瓦池污水處理廠進水水質特征及其對出水水質的影響分析
擬定的污水處理廠設計進水水質是該廠污水處理工藝流程選擇和污水處理單元設計參數確定的重要依據，污水處理廠實際進水水質與污水處理廠出水水質具有相關性，是污水處理廠運行調控的重要影響因素。因此，對污水處理廠進水水質特征及其對出水水質的相關性開展研究，對指導污水處理廠設計、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資料為研究對象，分析各水質指標的變化規律；參照德國ATV-DVWK-A131E標準確定污水處理廠的設計進水水質，與原先該廠的設計進水水質進行比較；根據污水處理廠進水和出水水質資料，分析各指標出水水質與進水水質的相關性。通過分析得到公安縣瓦池污水處理廠的進水水質特征，為南方地區管網收集條件類似的污水處理廠設計和運行提供借鑒。
Part 1 進水水質水量監測數據
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監測值如圖1所示。
Part 2 各水質指標變化規律分析
以圖1的進水水質實測結果為研究對象，分析各污染物指標年平均值、全年監測值變化特征、月平均值變化規律。統計分析運用EXCEL軟件，作圖軟件運用SPSS 23.0和Origin 2016。
2.1 全年水質特征分析
以標準偏差、變異系數來判斷數據的離散程度，以偏度和峰度來檢驗數據的正態性。偏度大于零則表明某指標365個監測數據屬于正偏態分布，小于零則屬于負偏態分布，等于零則為正態分布。峰度是表征數據分布在平均值位置峰值高低的特征數，峰度大于零則峰部較尖，小于零則峰部更平緩，等于零則為正態分布。變異系數為標準偏差和平均值的比值，可比較不同數據組的離散程度大小。對圖1中進水水質監測數據的分析結果如表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，進水中營養物濃度并不低，原因有以下兩個：一是公安縣地處南方地區，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化糞池處理后再排至市政管網，化糞池對有機物的去除率可達30%～40%，而對營養物的去除率一般只有10%甚至為負數，在住宅區取消化糞池可使污水排水系統提質增效，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鍵。瓦池污水處理廠進水與武漢市青山區、黃孝河地區以及曬湖地區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分布。NH4+-N、TN的變異系數分別為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接近正態分布。TP的變異系數遠大于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，符合正偏態分布。離散度決定數據的波動大小，離散度大的指標更容易出現進水濃度過低或者過高的情形，對污水處理廠運行穩定性的影響更大。
2.2 各月進水平均值變化規律分析
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的變化規律與其他學者對昆明、武漢、廣州、重慶和江蘇等南方地區污水處理廠的研究結果基本一致。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在明渠中發生沉淀。
Part 3 設計進水水質可靠性分析
當有一定數量實測數據時，以一定保證率作為標準來確定設計進水水質較為科學合理。德國ATV-DVWK-A131E標準規定，當有40 d以上監測數據時，一般可采用85%保證率來確定設計進水水質。
首先將實測的水質數據進行匯總，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頻率，即其相應濃度值的累積概率，計算結果如圖2所示。
該污水處理廠原先設計進水水質以及根據實際進水水質統計數據按ATV標準確定的設計進水水質如表3所示。
由表3可知，原設計擬定的進水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高于設計擬定值，且設計人員常采用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果也表明，升級改造前該廠尾水出水TN達到《城鎮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果。
Part 4 進水水質對出水水質的影響分析
4.1 污水處理廠出水水質監測數據
該污水處理廠2017年每日出水水質監測數據如圖3所示。
對圖3中出水水質監測數據進行統計分析，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相關性分析
為了考察進水水質對出水水質的影響，可采用相關系數法對兩者之間的關系進行定量分析。常見的相關系數法有皮爾遜系數法和斯皮爾曼系數法。由上述正態性分析的結果可知，進水TN和NH4+-N更符合正態分布，COD、BOD5和TP更符合正偏態分布。
對皮爾遜系數法而言，其適用條件之一就是每個變量都應服從正態分布或接近正態分布；對斯皮爾曼系數法而言，其適用條件則更為寬泛，只要兩個變量是連續的成對出現即可，但其統計效能相皮爾遜系數法略差一些。根據實際進水水質特點，選用斯皮爾曼系數法來判斷進水水質對出水水質的影響。
根據圖1和圖3的進出水水質監測數據，利用SPSS 23.0計算各指標進水濃度對出水影響的相關系數，其結果如表5所示。
注：**表示在0.01置信區間內，相關性顯著
由表5可知，進水COD濃度只對其出水水質有顯著性的正相關影響，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，硝態氮濃度接近于零)，有機氮首先通過氨化作用轉化為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，在確定設計進水水質時，適當放大進水COD、BOD5和NH4+-N的設計值，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均沒有相關性，對出水COD均有顯著的負相關影響，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，設計進水TN和TP的大小，對其去除效果影響不大，在設計進水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基本上符合正態分布，COD、BOD5和TP符合正偏態分布。
(2)除BOD5外，另外4個水質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。該廠進水水質隨季節的變化規律與眾多南方污水處理廠相似。
(3)依據德國ATV-DVWK-A131E標準，取保證率為85%，該廠COD、BOD5、TN、NH4+-N和TP的設計進水濃度可分別取215、115、35、24、4.5 mg/L。原設計進水BOD5和NH4+-N與實際進水BOD5和NH4+-N比較接近，原設計進水COD偏大、進水TN和TP偏低。實際進水碳源低于設計預期，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正相關變化；進水TN與出水NH4+-N呈正相關性；進水BOD5濃度對出水TN有顯著性的負相關影響；進水TN和TP濃度的大小則對出水TN和TP濃度的影響較小。設計進水COD、BOD5和NH4+-N取值略大，有利于預防出水水質指標超標。
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