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(wù)股份有限公司，廣東 深圳 518000)

城鎮(zhèn)污水處理工藝應(yīng)保持在最佳的運(yùn)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(jìn)水水質(zhì)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(shè)計中，對于進(jìn)水水質(zhì)多采用統(tǒng)計分析不同日進(jìn)水水質(zhì)并選用一定保證率的方式確定。然而，在污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行過程中，受各種因素影響，進(jìn)水水質(zhì)即使在一天內(nèi)也存在較大幅度的波動，甚至?xí)霈F(xiàn)瞬時進(jìn)水水質(zhì)超過設(shè)計水質(zhì)的問題，這一波動對實(shí)際運(yùn)行控制會產(chǎn)生極大影響。因此，對城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行研究分析，有助于生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)控決策，提高運(yùn)行管理水平和出水達(dá)標(biāo)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(jìn)水水質(zhì)波動周期性、主要水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性規(guī)律，并采用供水工程中時變化系數(shù)分析方法進(jìn)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(shù)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(jìn)水水質(zhì)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(jìn)水中化學(xué)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(diǎn)為污水處理廠進(jìn)水泵房。污染物總量可根據(jù)污染物濃度與進(jìn)水水量計算得到，并且生化處理系統(tǒng)污染物負(fù)荷采用每日污染物總量計算。分析進(jìn)水水質(zhì)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(xué)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(jìn)水水質(zhì)和水量數(shù)據(jù)本質(zhì)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(xué)中單參數(shù)Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn)判斷進(jìn)水水質(zhì)變化是否符合正態(tài)分布［2］，Spearman檢驗(yàn)分析進(jìn)水水質(zhì)間相關(guān)性。采用供水工程中用水量變化系數(shù)分析方法，分析進(jìn)水水質(zhì)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?jǐn)?shù)(占當(dāng)日總量比例)。其次，計算當(dāng)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(dāng)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(dāng)日污染物時變化系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)水水質(zhì)統(tǒng)計分析

對進(jìn)水化學(xué)需氧量和氨氮濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行單參數(shù)Kolmogorov-Smimov檢驗(yàn)，分析其分布特性，結(jié)果如表1和表2所示。

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

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

通過上述結(jié)果可知，進(jìn)水化學(xué)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(jī)性規(guī)律。而氨氮則不遵循此規(guī)律，可能是受到非隨機(jī)性氨氮排放源影響。

結(jié)合圖1可以看出，雖然進(jìn)水化學(xué)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(guān)性。采用Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)，對進(jìn)水化學(xué)需氧量與氨氮進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，進(jìn)水中化學(xué)需氧量與氨氮排放存在較為顯著的正相關(guān)性，即化學(xué)需氧量與氨氮同步增加或同步減少，這一結(jié)果與生活污水中化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jìn)水水質(zhì)波動不會改善低碳氮比的問題。

表3 化學(xué)需氧量與氨氮的相關(guān)性Tab.3 Correlation between COD and ammonia nitrogen

2.2 進(jìn)水水質(zhì)波動周期分析

對于該污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)，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(xué)需氧量和氨氮)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 進(jìn)水化學(xué)需氧量的變化頻譜分析Fig.3 Spectral analysis of the change of COD in influent

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

進(jìn)水化學(xué)需氧量波動最強(qiáng)頻率為0.085 9 h-1，即周期為23.2 h，約為1 d。進(jìn)水氨氮波動最強(qiáng)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(yīng)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(jìn)水化學(xué)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(jìn)水氨氮存在的11 d波動周期，這一結(jié)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(nèi)可能存在排放高氨氮廢水的點(diǎn)源非隨機(jī)(定期)向納污管道排放。

2.3 進(jìn)水水質(zhì)波動程度分析

2.3.1 進(jìn)水水質(zhì)時變化分析

進(jìn)水水質(zhì)在一日內(nèi)的波動程度較大，甚至存在部分瞬時進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到或超過設(shè)計水質(zhì)的現(xiàn)象，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)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(jié)果見圖5。

圖5 進(jìn)水化學(xué)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(jìn)水氨氮每2 h的變化和時變化系數(shù)k的分析結(jié)果見圖6。

圖6 進(jìn)水氨氮變化曲線Fig.6 Change of ammonia nitrogen in influent

進(jìn)水化學(xué)需氧量和氨氮量均存在較大程度波動，其中化學(xué)需氧量進(jìn)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(jìn)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(xué)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(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)特別在峰值時段(每日22:00至次日2:00)對處理工藝運(yùn)行進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整。另外，進(jìn)水化學(xué)需氧量和氨氮存在較大波動，對該廠進(jìn)行技術(shù)改造時應(yīng)充分考慮水質(zhì)的波動。

2.3.2 化學(xué)需氧量與氨氮比值變化分析

在進(jìn)水水質(zhì)出現(xiàn)谷值時(每日4:00至12:00)，可降低處理工藝的處理負(fù)荷。但對于較難去除的總氮，進(jìn)水化學(xué)需氧量的降低可能導(dǎo)致出現(xiàn)有機(jī)碳源匱乏的問題。脫氮碳源評價多采用進(jìn)水生化需氧量與進(jìn)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(jìn)水水質(zhì)在線監(jiān)測無法實(shí)現(xiàn)生化需氧量檢測，獲得總凱氏氮實(shí)時數(shù)據(jù)。因此，采用進(jìn)水化學(xué)需氧量與氨氮的比值(化學(xué)需氧量每2 h累積進(jìn)入量/氨氮每2 h累積進(jìn)入量)，分析進(jìn)水生化需氧量與進(jìn)水總凱氏氮比值的變化趨勢，結(jié)果如圖7所示。

圖7 進(jìn)水化學(xué)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(jié)果表明，進(jìn)水化學(xué)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(xué)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)整或人工補(bǔ)充碳源。

3 結(jié)論

① 主要處理生活污水的城鎮(zhèn)污水處理廠，進(jìn)水中的化學(xué)需氧量服從正態(tài)分布，符合其排放來源排放隨機(jī)性規(guī)律。進(jìn)水氨氮不服從正態(tài)分布，說明有非隨機(jī)性排放點(diǎn)源對其造成干擾。進(jìn)水化學(xué)需氧量和氨氮具有相關(guān)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(jìn)水化學(xué)需氧量和氨氮的波動周期約為1 d。進(jìn)水氨氮出現(xiàn)約11 d的波動周期，推斷存在排放點(diǎn)源對其產(chǎn)生干擾。

③ 進(jìn)水化學(xué)需氧量、進(jìn)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(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

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