基于达标保证率的昆明市污水处理厂出水水质评价

孙迎雪,吴光学,胡洪营,3*,郭 昉,吴毅晖,郭玉梅(.北京工商大学环境科学与工程系,北京 0008；.清华大学深圳研究生院,国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室,广东 深圳 58055；3.清华大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 0008；.昆明滇池水务股份有限公司,云南 昆明 6508)

城市污水处理厂的达标生产和稳定运行是改善地表水环境质量的重要因素,合理评价已运行城市污水处理厂的出水水质,对于污水处理厂实现污染物有效控制和效益最大化有着重要意义[1-3].

国内外水质评价方法的主要有单指数法、分级评分法、函数法、多元统计法、模糊综合评价法、灰色数学法、神经网络法等[4-10].由于污水处理厂出水水质不仅具有数量特征,还蕴含有系统特征,因此采用多元统计方法可对长期监测所得的数据作系统分析.对于化学和物理类指标,多采用样本值相对于标准值的超标频率范围给定评价决策[11-13].如一些机构和学者提出95%的达标保证率(即认为有5%的污染物样本超过标准值是尚可接受的),这是基于“单个指标在短期内偶尔可以降至标准以下,而水质没有破坏、不危及水生生物健康”的假设条件下做出的一个统计判断[14-15].

本文以昆明市7座城市污水处理厂为研究对象,以GB 18918-2002[16]一级A为目标基准,采用多元统计分析方法,对长期监测的7座城市污水处理厂出水水质进行频数优度拟合检验,用多维标度分析法识别出超标频率高的污染指标,并对污染物指标进行分级,制订出各个污水处理厂的污染控制指标清单,为污水处理厂的优化运行提供理论和数据支持.

1 研究方法

1.1 昆明市污水处理厂概况

昆明市目前有7座运行1年以上的城市污水处理厂各污水处理厂概况如表1所示.

表1 昆明市污水处理厂概况Table 1 Characteristics of the WWTPs in Kunming

7座污水厂总设计水量110.5万m3/d,其中16.86万m3/d的尾水用于景观河道(大观河与翠湖)补水,其余尾水就近直接排放,汇入滇池草海或外海.

1.2 评价方法

参考国内外多元统计分析方法[6,10,12,14,17],将水质分级评价和达标保证率法相结合进行污水处理厂出水水质的评价.选择COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN为单因素评价指标,采用单样本柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫检验(K-S检验)对7座城市污水处理厂出水水质进行频数优度拟合检验,分析其变异程度和分布特征.以GB 18918-2002[16]一级A限值为达标基准,分析不同污水处理厂出水指标的达标保证率(小于等于标准限值的累积概率),利用多维标度分析ALSCAL模型和欧氏距离,识别出超标频率高的污染指标,并对不同污染物指标的保证率进行分级[18],评价不同污水处理厂污染指标的达标满意程度,并制订污染指标控制清单.

数据采用昆明市7座城市污水处理厂2011年1月1日至2011年12月31日全年实际监测出水水质(每个污水处理厂各污染指标样本数为359个),数据的数理统计分析采用SPSS13.0软件.

2 结果与讨论

2.1 出水污染物的浓度特征

由表2可以看出,7座污水处理厂全年出水污染物浓度均有较高的变异系数,说明样本的离散程度较大,用单一的均值法难以合理衡量出水水质的达标情况.

在样本总体分布情况不明时,非参数检验方法可分析出水污染物浓度的分布特征[19-20].本研究对于污水处理厂单因素评价指标COD、BOD5、SS、TP、TN和NH3-N,采用单样本K-S进行频数优度拟合检验,即将观测量的累计分布函数(即经验分布函数)与某个确定的理论分布函数(如正态分布)相比较,以检验一个样本是否来自于某指定分布的样本.K-S检验统计量Z值(Kolmogorov-Smirnov Z):大样本时,当α=0.05 和α=0.01时Z的界值分别是1.36和1.63.双尾渐进显著性概率Asymp.Sig.(2-tailed)＜α时,拒绝原假设,否则接受.

表2 昆明市污水处理厂出水水质特征Table 2 Characteristics of the effluent water quality of WWTPs in Kunming

第一污水处理厂出水TN和NH3-N的Kolmogorov-Smirnov Z分别为1.15和1.27,Asymp.Sig.(2-tailed)分别为 0.14和 0.08,大于0.05,可以接受原假设,认为这2组变量服从正态分布;而出水COD、BOD5、SS和TP的Asymp.Sig.(2-tailed)均为0.00,不服从正态分布.同理分析得,第二和三污水处理厂出水COD,第四、五和七污水处理厂出水TN,第六污水处理厂出水COD和TN的样本浓度服从正态分布.可见,不同污水处理厂,各个单因素评价指标的浓度变化并没有确定的分布函数.这与污水处理厂进水水质水量负荷、污水处理工艺等各方面的因素有关.

2.2 出水污染物的累积频率分布

以GB 18918-2002一级A规定COD(≤50mg/L)、BOD5(≤10mg/L)、SS(≤10mg/L)、TP(≤0.5mg/L)、TN(≤15mg/L)和 NH3-N(≤5mg/L)的限值为达标基准值(由于昆明市2010年冬季平均气温11.6℃,所以NH3-N的限值选择为5mg/L),7座污水处理厂出水各单因素指标的实测值小于等于标准限值的累积概率即为达标保证率.

2.2.1 出水有机物的累积频率 由图1可见,7座污水处理厂出水COD的达标保证率均达到100%,其中第四污水处理厂对COD的去除效果尤为明显,出水COD低于29.6,34.6mg/L的样本累积概率分别为98%和100%.第一至第七污水处理厂出水BOD5的达标保证率依次分别为94%、100%、97%、100%、100%、99%和100%.第四污水处理厂对BOD5的去除效果亦最明显,出水BOD5低于3.2,6.34 mg/L的样本累积概率分别为98%和100%.第一和第三污水处理厂出水BOD5的达标保证率较低,也从某种程度反应出这两个污水处理厂的生物处理设施(氧化沟、ICEAS)对可生物降解有机物的生物利用和分解不彻底.

图1 出水有机物的累积概率Fig.1 Percentiles of COD and BOD5in the effluent

2.2.2 出水悬浮物和磷的累积频率 由图2可见,第一至第七污水处理厂出水SS的达标保证率依次分别为96%、95%、97%、100%、98%、96%和97%,其中第四污水处理厂尤为显著,出水SS低于4,9mg/L的样本达标累积概率分别为98%和100%.7座污水处理厂出水TP的达标保证率由高到低依次为:四厂(100%)、一厂(97%)、六厂(92%)、五厂(91%)、三厂(89%)、二厂(76%)和七厂(69%).各污水处理厂出水TP的达标保证率差异较大,其中第七污水处理厂的除磷效果最差,出水TP达标保证率仅为69%,意味着其全年有31%的样本出水TP浓度不能达到GB 18918-2002一级A对TP排放标准.

图2 出水SS和TP的累积概率Fig.2 Percentiles of SS and TP in the effluent

2.2.3 出水TN和NH3-N的累积频率 由图3可见,7座污水处理厂出水TN的达标保证率由高到低依次为:四厂(98%)、五厂(97%)、一厂和六厂(92%)、二厂(90%)、七厂(83%)和三厂(81%).第二和四污水处理厂NH3-N的达标保证率达到100%,其余污水处理厂达标保证率由高到低依次为:六厂和七厂(99%)、三厂(86%)和一厂(82%).可见,第二和四污水处理厂对TN和NH3-N的去除效果均较好;第七污水处理厂A2O工艺的硝化效果好,但是反硝化脱氮作用较差;而第一污水处理厂氧化沟工艺反硝化脱氮效果较好.第四污水处理厂NH3-N的去除效果显著,出水NH3-N低于1.50,2.61mg/L的样本达标累积概率分别为98%和100%.第一污水处理厂全年有18%的样本出水NH3-N浓度不能达到一级A排放标准;第三和七污水处理厂全年分别有19%和17%的样本出水TN浓度不能达到一级A排放标准.

图3 出水TN和NH3-N的累积概率Fig.3 Percentiles of TN and NH3-N in the effluent

2.3 出水水质的分级达标评价

2.3.1 污染物达标保证率的分级 由上文分析知,7座污水处理厂出水单因素指标COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的达标保证率存在相似和差异,采用多元统计分析的多维标度法可以判断各单因素指标之间的差异程度[19].应用SPSS13.0软件提供的多维标度分析ALSCAL模型和欧氏距离,得到 COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN共6个坐标点构成的二维定位图(图4).

图4 出水单因素指标的二维坐标图Fig.4 Two-dimensional coordinates of each parameter in the effluent

其中,RSQ(决定系数,表示总变异中能够被相对空间距离所解释的比例)为0.9978,Stress(压力指数,描述模型对判断数据矩阵拟合效果的参数)为0.02935,说明拟合优度好[19].出水指标COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN被划分到4个象限.已知7座污水处理厂出水COD的达标保证率均达到100%,则与其在相同象限的BOD5和SS亦有较高的达标保证率,而出水TP、NH3-N和TN达标保证率与COD偏离较大,且三者之间也偏离较大.根据距离计算可知出水TP的达标保证率与其它指标的偏离程度最大,属于高频率超标的污染物.

以7座污水处理厂出水高频率超标的污染物TP的达标保证率为基准,结合国内外对污水处理厂出水达标率的要求,制订污水处理厂出水水质分级评价规则如表3所示.

表3 出水污染物达标保证率评价规则Table 3 The rule of water quality assessment of the effluent of WWTPs

2.3.2 污染物的达标评价 根据对昆明市7座污水处理厂主要指标COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN出水水质的达标保证率分析,依据表3出水污染物达标保证率评价规则,得到了昆明市7座污水处理厂污染指标COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的达标满意程度评价表(表4).

表4 昆明市7座污水处理厂出水水质评价表Table 4 The assessment result of the effluent water quality of Kunming WWTPs

根据污水处理厂污染指标达标保证率评价表,得到4个级别控制指标,制定出水水质的达标控制指标清单(表5).结果表明,第二污水处理厂,需要重点控制的指标是TP,Ⅱ级控制指标为TN,Ⅲ级控制指标为SS;第七污水处理厂,需要重点控制的指标是TP,Ⅰ级控制指标是TN,Ⅲ级控制指标为SS和NH3-N;第三污水处理厂,需要Ⅰ级控制的指标是TN、TP和NH3-N,Ⅲ级控制指标为BOD5和SS;第一污水处理厂,需要Ⅰ级控制的指标是NH3-N,Ⅱ级控制指标是TN和BOD5,Ⅲ级控制指标为TP和SS.而第四污水处理厂仅需要对出水TN进行Ⅲ级控制.根据这个清单,不同污水处理厂可根据经济现状和处理后出水的用途,优先考虑需要重点控制的污染物指标,有针对性的制订不同污水处理厂的工艺优化运行策略.

表5 污水处理厂达标控制指标清单Table 5 Inventory of the control indicator for standard compliance of the effluent of Kunming WWTPs

3 结论

3.1 采用多元统计方法分析了昆明市7座污水处理厂出水COD、BOD5、SS、TP、NH3-N和TN的浓度特征.不同污水处理厂,各单因素评价指标的全年浓度变化并没有确定的分布函数,第二和三污水处理厂出水COD,第四、五和七污水处理厂出水TN,第六污水处理厂出水COD和TN的样本浓度服从正态分布.7座污水处理厂出水COD达标保证率均为100%、出水BOD5和SS达标保证率分别在94%和95%以上.但是不同污水处理厂出水TP、NH3-N和TN的达标保证率表现出较大的差异,通过多维标度分析得知出水TP的达标保证率与其他指标的偏离程度最大,属于较高频率超标的污染物.

3.2 将水质分级评价和达标保证率法相结合评价了昆明市7座污水处理厂出水水质,建立污水处理厂污染指标达标满意程度评价规则,并制定了出水水质的达标控制指标清单.结果表明,TP是第二和第七污水处理厂的重点控制指标,是第三污水处理厂的Ⅰ级控制指标;TN是第三和第七污水处理厂的Ⅰ级控制指标,NH3-N是第一和第三污水处理厂的Ⅰ级控制指标.不同污水处理厂可根据经济现状和处理后出水的用途,优先考虑需要重点控制的污染物指标,有针对性地制订工艺优化运行策略.

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