近于0，表明進水NH4+-N和TN接近正態(tài)分布。TP的變異系數(shù)遠大于10%，說明進水TP離散程度較大，TP的偏度和峰度不太大但均大于等于1，符合正偏態(tài)分布。離散度決定數(shù)據(jù)的波動大小，離散度大的指標更容易出現(xiàn)進水濃度過低或者過高的情形，對污水處理廠運行穩(wěn)定性的影響更大。
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。
由表2可知，除TP外，其他污染物指標的進水濃度波動幅度不算大，原因是該污水處理廠進水主要由生活污水組成。除BOD5外，另外4個水質(zhì)指標月平均濃度最大值均集中在氣溫較低的冬季，其原因是冬天氣溫較低，居民人均用水量較小導致各指標濃度較高。NH4+-N、TN和TP這3個水質(zhì)指標月平均濃度最低值均集中在氣溫較高的夏季，原因是夏季炎熱多雨，居民人均用水量較大導致污染物濃度有所降低。本廠進水中污染物濃度隨季節(jié)的變化規(guī)律與其他學者對昆明、武漢、廣州、重慶和江蘇等南方地區(qū)污水處理廠的研究結(jié)果基本一致。與上述污水處理廠有所不同的是該廠進水2月、3月COD和BOD5濃度偏低，究其原因是該廠污水收集系統(tǒng)在進廠前有一段明渠，在春冬季輸水量較小時，明渠中流速較低，部分非溶解性COD和BOD5在明渠中發(fā)生沉淀。
Part 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。德國ATV-DVWK-A131E標準規(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。
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。
由表3可知，原設(shè)計擬定的進水BOD5和NH4+-N與實際進水BOD5和NH4+-N較為接近，誤差在±5%。原設(shè)計擬定的進水COD偏大、擬定的進水TN和TP偏低。
當進水BOD5為115 mg/L時，以BOD5=0.68 BODu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，導致設(shè)計時對生物除磷脫氮效果的預期往往較為樂觀。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。
Part 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。
由表4可知，出水COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP的一級B達標率均為100%；除了TP的一級A達標率較低，其余出水指標均達95%以上。因此，該污水處理廠出水由一級B提升至一級A，其重點在于進一步提高TP的去除率。
4.2 進水濃度對出水水質(zhì)相關(guān)性分析
為了考察進水水質(zhì)對出水水質(zhì)的影響，可采用相關(guān)系數(shù)法對兩者之間的關(guān)系進行定量分析。常見的相關(guān)系數(shù)法有皮爾遜系數(shù)法和斯皮爾曼系數(shù)法。由上述正態(tài)性分析的結(jié)果可知，進水TN和NH4+-N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。
注：**表示在0.01置信區(qū)間內(nèi)，相關(guān)性顯著
由表5可知，進水COD濃度只對其出水水質(zhì)有顯著性的正相關(guān)影響，這說明進水COD濃度的增加會同時帶來不可降解性COD的增加，從而影響出水COD，但出水COD均可達到一級A標準。進水BOD5濃度對出水BOD5有顯著性的正相關(guān)影響，這說明進水BOD5濃度的增加導致污泥負荷F/M增加，使出水BOD5同步上升；進水BOD5濃度同時對出水TN有顯著性的負相關(guān)影響，進水BOD5濃度越高，AAO的脫氮池碳源越充足，脫氮效果越好，出水TN越低。進水NH4+-N濃度只對出水NH4+-N濃度有顯著性的正相關(guān)影響，這說明進水NH4+-N濃度越高，會導致部分NH4+-N來不及硝化，使其出水濃度增加。進水TN濃度對出水NH4+-N呈顯著的正相關(guān)影響，這是因為一般TN包括有機氮和無機氮(以生活污水為主的城市污水，無機氮以NH4+-N為主，硝態(tài)氮濃度接近于零)，有機氮首先通過氨化作用轉(zhuǎn)化為NH4+-N對于AAO好氧池，所進的混合液TN濃度越高，相當于所進的NH4+-N濃度越高，因而出水NH4+-N同步升高。因此，在確定設(shè)計進水水質(zhì)時，適當放大進水COD、BOD5和NH4+-N的設(shè)計值，雖然會造成一定的資源浪費，但有利于保證出水達標。進水TN和TP濃度對其出水TN和TP均沒有相關(guān)性，對出水COD均有顯著的負相關(guān)影響，這說明出水TN和TP受其他因素的影響較大，比如污泥齡、進水碳源等，還有一個原因是在生化池出水口附有化學除磷，以保證出水TP均達到一級B標準。因此，設(shè)計進水TN和TP的大小，對其去除效果影響不大，在設(shè)計進水TN和TP取值時達到一定保證率即可，若想提高出水TN一級A達標率，可在生化池中投加碳源；而提高TP出水一級A達標率則需進行升級改造輔以化學除磷工藝。
Part 5 結(jié)論
(1)除TP外，其余指標的進水波動范圍均不大；進水NH4+-N和TN基本上符合正態(tài)分布，COD、BOD5和TP符合正偏態(tài)分布。
(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。
(3)依據(jù)德國ATV-DVWK-A131E標準，取保證率為85%，該廠COD、BOD5、TN、NH4+-N和TP的設(shè)計進水濃度可分別取215、115、35、24、4.5 mg/L。原設(shè)計進水BOD5和NH4+-N與實際進水BOD5和NH4+-N比較接近，原設(shè)計進水COD偏大、進水TN和TP偏低。實際進水碳源低于設(shè)計預期，若不采取升級改造措施，實際運行時TN達標率達不到100%。
(4)進水COD、BOD5和NH4+-N濃度的變化會導致各自指標出水水質(zhì)正相關(guān)變化；進水TN與出水NH4+-N呈正相關(guān)性；進水BOD5濃度對出水TN有顯著性的負相關(guān)影響；進水TN和TP濃度的大小則對出水TN和TP濃度的影響較小。設(shè)計進水COD、BOD5和NH4+-N取值略大，有利于預防出水水質(zhì)指標超標。
