城鎮(zhèn)污水處理廠進水水質變化規(guī)律研究

張 琨， 孫國勝， 趙 焱

(1.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518000;2.廣東粵海水務股份有限公司，廣東 深圳 518000)

城鎮(zhèn)污水處理工藝應保持在最佳的運行狀態(tài)，以最大程度發(fā)揮處理效能。而城鎮(zhèn)污水處理廠進水水質的大幅度變化，會影響污水處理工藝的工況控制。污水處理工藝設計中，對于進水水質多采用統(tǒng)計分析不同日進水水質并選用一定保證率的方式確定。然而，在污水處理廠的實際運行過程中，受各種因素影響，進水水質即使在一天內也存在較大幅度的波動，甚至會出現(xiàn)瞬時進水水質超過設計水質的問題，這一波動對實際運行控制會產生極大影響。因此，對城鎮(zhèn)污水處理廠進水水質變化規(guī)律進行研究分析，有助于生產運行調控決策，提高運行管理水平和出水達標保證率。筆者以廣西壯族自治區(qū)某污水處理廠為例，分析進水水質波動周期性、主要水質指標相關性規(guī)律，并采用供水工程中時變化系數(shù)分析方法進行了研究。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

根據(jù)取樣技術原理［1］，數(shù)據(jù)變化周期決定采樣頻率。主要處理生活污水的城鎮(zhèn)污水處理廠，其進水水質變化幅度多以小時為周期變化。2019年2月3日0時至12日9時，廣西壯族自治區(qū)某污水處理廠進水中化學需氧量和氨氮濃度隨時間的變化如圖1、圖2所示。數(shù)據(jù)取自在線監(jiān)測儀，數(shù)據(jù)采集周期為2 h，采樣點為污水處理廠進水泵房。污染物總量可根據(jù)污染物濃度與進水水量計算得到，并且生化處理系統(tǒng)污染物負荷采用每日污染物總量計算。分析進水水質波動程度時，采用每2 h累計污染物總量作為分析數(shù)據(jù)。

圖1 化學需氧量的變化Fig.1 Change of chemical oxygen demand

圖2 氨氮的變化Fig.2 Change of ammonia nitrogen

1.2 研究方法

進水水質和水量數(shù)據(jù)本質上是一種信號流，因此可使用信號處理的方法研究其規(guī)律［2］。數(shù)據(jù)動態(tài)變化周期可以采用頻譜分析方法［3］，具體計算方法可采用離散傅里葉變換［4-5］。采用統(tǒng)計學中單參數(shù)Kolmogorov-Smimov檢驗判斷進水水質變化是否符合正態(tài)分布［2］，Spearman檢驗分析進水水質間相關性。采用供水工程中用水量變化系數(shù)分析方法，分析進水水質波動程度［6］。首先，按照0—24時順序以每2 h為一組數(shù)據(jù)，計算污染物累計量(2 h累計)和百分數(shù)(占當日總量比例)。其次，計算當日污染物累計總量和平均每小時污染物累計量。最后，計算當日每小時污染物累計量最大值與平均每小時污染物累計量的比值，得到當日污染物時變化系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 進水水質統(tǒng)計分析

對進水化學需氧量和氨氮濃度數(shù)據(jù)進行單參數(shù)Kolmogorov-Smimov檢驗，分析其分布特性，結果如表1和表2所示。

表1 化學需氧量的正態(tài)性檢驗Tab.1 Normal test of COD

表2 氨氮的正態(tài)性檢驗Tab.2 Normal test of ammonia nitrogen

通過上述結果可知，進水化學需氧量的變化服從正態(tài)分布，氨氮則不服從正態(tài)分布。生活污水排放受多種因素影響，各類污染物具有一定的隨機性規(guī)律。而氨氮則不遵循此規(guī)律，可能是受到非隨機性氨氮排放源影響。

結合圖1可以看出，雖然進水化學需氧量與氨氮的變化并非全部服從正態(tài)分布，但仍可能存在一定相關性。采用Spearman相關性檢驗，對進水化學需氧量與氨氮進行相關性分析，結果如表3所示。

結果表明，進水中化學需氧量與氨氮排放存在較為顯著的正相關性，即化學需氧量與氨氮同步增加或同步減少，這一結果與生活污水中化學需氧量和氨氮均來自居民生活排放的同源性相符。另外，若生活污水排放源頭存在碳氮比較低的問題，則這一情況在進入污水處理廠之前將不會獲得明顯改善，甚至隨著碳源分解還會加劇，進一步影響總氮的去除。因此，對于來源較為穩(wěn)定的生活污水，進水水質波動不會改善低碳氮比的問題。

表3 化學需氧量與氨氮的相關性Tab.3 Correlation between COD and ammonia nitrogen

2.2 進水水質波動周期分析

對于該污水處理廠的進水水質，采用離散傅里葉變換對具有時間序列格式特征的數(shù)據(jù)(化學需氧量和氨氮)進行頻譜分析，結果如圖3、圖4所示。

圖3 進水化學需氧量的變化頻譜分析Fig.3 Spectral analysis of the change of COD in influent

圖4 進水氨氮的變化頻譜分析Fig.4 Spectral analysis of the change of ammonia nitrogen in influent

進水化學需氧量波動最強頻率為0.085 9 h-1，即周期為23.2 h，約為1 d。進水氨氮波動最強頻率有2個，分別為0.007 812 5和0.085 937 5 h-1，即周期分別為256和23.3 h，對應約為11和1 d。由于該污水廠主要收集城鎮(zhèn)居民生活污水，進水化學需氧量和氨氮的波動周期約為1 d，基本與城鎮(zhèn)居民每日的生活規(guī)律相符。進水氨氮存在的11 d波動周期，這一結果可能與氨氮濃度不服從正態(tài)分布反映了相同的問題，即納污范圍內可能存在排放高氨氮廢水的點源非隨機(定期)向納污管道排放。

2.3 進水水質波動程度分析

2.3.1 進水水質時變化分析

進水水質在一日內的波動程度較大，甚至存在部分瞬時進水水質達到或超過設計水質的現(xiàn)象，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行產生較大影響。2月4—10日，COD的日累積總量分別為9 020.00，3 986.51，5 710.83，10 552.80，12 277.22，12 111.26 和 9 577.97 kg，平均 量 分 別 為 375.83，166.10，237.95，439.70，511.55，504.64和399.08 kg/h，每 2 h的變化和時變化系數(shù)k的分析結果見圖5。

圖5 進水化學需氧量的變化Fig.5 Change of COD in influent

2月4—10日，氨氮的日累積總量分別為1 072.21，628.06，978.96，1 356.73，1 739.05，1 780.55和 1 389.71 kg，平均量分別為 44.68，26.17，40.79，56.53，72.46，74.19 和 57.90 kg/h，進水氨氮每2 h的變化和時變化系數(shù)k的分析結果見圖6。

圖6 進水氨氮變化曲線Fig.6 Change of ammonia nitrogen in influent

進水化學需氧量和氨氮量均存在較大程度波動，其中化學需氧量進水量時變化系數(shù)在1.39～2.40，每日22:00至次日2:00出現(xiàn)峰值，每日6:00至12:00出現(xiàn)谷值;氨氮進水量時變化系數(shù)在1.21～1.79，每日22:00至次日2:00出現(xiàn)峰值，每日4:00至12:00出現(xiàn)谷值?；瘜W需氧量和氨氮的峰值與居民生活晚間排水高峰期，谷值與居民生活早間排水較少的規(guī)律相符。該廠在實際生產運行中，應特別在峰值時段(每日22:00至次日2:00)對處理工藝運行進行對應的調整。另外，進水化學需氧量和氨氮存在較大波動，對該廠進行技術改造時應充分考慮水質的波動。

2.3.2 化學需氧量與氨氮比值變化分析

在進水水質出現(xiàn)谷值時(每日4:00至12:00)，可降低處理工藝的處理負荷。但對于較難去除的總氮，進水化學需氧量的降低可能導致出現(xiàn)有機碳源匱乏的問題。脫氮碳源評價多采用進水生化需氧量與進水總凱氏氮的比值。對于穩(wěn)定的生活污水而言，其組成相對固定。同時，污水處理廠進水水質在線監(jiān)測無法實現(xiàn)生化需氧量檢測，獲得總凱氏氮實時數(shù)據(jù)。因此，采用進水化學需氧量與氨氮的比值(化學需氧量每2 h累積進入量/氨氮每2 h累積進入量)，分析進水生化需氧量與進水總凱氏氮比值的變化趨勢，結果如圖7所示。

圖7 進水化學需氧量與氨氮比值的逐時(2 h)變化曲線Fig.7 Hourly(2 h)change curve of the ratio of COD to ammonia nitrogen in influent

結果表明，進水化學需氧量與氨氮比值每日呈現(xiàn)一定規(guī)律變化，每日最大值多出現(xiàn)在22:00至次日2:00，最小值多出現(xiàn)在8:00—12:00。該比值的變化規(guī)律與每日化學需氧量和氨氮的變化規(guī)律基本相符，這一現(xiàn)象也與城鎮(zhèn)居民生活規(guī)律相符。這也說明在居民生活排水較少的時段，脫氮所需的碳源最為匱乏，處理工藝需要進行相應調整或人工補充碳源。

3 結論

① 主要處理生活污水的城鎮(zhèn)污水處理廠，進水中的化學需氧量服從正態(tài)分布，符合其排放來源排放隨機性規(guī)律。進水氨氮不服從正態(tài)分布，說明有非隨機性排放點源對其造成干擾。進水化學需氧量和氨氮具有相關性，符合兩者同源性(均來自居民生活排放)規(guī)律。

② 城鎮(zhèn)污水處理廠進水化學需氧量和氨氮的波動周期約為1 d。進水氨氮出現(xiàn)約11 d的波動周期，推斷存在排放點源對其產生干擾。

③ 進水化學需氧量、進水氨氮以及兩者的比值均在每日22:00至次日2:00出現(xiàn)最大值，在每日8:00(4:00)至12:00出現(xiàn)最小值，與居民生活污水排放規(guī)律相符。應在排放高峰期與排放水量較少的時段，分別注意對處理工藝曝氣量、總氮去除工況進行相應的調整。

④ 進水化學需氧量、進水氨氮的時變化系數(shù)分別為1.39～2.40和1.21～1.79，進水水質每日逐時存在較大波動，對該類污水廠開展技術改造時應特別注意。