数据分析：太湖流域污水厂进水水质特征
针对太湖流域204座城镇污水处理厂，利用实际运行数据系统分析了水质特征以及有机物、氮、磷和悬浮物之间的概率分布和相关关系。结果表明，太湖流域污水处理厂污水中NH3-N和TN浓度分布符合正态分布，COD、BOD5、SS和TP的浓度分布均呈正偏态分布。进水BOD5/COD值在0.4～0.6之间分布的污水处理厂概率为39.2%，说明太湖流域整体进水的生化性较差；进水SS/BOD5分布超过1.5的概率为36.3%，表明太湖流域进水易造成生物系统污泥的活性的降低；BOD5/TN的均值为3.82，表明进水反硝化碳源不足；进水BOD5/TP>20的概率为82.8%，基本满足生物除磷的要求。水质指标中BOD5和COD，SS和BOD5、COD，TN和NH3-N之间存在显著的一元线性相关关系。结合新排放标准和太湖地区进水水质特征，提出适用于太湖流域污水处理厂提标工艺技术路线建议，为新一轮提标改造提供借鉴和参考。
0 引言
太湖流域作为我国三大城市群之一的长三角城市群重要组成部分，总面积达36 500 km²，人口约3 400万，以不到全国0.4%的土地面积创造着约占全国1/8的国民生产总值，成为我国经济最具活力，开放程度最高的区域之一。而随着近些年太湖流域周边地区人口的急剧增长，工业化与城镇化进程不断加速，工业废水和生活污水排放造成的水环境污染已严重影响了太湖流域经济的持续发展。2018年5月，江苏省出台了新的地方标准《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限制》（DB 32/1072-2018），对于现有污水处理厂的新一轮提标改造任务势在必行。
城镇污水处理厂的进水污染物浓度既是污水处理工艺设计和运行管理的重要依据，也是保证出水稳定达到处理目标的必要条件。因此，对于污水处理厂进水水质特征的研究已成为国内外研究团队关注的热点。孙艳等运用Shapiro-Wilk检验和偏度系数等统计学方法，对北京市的污水处理厂进水水质特征进行了分析，得出了北京市污水处理厂进水中BOD5、COD、SS、NH3-N、TN和TP分布均呈正偏态分布。孙迎雪等应用Pearson相关系数的分析方法，系统分析了昆明市某分流制排水区域污水处理厂进水水质特征，提出了分流制排水区域污水处理厂进水SS与BOD5、TP、COD的显著相关性；Olsen等应用主成分分析（Principal component analysis, PCA）方法，对伊利诺伊河流域污水处理厂进水水质特征进行了分析，发现了伊利诺伊河流域污水处理厂中多个进水污染物之间的相关性。本研究通过调研太湖流域不同处理工艺与规模的204座污水处理厂，系统分析了进厂原水水质特征的变化规律和概率统计，以及有机物、氮、磷和悬浮物之间的相关关系，结合新排放标准和太湖地区进水水质特征，提出了适用于太湖流域污水处理厂提标工艺技术路线建议，为新一轮提标改造的工艺选择和优化运行提供科学依据。
1 研究方法
本研究选取江苏省太湖流域204座污水处理厂作为研究对象，其中南京市15座、无锡市51座、常州市32座、苏州市86座、镇江市20座。以2017年全年实际进厂的原水水质数据作为分析基础，选取化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、悬浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等6项水质指标，在进行分析前对所有数据都经过数据预处理和筛查。
SPSS软件是专业统计软件，常用于统计学中的相关性分析，ORIGIN是专业函数绘图与数据分析软件，被普遍用于函数拟合的制作与分析。以SPSS 22.0和ORIGIN 2017为分析软件工具, 运用统计分析中的正态分布、回归分析等方法，探究太湖流域污水处理厂进水水质特征以及有机物、氮、磷和悬浮物之间的概率分布和相关关系。
2 结果与讨论
2.1 进出水水质基本指标分析
通过表1对太湖流域204座污水处理厂调研数据分析可知，平均进水COD 浓度为259.96 mg/L，BOD5浓度为103.51 mg/L，SS浓度为137.95 mg/L，NH3-N浓度为21.37 mg/L，TN浓度为28.94 mg/L，TP浓度为3.16 mg/L，与全国典型城市污水处理厂进水均值相比，太湖流域污水处理厂进水污染物浓度除COD和BOD5浓度高于全国污水处理厂均值外，其余指标均低于全国污水处理厂均值。太湖流域污水处理厂出水污染物浓度浓度不仅优于一级A排放标准，也优于太湖流域一、二级保护区主要水污染排放限值。其中城镇污水处理厂对于SS的去除率最高，TN的去除率最低，COD的削减量最大，TP的削减量最小。BOD5/TN的平均值为3.58，BOD5/TP的平均值为39.26，在全国范围内处于中等偏低水平。
2.2 进水水质特征指标分析
2017年太湖流域污水处理厂年平均进水主要水质指标COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的统计结果与正态性检验分析如表2所示。表2同时获得了Kolmogorov-Smirnov统计量和Shapiro-Wilk统计量，一般情况下，当样本容量N<1 000时，使用Shapiro-Wilk检验的数值较为精准，当显著性水平Sig.（significance level）>0.05时，则认为指标服从正态分布。经过Shapiro-Wilk检验，发现NH3-N和TN 2项指标显著性水平>0.05，因此认为这2项指标服从正态分布，而COD、BOD5、SS和TP显著性水平<0.05，则认为这4项指标不服从正态分布，呈偏态分布。此外，COD、BOD5、SS和TP指标的偏度系数和峰度系数均大于0，由此可判断其指标数据分布均呈正偏态分布。
图1为太湖流域污水处理厂进水污染物的分布规律，通过对进水污染物累计百分比的50%以及80%范围值进行统计，以反映太湖流域污水处理厂进水污染物浓度的均值及典型代表值。由图1可以发现太湖流域地区污水处理厂进厂原水的COD浓度在59.31～804.51 mg/L范围内波动，50%的污水处理厂进水COD<228.09 mg/L，80%的污水处理厂进水COD<340.02 mg/L。进水BOD5在0～327.95 mg/L内波动，50%的污水处理厂进水BOD5<96.52 mg/L，80%的污水处理厂进水BOD5<129.35 mg/L。进水SS在14.49～456.9 mg/L内波动，50%的污水处理厂进水SS<120.96 mg/L，80%的污水处理厂进水SS<190.38 mg/L。进水NH3-N在4.74～37.86 mg/L内波动，50%的污水处理厂进水NH3-N<21.71 mg/L，80%的污水处理厂进水NH3-N<26.92 mg/L。进水TN在7.53~59.36 mg/L范围内波动，50%的污水处理厂进水TN<29.02 mg/L，80%的污水处理厂进水TN<35.41 mg/L。进水TP在0.37～8.72 mg/L内波动，50%的污水处理厂进水TP<2.79 mg/L，80%的污水处理厂进水TP<4.37 mg/L。
由以上进水分布数据可知，与天津市运行较好的24座污水处理厂进水污染物均值相比，太湖流域的污水处理厂进水COD、BOD5浓度普遍偏低，易造成污水处理厂进水碳源不足，无法为污水处理厂有效地提供碳源用于氮磷去除。这主要是由于太湖流域地区城市雨污分流不彻底，地下管网易渗漏以及地下水水位高等原因。因此太湖流域污水处理厂普遍需要额外投加碳源用于高效去除污水中的氮磷。
2.3 进水营养物质的比例关系
2.3.1 进水BOD5/COD特征分析
一般情况下评价城镇污水处理厂进水可生化性指标采用BOD5/COD，该指标体现了进水中可生物降解的有机物占总有机物量的比值，可通过BOD5/COD预测污水的可生物降解能力。当BOD5/COD<0.1时认为污水不适于进行生物处理；当0.2<BOD5/COD<0.4时，表明污水中存在难生物降解性污染物；当0.4<BOD5/COD<0.6时，则认为污水的可生化性较好。从图2a中可知，太湖流域污水处理厂的进水BOD5/COD在0.07～1.44波动，平均值为0.42，中间值为0.39。其中进水BOD5/COD<0.1的污水处理厂仅占太湖流域污水处理厂的2%，BOD5/COD在0.4～0.6的污水处理厂占39.2%，而BOD5/COD>0.6的污水处理厂则占7.4%。结果表明，太湖流域污水处理厂进水基本都适合生物处理，但总体进水的可生化性较差，生物处理能力相对较弱。其主要原因是因为太湖流域地区地下管网渗漏及地下水稀释作用，造成进水中的COD与BOD5浓度普遍较低。
2.3.2 进水SS/BOD5特征分析
SS/BOD5主要反映进水悬浮固体对污泥产率和污泥活性的影响。当进水SS/BOD5增高时，生物系统中活性污泥的活性则会降低，影响对污染物的去除效果。一般情况下，污水处理厂进水SS/BOD5>1.2，污水处理厂反硝化能力就会降低，这是因为过高的SS/BOD5导致反硝化阶段的碳源利用率低，碳源随着污水流入好氧池内被大量消耗，造成生物系统脱氮效果变差。由图2b可知，太湖流域污水处理厂的SS/BOD5的分布为0.13～7.14，均值为1.52，中间值1.33。有42.2%的污水处理厂SS/BOD5<1.2，36.3%的污水处理厂的SS/BOD5>1.5，仅有21.5%的污水处理厂SS/BOD5处于1.2～1.5的最适范围之内。结果表明，太湖流域大部分污水处理厂的进水易造成生物系统污泥的活性的降低，影响污水处理厂实现高效的脱氮除磷。
2.3.3 进水BOD5/TN特征分析
碳源是影响反硝化效果及其过程的重要限制因素之一，为保证反硝化菌在缺氧池内顺利进行反硝化作用，需在缺氧段提供足够的有机物促进生物脱氮过程。当进水BOD5/TN>2.86可实现硝酸盐完全的反硝化，一般BOD5/TN>4则认为进水碳源充足。从图2c可知，太湖流域污水处理厂BOD5/TN的均值在3.82，中间值为3.33，有33.8%的污水处理厂BOD5/TN>4，而43.14%的污水处理厂BOD5/TN<3，这表明太湖流域大部分的污水处理厂需要额外添加碳源以提高反硝化脱氮能力，保证总氮的达标排放。
2.3.4 进水BOD5/TP特征分析
生物除磷的效果由整个生物系统从基质中获得的能量和需要去除的磷总量的比值决定，通常采用BOD5/TP指标以评价生物除磷的可行性。一般污水处理厂中进水BOD5/TP>20则符合生物除磷要求，比值越大，才能保证聚磷菌对基质有足够的需求，增加除磷效果，而如果BOD5/TP过低，聚磷菌在厌氧池释磷时产生的能量不能用于很好的吸收和贮藏溶解性有机物，影响聚磷菌在好氧池的吸磷效果，从而使出水TP浓度升高。通过分析图2d，发现太湖流域污水处理厂的进水BOD5/TP的分布为0～190.05，均值为39.26，中间值31.02，其中有82.8%的污水处理厂进水BOD5/TP>20，因此太湖流域污水处理厂的进水在大多数情况下均可满足生物除磷的要求。
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