瓦池污水处理厂进水水质特征及其对出水水质的影响分析
拟定的污水处理厂设计进水水质是该厂污水处理工艺流程选择和污水处理单元设计参数确定的重要依据，污水处理厂实际进水水质与污水处理厂出水水质具有相关性，是污水处理厂运行调控的重要影响因素。因此，对污水处理厂进水水质特征及其对出水水质的相关性开展研究，对指导污水处理厂设计、运行和管理具有十分重要的意义。
本文以公安县瓦池污水处理厂2017年全年实际进水水质资料为研究对象，分析各水质指标的变化规律；参照德国ATV-DVWK-A131E标准确定污水处理厂的设计进水水质，与原先该厂的设计进水水质进行比较；根据污水处理厂进水和出水水质资料，分析各指标出水水质与进水水质的相关性。通过分析得到公安县瓦池污水处理厂的进水水质特征，为南方地区管网收集条件类似的污水处理厂设计和运行提供借鉴。
Part 1 进水水质水量监测数据
公安县瓦池污水处理厂采用AAO工艺，进水以生活污水为主。2017年每日进水流量及进水COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP监测值如图1所示。
Part 2 各水质指标变化规律分析
以图1的进水水质实测结果为研究对象，分析各污染物指标年平均值、全年监测值变化特征、月平均值变化规律。统计分析运用EXCEL软件，作图软件运用SPSS 23.0和Origin 2016。
2.1 全年水质特征分析
以标准偏差、变异系数来判断数据的离散程度，以偏度和峰度来检验数据的正态性。偏度大于零则表明某指标365个监测数据属于正偏态分布，小于零则属于负偏态分布，等于零则为正态分布。峰度是表征数据分布在平均值位置峰值高低的特征数，峰度大于零则峰部较尖，小于零则峰部更平缓，等于零则为正态分布。变异系数为标准偏差和平均值的比值，可比较不同数据组的离散程度大小。对图1中进水水质监测数据的分析结果如表1所示。
由表1可知，全年进水CODCr、BOD5平均值分别为201.92、101.58 mg/L，进水中有机物浓度偏低。全年进水NH4+-N、TN和TP的平均值分别为21.50、32.12、3.34 mg/L，进水中营养物浓度并不低，原因有以下两个：一是公安县地处南方地区，地下水位较高，地下水渗入量稀释了污染物的浓度；二是公安县住宅所排出的生活污水一般经化粪池处理后再排至市政管网，化粪池对有机物的去除率可达30%～40%，而对营养物的去除率一般只有10%甚至为负数，在住宅区取消化粪池可使污水排水系统提质增效，但管道淤塞的概率会有所提升，攻克这个问题是化粪池能否取消的关键。瓦池污水处理厂进水与武汉市青山区、黄孝河地区以及晒湖地区污水中有机物浓度偏低的特征相似。
由表1可知，COD、BOD5的变异系数分别为13%、16%，说明进水COD和BOD5离散程度不高。然而，COD和BOD5的偏度和峰度均较大，即COD和BOD5更符合峰部更尖的正偏态分布。NH4+-N、TN的变异系数分别为10%、8%，说明进水NH4+-N和TN离散程度也不大，NH4+-N和TN的偏度和峰度均大于0且接近于0，表明进水NH4+-N和TN接近正态分布。TP的变异系数远大于10%，说明进水TP离散程度较大，TP的偏度和峰度不太大但均大于等于1，符合正偏态分布。离散度决定数据的波动大小，离散度大的指标更容易出现进水浓度过低或者过高的情形，对污水处理厂运行稳定性的影响更大。
2.2 各月进水平均值变化规律分析
2017年各月处理水量及各指标进水浓度平均值如表2所示。
由表2可知，除TP外，其他污染物指标的进水浓度波动幅度不算大，原因是该污水处理厂进水主要由生活污水组成。除BOD5外，另外4个水质指标月平均浓度最大值均集中在气温较低的冬季，其原因是冬天气温较低，居民人均用水量较小导致各指标浓度较高。NH4+-N、TN和TP这3个水质指标月平均浓度最低值均集中在气温较高的夏季，原因是夏季炎热多雨，居民人均用水量较大导致污染物浓度有所降低。本厂进水中污染物浓度随季节的变化规律与其他学者对昆明、武汉、广州、重庆和江苏等南方地区污水处理厂的研究结果基本一致。与上述污水处理厂有所不同的是该厂进水2月、3月COD和BOD5浓度偏低，究其原因是该厂污水收集系统在进厂前有一段明渠，在春冬季输水量较小时，明渠中流速较低，部分非溶解性COD和BOD5在明渠中发生沉淀。
Part 3 设计进水水质可靠性分析
当有一定数量实测数据时，以一定保证率作为标准来确定设计进水水质较为科学合理。德国ATV-DVWK-A131E标准规定，当有40 d以上监测数据时，一般可采用85%保证率来确定设计进水水质。
首先将实测的水质数据进行汇总，然后从小到大进行排序，并利用式(1)计算小于等于某一浓度值的出现频率，即其相应浓度值的累积概率，计算结果如图2所示。
该污水处理厂原先设计进水水质以及根据实际进水水质统计数据按ATV标准确定的设计进水水质如表3所示。
由表3可知，原设计拟定的进水BOD5和NH4+-N与实际进水BOD5和NH4+-N较为接近，误差在±5%。原设计拟定的进水COD偏大、拟定的进水TN和TP偏低。
当进水BOD5为115 mg/L时，以BOD5=0.68 BODu计，原水中总BOD即BODu，约为169 mg/L，即215 mg/L的CODCr中约有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绝大部分被活性污泥吸附。BODu/TN=4.8，略大于4.0，基本满足生物脱氮要求；BODu/TP=37.1，远大于20，完全满足生物除磷要求。实际进水的TN和TP高于设计拟定值，且设计人员常采用COD作为可生化有机物量来分析生物除磷脱氮的碳氮比和碳磷比，导致设计时对生物除磷脱氮效果的预期往往较为乐观。该厂实际运行全年结果也表明，升级改造前该厂尾水出水TN达到《城镇污水厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的概率约为90%，佐证了上述对脱氮碳源充足性的分析结果。
Part 4 进水水质对出水水质的影响分析
4.1 污水处理厂出水水质监测数据
该污水处理厂2017年每日出水水质监测数据如图3所示。
对图3中出水水质监测数据进行统计分析，得到该污水处理厂出水达标情况如表4所示。
由表4可知，出水COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP的一级B达标率均为100%；除了TP的一级A达标率较低，其余出水指标均达95%以上。因此，该污水处理厂出水由一级B提升至一级A，其重点在于进一步提高TP的去除率。
4.2 进水浓度对出水水质相关性分析
为了考察进水水质对出水水质的影响，可采用相关系数法对两者之间的关系进行定量分析。常见的相关系数法有皮尔逊系数法和斯皮尔曼系数法。由上述正态性分析的结果可知，进水TN和NH4+-N更符合正态分布，COD、BOD5和TP更符合正偏态分布。
对皮尔逊系数法而言，其适用条件之一就是每个变量都应服从正态分布或接近正态分布；对斯皮尔曼系数法而言，其适用条件则更为宽泛，只要两个变量是连续的成对出现即可，但其统计效能相皮尔逊系数法略差一些。根据实际进水水质特点，选用斯皮尔曼系数法来判断进水水质对出水水质的影响。
根据图1和图3的进出水水质监测数据，利用SPSS 23.0计算各指标进水浓度对出水影响的相关系数，其结果如表5所示。
注：**表示在0.01置信区间内，相关性显著
由表5可知，进水COD浓度只对其出水水质有显著性的正相关影响，这说明进水COD浓度的增加会同时带来不可降解性COD的增加，从而影响出水COD，但出水COD均可达到一级A标准。进水BOD5浓度对出水BOD5有显著性的正相关影响，这说明进水BOD5浓度的增加导致污泥负荷F/M增加，使出水BOD5同步上升；进水BOD5浓度同时对出水TN有显著性的负相关影响，进水BOD5浓度越高，AAO的脱氮池碳源越充足，脱氮效果越好，出水TN越低。进水NH4+-N浓度只对出水NH4+-N浓度有显著性的正相关影响，这说明进水NH4+-N浓度越高，会导致部分NH4+-N来不及硝化，使其出水浓度增加。进水TN浓度对出水NH4+-N呈显著的正相关影响，这是因为一般TN包括有机氮和无机氮(以生活污水为主的城市污水，无机氮以NH4+-N为主，硝态氮浓度接近于零)，有机氮首先通过氨化作用转化为NH4+-N对于AAO好氧池，所进的混合液TN浓度越高，相当于所进的NH4+-N浓度越高，因而出水NH4+-N同步升高。因此，在确定设计进水水质时，适当放大进水COD、BOD5和NH4+-N的设计值，虽然会造成一定的资源浪费，但有利于保证出水达标。进水TN和TP浓度对其出水TN和TP均没有相关性，对出水COD均有显著的负相关影响，这说明出水TN和TP受其他因素的影响较大，比如污泥龄、进水碳源等，还有一个原因是在生化池出水口附有化学除磷，以保证出水TP均达到一级B标准。因此，设计进水TN和TP的大小，对其去除效果影响不大，在设计进水TN和TP取值时达到一定保证率即可，若想提高出水TN一级A达标率，可在生化池中投加碳源；而提高TP出水一级A达标率则需进行升级改造辅以化学除磷工艺。
Part 5 结论
(1)除TP外，其余指标的进水波动范围均不大；进水NH4+-N和TN基本上符合正态分布，COD、BOD5和TP符合正偏态分布。
(2)除BOD5外，另外4个水质指标月均浓度最大值集中在气温低的春冬季；除COD、BOD5外，另外3个水质指标月均浓度最小值集中在气温较高的夏季。该厂进水水质随季节的变化规律与众多南方污水处理厂相似。
(3)依据德国ATV-DVWK-A131E标准，取保证率为85%，该厂COD、BOD5、TN、NH4+-N和TP的设计进水浓度可分别取215、115、35、24、4.5 mg/L。原设计进水BOD5和NH4+-N与实际进水BOD5和NH4+-N比较接近，原设计进水COD偏大、进水TN和TP偏低。实际进水碳源低于设计预期，若不采取升级改造措施，实际运行时TN达标率达不到100%。
(4)进水COD、BOD5和NH4+-N浓度的变化会导致各自指标出水水质正相关变化；进水TN与出水NH4+-N呈正相关性；进水BOD5浓度对出水TN有显著性的负相关影响；进水TN和TP浓度的大小则对出水TN和TP浓度的影响较小。设计进水COD、BOD5和NH4+-N取值略大，有利于预防出水水质指标超标。
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