孫迎雪,吳光學(xué),胡洪營,3*,郭 昉,吳毅暉,郭玉梅(.北京工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京 0008；.清華大學(xué)深圳研究生院,國家環(huán)境保護環(huán)境微生物利用與安全控制重點實驗室,廣東 深圳 58055；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 0008；.昆明滇池水務(wù)股份有限公司,云南 昆明 6508)

城市污水處理廠的達標(biāo)生產(chǎn)和穩(wěn)定運行是改善地表水環(huán)境質(zhì)量的重要因素,合理評價已運行城市污水處理廠的出水水質(zhì),對于污水處理廠實現(xiàn)污染物有效控制和效益最大化有著重要意義[1-3].

國內(nèi)外水質(zhì)評價方法的主要有單指數(shù)法、分級評分法、函數(shù)法、多元統(tǒng)計法、模糊綜合評價法、灰色數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[4-10].由于污水處理廠出水水質(zhì)不僅具有數(shù)量特征,還蘊含有系統(tǒng)特征,因此采用多元統(tǒng)計方法可對長期監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)作系統(tǒng)分析.對于化學(xué)和物理類指標(biāo),多采用樣本值相對于標(biāo)準(zhǔn)值的超標(biāo)頻率范圍給定評價決策[11-13].如一些機構(gòu)和學(xué)者提出95%的達標(biāo)保證率(即認(rèn)為有5%的污染物樣本超過標(biāo)準(zhǔn)值是尚可接受的),這是基于“單個指標(biāo)在短期內(nèi)偶爾可以降至標(biāo)準(zhǔn)以下,而水質(zhì)沒有破壞、不危及水生生物健康”的假設(shè)條件下做出的一個統(tǒng)計判斷[14-15].

本文以昆明市7座城市污水處理廠為研究對象,以GB 18918-2002[16]一級A為目標(biāo)基準(zhǔn),采用多元統(tǒng)計分析方法,對長期監(jiān)測的7座城市污水處理廠出水水質(zhì)進行頻數(shù)優(yōu)度擬合檢驗,用多維標(biāo)度分析法識別出超標(biāo)頻率高的污染指標(biāo),并對污染物指標(biāo)進行分級,制訂出各個污水處理廠的污染控制指標(biāo)清單,為污水處理廠的優(yōu)化運行提供理論和數(shù)據(jù)支持.

1 研究方法

1.1 昆明市污水處理廠概況

昆明市目前有7座運行1年以上的城市污水處理廠各污水處理廠概況如表1所示.

表1 昆明市污水處理廠概況Table 1 Characteristics of the WWTPs in Kunming

7座污水廠總設(shè)計水量110.5萬m3/d,其中16.86萬m3/d的尾水用于景觀河道(大觀河與翠湖)補水,其余尾水就近直接排放,匯入滇池草?；蛲夂?

1.2 評價方法

參考國內(nèi)外多元統(tǒng)計分析方法[6,10,12,14,17],將水質(zhì)分級評價和達標(biāo)保證率法相結(jié)合進行污水處理廠出水水質(zhì)的評價.選擇COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN為單因素評價指標(biāo),采用單樣本柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫檢驗(K-S檢驗)對7座城市污水處理廠出水水質(zhì)進行頻數(shù)優(yōu)度擬合檢驗,分析其變異程度和分布特征.以GB 18918-2002[16]一級A限值為達標(biāo)基準(zhǔn),分析不同污水處理廠出水指標(biāo)的達標(biāo)保證率(小于等于標(biāo)準(zhǔn)限值的累積概率),利用多維標(biāo)度分析ALSCAL模型和歐氏距離,識別出超標(biāo)頻率高的污染指標(biāo),并對不同污染物指標(biāo)的保證率進行分級[18],評價不同污水處理廠污染指標(biāo)的達標(biāo)滿意程度,并制訂污染指標(biāo)控制清單.

數(shù)據(jù)采用昆明市7座城市污水處理廠2011年1月1日至2011年12月31日全年實際監(jiān)測出水水質(zhì)(每個污水處理廠各污染指標(biāo)樣本數(shù)為359個),數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析采用SPSS13.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 出水污染物的濃度特征

由表2可以看出,7座污水處理廠全年出水污染物濃度均有較高的變異系數(shù),說明樣本的離散程度較大,用單一的均值法難以合理衡量出水水質(zhì)的達標(biāo)情況.

在樣本總體分布情況不明時,非參數(shù)檢驗方法可分析出水污染物濃度的分布特征[19-20].本研究對于污水處理廠單因素評價指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、TN和NH3-N,采用單樣本K-S進行頻數(shù)優(yōu)度擬合檢驗,即將觀測量的累計分布函數(shù)(即經(jīng)驗分布函數(shù))與某個確定的理論分布函數(shù)(如正態(tài)分布)相比較,以檢驗一個樣本是否來自于某指定分布的樣本.K-S檢驗統(tǒng)計量Z值(Kolmogorov-Smirnov Z):大樣本時,當(dāng)α=0.05 和α=0.01時Z的界值分別是1.36和1.63.雙尾漸進顯著性概率Asymp.Sig.(2-tailed)＜α?xí)r,拒絕原假設(shè),否則接受.

表2 昆明市污水處理廠出水水質(zhì)特征Table 2 Characteristics of the effluent water quality of WWTPs in Kunming

第一污水處理廠出水TN和NH3-N的Kolmogorov-Smirnov Z分別為1.15和1.27,Asymp.Sig.(2-tailed)分別為 0.14和 0.08,大于0.05,可以接受原假設(shè),認(rèn)為這2組變量服從正態(tài)分布;而出水COD、BOD5、SS和TP的Asymp.Sig.(2-tailed)均為0.00,不服從正態(tài)分布.同理分析得,第二和三污水處理廠出水COD,第四、五和七污水處理廠出水TN,第六污水處理廠出水COD和TN的樣本濃度服從正態(tài)分布.可見,不同污水處理廠,各個單因素評價指標(biāo)的濃度變化并沒有確定的分布函數(shù).這與污水處理廠進水水質(zhì)水量負(fù)荷、污水處理工藝等各方面的因素有關(guān).

2.2 出水污染物的累積頻率分布

以GB 18918-2002一級A規(guī)定COD(≤50mg/L)、BOD5(≤10mg/L)、SS(≤10mg/L)、TP(≤0.5mg/L)、TN(≤15mg/L)和 NH3-N(≤5mg/L)的限值為達標(biāo)基準(zhǔn)值(由于昆明市2010年冬季平均氣溫11.6℃,所以NH3-N的限值選擇為5mg/L),7座污水處理廠出水各單因素指標(biāo)的實測值小于等于標(biāo)準(zhǔn)限值的累積概率即為達標(biāo)保證率.

2.2.1 出水有機物的累積頻率 由圖1可見,7座污水處理廠出水COD的達標(biāo)保證率均達到100%,其中第四污水處理廠對COD的去除效果尤為明顯,出水COD低于29.6,34.6mg/L的樣本累積概率分別為98%和100%.第一至第七污水處理廠出水BOD5的達標(biāo)保證率依次分別為94%、100%、97%、100%、100%、99%和100%.第四污水處理廠對BOD5的去除效果亦最明顯,出水BOD5低于3.2,6.34 mg/L的樣本累積概率分別為98%和100%.第一和第三污水處理廠出水BOD5的達標(biāo)保證率較低,也從某種程度反應(yīng)出這兩個污水處理廠的生物處理設(shè)施(氧化溝、ICEAS)對可生物降解有機物的生物利用和分解不徹底.

圖1 出水有機物的累積概率Fig.1 Percentiles of COD and BOD5in the effluent

2.2.2 出水懸浮物和磷的累積頻率 由圖2可見,第一至第七污水處理廠出水SS的達標(biāo)保證率依次分別為96%、95%、97%、100%、98%、96%和97%,其中第四污水處理廠尤為顯著,出水SS低于4,9mg/L的樣本達標(biāo)累積概率分別為98%和100%.7座污水處理廠出水TP的達標(biāo)保證率由高到低依次為:四廠(100%)、一廠(97%)、六廠(92%)、五廠(91%)、三廠(89%)、二廠(76%)和七廠(69%).各污水處理廠出水TP的達標(biāo)保證率差異較大,其中第七污水處理廠的除磷效果最差,出水TP達標(biāo)保證率僅為69%,意味著其全年有31%的樣本出水TP濃度不能達到GB 18918-2002一級A對TP排放標(biāo)準(zhǔn).

圖2 出水SS和TP的累積概率Fig.2 Percentiles of SS and TP in the effluent

2.2.3 出水TN和NH3-N的累積頻率 由圖3可見,7座污水處理廠出水TN的達標(biāo)保證率由高到低依次為:四廠(98%)、五廠(97%)、一廠和六廠(92%)、二廠(90%)、七廠(83%)和三廠(81%).第二和四污水處理廠NH3-N的達標(biāo)保證率達到100%,其余污水處理廠達標(biāo)保證率由高到低依次為:六廠和七廠(99%)、三廠(86%)和一廠(82%).可見,第二和四污水處理廠對TN和NH3-N的去除效果均較好;第七污水處理廠A2O工藝的硝化效果好,但是反硝化脫氮作用較差;而第一污水處理廠氧化溝工藝反硝化脫氮效果較好.第四污水處理廠NH3-N的去除效果顯著,出水NH3-N低于1.50,2.61mg/L的樣本達標(biāo)累積概率分別為98%和100%.第一污水處理廠全年有18%的樣本出水NH3-N濃度不能達到一級A排放標(biāo)準(zhǔn);第三和七污水處理廠全年分別有19%和17%的樣本出水TN濃度不能達到一級A排放標(biāo)準(zhǔn).

圖3 出水TN和NH3-N的累積概率Fig.3 Percentiles of TN and NH3-N in the effluent

2.3 出水水質(zhì)的分級達標(biāo)評價

2.3.1 污染物達標(biāo)保證率的分級 由上文分析知,7座污水處理廠出水單因素指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的達標(biāo)保證率存在相似和差異,采用多元統(tǒng)計分析的多維標(biāo)度法可以判斷各單因素指標(biāo)之間的差異程度[19].應(yīng)用SPSS13.0軟件提供的多維標(biāo)度分析ALSCAL模型和歐氏距離,得到 COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN共6個坐標(biāo)點構(gòu)成的二維定位圖(圖4).

圖4 出水單因素指標(biāo)的二維坐標(biāo)圖Fig.4 Two-dimensional coordinates of each parameter in the effluent

其中,RSQ(決定系數(shù),表示總變異中能夠被相對空間距離所解釋的比例)為0.9978,Stress(壓力指數(shù),描述模型對判斷數(shù)據(jù)矩陣擬合效果的參數(shù))為0.02935,說明擬合優(yōu)度好[19].出水指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN被劃分到4個象限.已知7座污水處理廠出水COD的達標(biāo)保證率均達到100%,則與其在相同象限的BOD5和SS亦有較高的達標(biāo)保證率,而出水TP、NH3-N和TN達標(biāo)保證率與COD偏離較大,且三者之間也偏離較大.根據(jù)距離計算可知出水TP的達標(biāo)保證率與其它指標(biāo)的偏離程度最大,屬于高頻率超標(biāo)的污染物.

以7座污水處理廠出水高頻率超標(biāo)的污染物TP的達標(biāo)保證率為基準(zhǔn),結(jié)合國內(nèi)外對污水處理廠出水達標(biāo)率的要求,制訂污水處理廠出水水質(zhì)分級評價規(guī)則如表3所示.

表3 出水污染物達標(biāo)保證率評價規(guī)則Table 3 The rule of water quality assessment of the effluent of WWTPs

2.3.2 污染物的達標(biāo)評價 根據(jù)對昆明市7座污水處理廠主要指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN出水水質(zhì)的達標(biāo)保證率分析,依據(jù)表3出水污染物達標(biāo)保證率評價規(guī)則,得到了昆明市7座污水處理廠污染指標(biāo)COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的達標(biāo)滿意程度評價表(表4).

表4 昆明市7座污水處理廠出水水質(zhì)評價表Table 4 The assessment result of the effluent water quality of Kunming WWTPs

根據(jù)污水處理廠污染指標(biāo)達標(biāo)保證率評價表,得到4個級別控制指標(biāo),制定出水水質(zhì)的達標(biāo)控制指標(biāo)清單(表5).結(jié)果表明,第二污水處理廠,需要重點控制的指標(biāo)是TP,Ⅱ級控制指標(biāo)為TN,Ⅲ級控制指標(biāo)為SS;第七污水處理廠,需要重點控制的指標(biāo)是TP,Ⅰ級控制指標(biāo)是TN,Ⅲ級控制指標(biāo)為SS和NH3-N;第三污水處理廠,需要Ⅰ級控制的指標(biāo)是TN、TP和NH3-N,Ⅲ級控制指標(biāo)為BOD5和SS;第一污水處理廠,需要Ⅰ級控制的指標(biāo)是NH3-N,Ⅱ級控制指標(biāo)是TN和BOD5,Ⅲ級控制指標(biāo)為TP和SS.而第四污水處理廠僅需要對出水TN進行Ⅲ級控制.根據(jù)這個清單,不同污水處理廠可根據(jù)經(jīng)濟現(xiàn)狀和處理后出水的用途,優(yōu)先考慮需要重點控制的污染物指標(biāo),有針對性的制訂不同污水處理廠的工藝優(yōu)化運行策略.

表5 污水處理廠達標(biāo)控制指標(biāo)清單Table 5 Inventory of the control indicator for standard compliance of the effluent of Kunming WWTPs

3 結(jié)論

3.1 采用多元統(tǒng)計方法分析了昆明市7座污水處理廠出水COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的濃度特征.不同污水處理廠,各單因素評價指標(biāo)的全年濃度變化并沒有確定的分布函數(shù),第二和三污水處理廠出水COD,第四、五和七污水處理廠出水TN,第六污水處理廠出水COD和TN的樣本濃度服從正態(tài)分布.7座污水處理廠出水COD達標(biāo)保證率均為100%、出水BOD5和SS達標(biāo)保證率分別在94%和95%以上.但是不同污水處理廠出水TP、NH3-N和TN的達標(biāo)保證率表現(xiàn)出較大的差異,通過多維標(biāo)度分析得知出水TP的達標(biāo)保證率與其他指標(biāo)的偏離程度最大,屬于較高頻率超標(biāo)的污染物.

3.2 將水質(zhì)分級評價和達標(biāo)保證率法相結(jié)合評價了昆明市7座污水處理廠出水水質(zhì),建立污水處理廠污染指標(biāo)達標(biāo)滿意程度評價規(guī)則,并制定了出水水質(zhì)的達標(biāo)控制指標(biāo)清單.結(jié)果表明,TP是第二和第七污水處理廠的重點控制指標(biāo),是第三污水處理廠的Ⅰ級控制指標(biāo);TN是第三和第七污水處理廠的Ⅰ級控制指標(biāo),NH3-N是第一和第三污水處理廠的Ⅰ級控制指標(biāo).不同污水處理廠可根據(jù)經(jīng)濟現(xiàn)狀和處理后出水的用途,優(yōu)先考慮需要重點控制的污染物指標(biāo),有針對性地制訂工藝優(yōu)化運行策略.

[1]Benedetti L,Dirckx G,Bixio D,et al.Environmental and economicperformanceassessmentoftheintegrated urban wastewater system[J].Journal of Environmental Management,2008,88(4):1262-1272.

[2]Colmenarejoa M F,Rubioa A,Sáncheza E,et al.Evaluation ofmunicipalwastewatertreatmentplantswith different technologies at Las Rozas,Madrid(Spain)[J].Journal of Environmental Management,2006,81(4):399-404.

[3]Weirich S R,Silverstein J,Rajagopalan B.Effect of average flow and capacity utilization on effluent water quality from US municipal wastewater treatment facilities[J].Water Research,2011,45(14):4279-86.

[4] 郭勁松,王 紅,龍騰銳.水資源水質(zhì)評價方法分析與進展 [J].重慶環(huán)境科學(xué),1999,21(6):1-3.

[5] 申獻辰,鄒曉雯,杜 霞.中國地表水資源質(zhì)量評價方法的研究 [J].水利學(xué)報,2002,33(12):63-67.

[6]周 豐,郭懷成,劉 永,等.基于多元統(tǒng)計分析和RBFNNs的水質(zhì)評價方法 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2007,27(5):846-853.

[7]Kowalkowski T,Zbytniewski R,Szpejna J,etal.Application of chemometrics in river water classification[J].Water Research,2006,40(4):744-752.

[8]Zhou F,Liu Y,Guo H C.Application of multivariate statistical methods to water quality assessment of the watercourses in northwestern new territories,Hong Kong[J].Environmental Monitoring andAssessment,2007,132(1-3):1-13.

[9] 邵 磊,周孝德,楊方廷,等.基于自由搜索的投影尋蹤水質(zhì)綜合評價方法 [J].中國環(huán)境科學(xué),2010,30(12):1708-1714.

[10]孫兆兵,王保良,冀海峰,等.基于概率組合的水質(zhì)預(yù)測方法 [J].中國環(huán)境科學(xué),2011,31(10):1657-1662.

[11]McBride G B,Ellis J C.Confidence of compliance:a Bayesian approach for percentile standards[J].Water Research,2001,35(5):1117-1124.

[12]Smith E P,Ye K,Hughes C,et al.Statistical assessment of violations of water quality standards under Section 303(d)of the Clean Water Act[J].Environmental Science and Technology,2001,35(3):606-612.

[13]Smith E P,Zahran A,Mahmoud M,et al.Evaluation of waterquality using acceptance sampling by variables[J].Environmetrics,2003,14(4):373-386.

[14]Beamonte E,Bermúdez J D,Casino A,et al.A statistical study of the quality of surface water intended for human consumption near Valencia(Spain)[J].Journal of Environmental Management,2007,83(3):307-314.

[15]Fassman E.Stormwater BMP treatment performance variability for sediment and heavy metals[J].Separation and Purification Technology,2012,84(9):95-103.

[16]GB 18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[17]Oliveira S C,Von Sperling M.Reliability analysis of wastewater treatment plants [J]. Water Research,2008,42(4/5):1182-94.

[18]Mondal N C,Singh V P.Hydrochemical analysis of salinization for a tannery belt in Southern India[J].Journal of Hydrology,2011,405(3/4):235-247.

[19]Johnson R A,Wichern D W.陸璇等譯.實用多元統(tǒng)計分析(第四版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[20]McBride G B.Confidence of compliance:parametric versus nonparametric approaches [J]. Water Research,2003,37(15):3666-3671.