數據分析：太湖流域污水廠進水水質特征
針對太湖流域204座城鎮污水處理廠，利用實際運行數據系統分析了水質特征以及有機物、氮、磷和懸浮物之間的概率分布和相關關系。結果表明，太湖流域污水處理廠污水中NH3-N和TN濃度分布符合正態分布，COD、BOD5、SS和TP的濃度分布均呈正偏態分布。進水BOD5/COD值在0.4～0.6之間分布的污水處理廠概率為39.2%，說明太湖流域整體進水的生化性較差；進水SS/BOD5分布超過1.5的概率為36.3%，表明太湖流域進水易造成生物系統污泥的活性的降低；BOD5/TN的均值為3.82，表明進水反硝化碳源不足；進水BOD5/TP>20的概率為82.8%，基本滿足生物除磷的要求。水質指標中BOD5和COD，SS和BOD5、COD，TN和NH3-N之間存在顯著的一元線性相關關系。結合新排放標準和太湖地區進水水質特征，提出適用于太湖流域污水處理廠提標工藝技術路線建議，為新一輪提標改造提供借鑒和參考。
0 引言
太湖流域作為我國三大城市群之一的長三角城市群重要組成部分，總面積達36 500 km²，人口約3 400萬，以不到全國0.4%的土地面積創造著約占全國1/8的國民生產總值，成為我國經濟最具活力，開放程度最高的區域之一。而隨著近些年太湖流域周邊地區人口的急劇增長，工業化與城鎮化進程不斷加速，工業廢水和生活污水排放造成的水環境污染已嚴重影響了太湖流域經濟的持續發展。2018年5月，江蘇省出臺了新的地方標準《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限制》（DB 32/1072-2018），對于現有污水處理廠的新一輪提標改造任務勢在必行。
城鎮污水處理廠的進水污染物濃度既是污水處理工藝設計和運行管理的重要依據，也是保證出水穩定達到處理目標的必要條件。因此，對于污水處理廠進水水質特征的研究已成為國內外研究團隊關注的熱點。孫艷等運用Shapiro-Wilk檢驗和偏度系數等統計學方法，對北京市的污水處理廠進水水質特征進行了分析，得出了北京市污水處理廠進水中BOD5、COD、SS、NH3-N、TN和TP分布均呈正偏態分布。孫迎雪等應用Pearson相關系數的分析方法，系統分析了昆明市某分流制排水區域污水處理廠進水水質特征，提出了分流制排水區域污水處理廠進水SS與BOD5、TP、COD的顯著相關性；Olsen等應用主成分分析（Principal component analysis, PCA）方法，對伊利諾伊河流域污水處理廠進水水質特征進行了分析，發現了伊利諾伊河流域污水處理廠中多個進水污染物之間的相關性。本研究通過調研太湖流域不同處理工藝與規模的204座污水處理廠，系統分析了進廠原水水質特征的變化規律和概率統計，以及有機物、氮、磷和懸浮物之間的相關關系，結合新排放標準和太湖地區進水水質特征，提出了適用于太湖流域污水處理廠提標工藝技術路線建議，為新一輪提標改造的工藝選擇和優化運行提供科學依據。
1 研究方法
本研究選取江蘇省太湖流域204座污水處理廠作為研究對象，其中南京市15座、無錫市51座、常州市32座、蘇州市86座、鎮江市20座。以2017年全年實際進廠的原水水質數據作為分析基礎，選取化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等6項水質指標，在進行分析前對所有數據都經過數據預處理和篩查。
SPSS軟件是專業統計軟件，常用于統計學中的相關性分析，ORIGIN是專業函數繪圖與數據分析軟件，被普遍用于函數擬合的制作與分析。以SPSS 22.0和ORIGIN 2017為分析軟件工具, 運用統計分析中的正態分布、回歸分析等方法，探究太湖流域污水處理廠進水水質特征以及有機物、氮、磷和懸浮物之間的概率分布和相關關系。
2 結果與討論
2.1 進出水水質基本指標分析
通過表1對太湖流域204座污水處理廠調研數據分析可知，平均進水COD 濃度為259.96 mg/L，BOD5濃度為103.51 mg/L，SS濃度為137.95 mg/L，NH3-N濃度為21.37 mg/L，TN濃度為28.94 mg/L，TP濃度為3.16 mg/L，與全國典型城市污水處理廠進水均值相比，太湖流域污水處理廠進水污染物濃度除COD和BOD5濃度高于全國污水處理廠均值外，其余指標均低于全國污水處理廠均值。太湖流域污水處理廠出水污染物濃度濃度不僅優于一級A排放標準，也優于太湖流域一、二級保護區主要水污染排放限值。其中城鎮污水處理廠對于SS的去除率最高，TN的去除率最低，COD的削減量最大，TP的削減量最小。BOD5/TN的平均值為3.58，BOD5/TP的平均值為39.26，在全國范圍內處于中等偏低水平。
2.2 進水水質特征指標分析
2017年太湖流域污水處理廠年平均進水主要水質指標COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的統計結果與正態性檢驗分析如表2所示。表2同時獲得了Kolmogorov-Smirnov統計量和Shapiro-Wilk統計量，一般情況下，當樣本容量N<1 000時，使用Shapiro-Wilk檢驗的數值較為精準，當顯著性水平Sig.（significance level）>0.05時，則認為指標服從正態分布。經過Shapiro-Wilk檢驗，發現NH3-N和TN 2項指標顯著性水平>0.05，因此認為這2項指標服從正態分布，而COD、BOD5、SS和TP顯著性水平<0.05，則認為這4項指標不服從正態分布，呈偏態分布。此外，COD、BOD5、SS和TP指標的偏度系數和峰度系數均大于0，由此可判斷其指標數據分布均呈正偏態分布。
圖1為太湖流域污水處理廠進水污染物的分布規律，通過對進水污染物累計百分比的50%以及80%范圍值進行統計，以反映太湖流域污水處理廠進水污染物濃度的均值及典型代表值。由圖1可以發現太湖流域地區污水處理廠進廠原水的COD濃度在59.31～804.51 mg/L范圍內波動，50%的污水處理廠進水COD<228.09 mg/L，80%的污水處理廠進水COD<340.02 mg/L。進水BOD5在0～327.95 mg/L內波動，50%的污水處理廠進水BOD5<96.52 mg/L，80%的污水處理廠進水BOD5<129.35 mg/L。進水SS在14.49～456.9 mg/L內波動，50%的污水處理廠進水SS<120.96 mg/L，80%的污水處理廠進水SS<190.38 mg/L。進水NH3-N在4.74～37.86 mg/L內波動，50%的污水處理廠進水NH3-N<21.71 mg/L，80%的污水處理廠進水NH3-N<26.92 mg/L。進水TN在7.53~59.36 mg/L范圍內波動，50%的污水處理廠進水TN<29.02 mg/L，80%的污水處理廠進水TN<35.41 mg/L。進水TP在0.37～8.72 mg/L內波動，50%的污水處理廠進水TP<2.79 mg/L，80%的污水處理廠進水TP<4.37 mg/L。
由以上進水分布數據可知，與天津市運行較好的24座污水處理廠進水污染物均值相比，太湖流域的污水處理廠進水COD、BOD5濃度普遍偏低，易造成污水處理廠進水碳源不足，無法為污水處理廠有效地提供碳源用于氮磷去除。這主要是由于太湖流域地區城市雨污分流不徹底，地下管網易滲漏以及地下水水位高等原因。因此太湖流域污水處理廠普遍需要額外投加碳源用于高效去除污水中的氮磷。
2.3 進水營養物質的比例關系
2.3.1 進水BOD5/COD特征分析
一般情況下評價城鎮污水處理廠進水可生化性指標采用BOD5/COD，該指標體現了進水中可生物降解的有機物占總有機物量的比值，可通過BOD5/COD預測污水的可生物降解能力。當BOD5/COD<0.1時認為污水不適于進行生物處理；當0.2<BOD5/COD<0.4時，表明污水中存在難生物降解性污染物；當0.4<BOD5/COD<0.6時，則認為污水的可生化性較好。從圖2a中可知，太湖流域污水處理廠的進水BOD5/COD在0.07～1.44波動，平均值為0.42，中間值為0.39。其中進水BOD5/COD<0.1的污水處理廠僅占太湖流域污水處理廠的2%，BOD5/COD在0.4～0.6的污水處理廠占39.2%，而BOD5/COD>0.6的污水處理廠則占7.4%。結果表明，太湖流域污水處理廠進水基本都適合生物處理，但總體進水的可生化性較差，生物處理能力相對較弱。其主要原因是因為太湖流域地區地下管網滲漏及地下水稀釋作用，造成進水中的COD與BOD5濃度普遍較低。
2.3.2 進水SS/BOD5特征分析
SS/BOD5主要反映進水懸浮固體對污泥產率和污泥活性的影響。當進水SS/BOD5增高時，生物系統中活性污泥的活性則會降低，影響對污染物的去除效果。一般情況下，污水處理廠進水SS/BOD5>1.2，污水處理廠反硝化能力就會降低，這是因為過高的SS/BOD5導致反硝化階段的碳源利用率低，碳源隨著污水流入好氧池內被大量消耗，造成生物系統脫氮效果變差。由圖2b可知，太湖流域污水處理廠的SS/BOD5的分布為0.13～7.14，均值為1.52，中間值1.33。有42.2%的污水處理廠SS/BOD5<1.2，36.3%的污水處理廠的SS/BOD5>1.5，僅有21.5%的污水處理廠SS/BOD5處于1.2～1.5的最適范圍之內。結果表明，太湖流域大部分污水處理廠的進水易造成生物系統污泥的活性的降低，影響污水處理廠實現高效的脫氮除磷。
2.3.3 進水BOD5/TN特征分析
碳源是影響反硝化效果及其過程的重要限制因素之一，為保證反硝化菌在缺氧池內順利進行反硝化作用，需在缺氧段提供足夠的有機物促進生物脫氮過程。當進水BOD5/TN>2.86可實現硝酸鹽完全的反硝化，一般BOD5/TN>4則認為進水碳源充足。從圖2c可知，太湖流域污水處理廠BOD5/TN的均值在3.82，中間值為3.33，有33.8%的污水處理廠BOD5/TN>4，而43.14%的污水處理廠BOD5/TN<3，這表明太湖流域大部分的污水處理廠需要額外添加碳源以提高反硝化脫氮能力，保證總氮的達標排放。
2.3.4 進水BOD5/TP特征分析
生物除磷的效果由整個生物系統從基質中獲得的能量和需要去除的磷總量的比值決定，通常采用BOD5/TP指標以評價生物除磷的可行性。一般污水處理廠中進水BOD5/TP>20則符合生物除磷要求，比值越大，才能保證聚磷菌對基質有足夠的需求，增加除磷效果，而如果BOD5/TP過低，聚磷菌在厭氧池釋磷時產生的能量不能用于很好的吸收和貯藏溶解性有機物，影響聚磷菌在好氧池的吸磷效果，從而使出水TP濃度升高。通過分析圖2d，發現太湖流域污水處理廠的進水BOD5/TP的分布為0～190.05，均值為39.26，中間值31.02，其中有82.8%的污水處理廠進水BOD5/TP>20，因此太湖流域污水處理廠的進水在大多數情況下均可滿足生物除磷的要求。
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