朱信成 肖作義 肖明慧, 段連均 康文慶 谷兆全 范榮華 杜 瑞

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.包頭市北郊水質(zhì)凈化廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

包頭市城市污水水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

朱信成1肖作義1肖明慧1,2段連均2康文慶2谷兆全2范榮華2杜 瑞3

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.包頭市北郊水質(zhì)凈化廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

以包頭市污水處理廠2015年全年進(jìn)水實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了包頭市城市污水中6個水質(zhì)指標(biāo)(COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP)的概率分布、變化規(guī)律和相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，包頭市污水處理廠進(jìn)水中，除COD呈正態(tài)分布外其他5個水質(zhì)指標(biāo)均服從偏態(tài)分布，COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP全年中間值分別為428.00、288.00、155.00、67.35、89.85、9.57mg/L，各水質(zhì)指標(biāo)均隨季節(jié)變化明顯。COD和BOD5、COD和SS、BOD5和SS、氨氮和TN間存在較明顯的一元線性關(guān)系。進(jìn)水BOD5/COD(質(zhì)量比)平均值高于0.45，BOD5/COD>0.45的累積分布概率為96.6%，說明包頭市城市污水可生化性較好。BOD5/TN(質(zhì)量比)平均值為3.32，BOD5/TN<4.00的累積分布概率為59.7%，說明有污水反硝化碳源不足的現(xiàn)象存在。進(jìn)水BOD5/TP(質(zhì)量比)平均值為31，且全年BOD5/TP>20的累積分布概率為93.0%，滿足生物除磷要求。

城市污水 水質(zhì) 特征 統(tǒng)計(jì)分析

由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市人口逐漸增多，城鎮(zhèn)居民的用水量逐年增大，工業(yè)廢水排放量也迅速增加，導(dǎo)致城市污水問題日益嚴(yán)重。如何有效緩解城鎮(zhèn)水污染及水資源短缺是城市發(fā)展建設(shè)中需要著重考慮的關(guān)鍵問題[1-2]。城市污水處理廠是有效解決城市污水問題的重要手段，對城市污水進(jìn)行收集處理并利用既可減輕水體污染，還能緩解水資源緊張[3-5]。城市污水的水質(zhì)特征決定著污水處理廠的工藝類型，充分熟悉污水水質(zhì)特點(diǎn)對于節(jié)省污水處理廠工程建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用及提高污水處理效果具有重要意義[6-7]。本研究以包頭市為例，研究了城市污水水質(zhì)特征，尤其對COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP的變化規(guī)律和概率分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，獲得了各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，為包頭市和北方其他城市污水處理廠污水處理工藝選型、提高污水處理效能提供科學(xué)依據(jù)。

表1 包頭市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)1)

注：1)P25、P75分別代表數(shù)據(jù)從小到大排序后位于25%、75%位置的數(shù)值。

1 污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)

以包頭市所有污水處理廠2015年全年進(jìn)水作為研究對象，水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于各污水處理廠每日進(jìn)水的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用SPSS 21.0軟件對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。2015年包頭市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由表1可見，包頭市污水處理廠進(jìn)水COD、BOD5、SS、氨氮、TN、TP分別為230.00～668.00、134.00～438.00、108.00～251.00、34.40～89.80、2.77～50.80、52.40～117.00 mg/L，全年中間值分別為428.00、288.00、155.00、67.35、89.85、9.57 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差分別為78.29、64.44、27.41、11.95、3.99、12.61 mg/L，可見包頭市污水處理廠進(jìn)水污染物濃度的波動較大。

根據(jù)SPSS 21.0軟件規(guī)定，當(dāng)有效樣本數(shù)不足2 000時，正態(tài)分析以Shapiro-Wilk檢驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。污水處理廠進(jìn)水指標(biāo)的Shapiro-Wilk檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 進(jìn)水指標(biāo)的正態(tài)檢驗(yàn)分析

由表2可見，COD的顯著性經(jīng)驗(yàn)值大于0.05，表明進(jìn)水COD濃度服從正態(tài)分布，其他各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的顯著性經(jīng)驗(yàn)值均小于0.05，因此BOD5、SS、氨氮、TP、TN均不服從正態(tài)分布。

2 水質(zhì)指標(biāo)特征分析

2.1 COD特征分析

2015年進(jìn)水COD月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖1所示。

從圖1(a)可見，1—12月進(jìn)水COD的平均值和中間值互有大小，除10月兩者相差稍大外各月平均值和中間值總體相近，各月進(jìn)水COD的中間值在368.00～507.00 mg/L，隨季節(jié)有明顯變化，其中6月進(jìn)水COD中間值最大，3月最小。從圖1(b)可見，進(jìn)水COD呈正態(tài)分布，主要分布在350.00～550.00 mg/L，該區(qū)間累積分布概率達(dá)87.6%，進(jìn)水COD為600.00 mg/L時的累積分布概率為95.0%。

注：在圖(a)箱體圖中箱體上下兩端分別對應(yīng)P25和P75，箱體中的線段對應(yīng)中間值，箱體內(nèi)部空點(diǎn)對應(yīng)平均值，箱體兩端線段端點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)值為極值，外部散點(diǎn)為異常值。圖2至圖6同。

圖1 COD月分布規(guī)律及其全年概率分布
Fig.1 Monthly distribution and annual probability distribution of COD

圖2 BOD5月分布規(guī)律及其全年概率分布Fig.2 Monthly distribution and annual probability distribution of BOD5

圖3 SS月分布規(guī)律及其全年概率分布Fig.3 Monthly distribution and annual probability distribution of SS

2.2 BOD5特征分析

2015年進(jìn)水BOD5月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖2所示。

由圖2(a)可見，除5月、8月、10月外，其他各月進(jìn)水BOD5平均值均大于或等于中間值，進(jìn)水BOD5中間值分布在231.00～350.00 mg/L，隨季節(jié)變化明顯，其中5月進(jìn)水BOD5中間值最高，12月最低。由圖2(b)可見，進(jìn)水BOD5呈正偏態(tài)分布，主要分布在240.00～400.00 mg/L，該區(qū)間的累積分布概率為72.9%，進(jìn)水BOD5為400.00 mg/L時的累積分布概率為95.0%。

2.3 SS特征分析

2015年進(jìn)水SS月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖3所示。

由圖3(a)可見，除1月、3月、10月、11月外，其他各月進(jìn)水SS平均值均大于中間值，進(jìn)水SS中間值分布在140.00～185.00 mg/L，隨季節(jié)變化明顯，其中6月、7月、9月進(jìn)水SS中間值最小，10月最大。根據(jù)圖3(b)，進(jìn)水SS呈正偏態(tài)分布，主要分布在140.00～200.00 mg/L，該區(qū)間的累積分布概率為69.0%，而SS為219.00 mg/L時的累積分布概率為95.0%。

2.4 氨氮特征分析

2015年進(jìn)水氨氮月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖4所示。

由圖4可見，除2月、3月、4月外，其他各月進(jìn)水氨氮的平均值均小于中間值，進(jìn)水氨氮中間值分布在48.30～74.55 mg/L，隨季節(jié)變化明顯。其中，10月進(jìn)水氨氮中間值最大，3月最小。由圖4(b)可見，進(jìn)水氨氮呈負(fù)偏態(tài)分布，主要分布在55.00～85.00 mg/L，該區(qū)間的累積分布概率為75.2%，氨氮為83.20 mg/L時累積分布概率達(dá)到95.0%。

2.5 TN特征分析

2015年進(jìn)水TN月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖5所示。

圖4 氨氮月分布規(guī)律及其全年概率分布Fig.4 Monthly distribution and annual probability distribution of ammonia nitrogen

圖5 TN月分布規(guī)律及其全年概率分布Fig.5 Monthly distribution and annual probability distribution of TN

由圖5可見，除9月、11月、12月外，其他各月進(jìn)水TN的平均值均小于中間值，進(jìn)水TN中間值分布在80.90～99.10 mg/L，隨季節(jié)變化明顯，其中6月進(jìn)水TN中間值最大，3月最小。由圖5(b)可見，進(jìn)水TN呈負(fù)偏態(tài)分布，主要分布在80.00～105.00 mg/L，該區(qū)間的累積分布概率為67.8%，TN為107.00 mg/L時的累積分布概率達(dá)到95.0%。

2.6 TP特征分析

2015年進(jìn)水TP月分布規(guī)律及其全年概率分布情況如圖6所示。

由圖6(a)可見，除6月、7月外，其他各月進(jìn)水TP的平均值均大于或等于中間值，進(jìn)水TP的月中間值分布在7.40～11.60 mg/L，隨季節(jié)變化明顯，其中6月進(jìn)水TP中間值最大，3月最小。由圖6(b)可見，進(jìn)水TP呈正偏態(tài)分布，主要分布在10.00～15.00 mg/L，該區(qū)間的累積分布概率為91.3%。TP為14.00 mg/L時的累積分布概率達(dá)到95.0%。

2.7 水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

污水處理廠進(jìn)水組分復(fù)雜多樣，分析各種組分間的相關(guān)性將有助于提高污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行效果[8]。本研究對包頭市污水處理廠2015年全年進(jìn)水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，以確定不同水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性，結(jié)果如表3所示。

由表3可見，COD和BOD5、SS和COD、SS和BOD5、氨氮和TN的相關(guān)系數(shù)大于0.6，表明兩者間存在強(qiáng)相關(guān)性。COD和氨氮、COD和TN的相關(guān)系數(shù)在0.4～0.6，表明兩者間存在中等程度的相關(guān)性。而SS和TP、SS和TN相關(guān)系數(shù)小于0.2，且未通過顯著性檢驗(yàn)，表明兩者沒有相關(guān)性。除此之外的其他組合相關(guān)系數(shù)均在0.2～0.4，表明兩者之間僅存在弱相關(guān)性。經(jīng)過Pearson相關(guān)性分析，為確定存在強(qiáng)相關(guān)性的各水質(zhì)指標(biāo)間的一元線性關(guān)系，用最小二乘法對4組水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行回歸計(jì)算，各水質(zhì)指標(biāo)間的回歸方程及相關(guān)系數(shù)如下：

圖6 TP月分布規(guī)律及其全年概率分布Fig.6 Monthly distribution and annual probability distribution of TP

水質(zhì)指標(biāo)CODBOD5SS氨氮TPBOD50.829*SS0.853*0.842*氨氮0.529*0.350*0.220*TP0.263*0.242*0.1180.383*TN0.527*0.373*0.0500.786*0.315*

注：1)*表示相關(guān)關(guān)系通過顯著性檢驗(yàn)。

cCOD=113.9+0.76cBOD5，R2=0.69

(1)

cCOD=281.5+0.45cSS，R2=0.73

(2)

cBOD5=176.8+0.29cSS，R2=0.71

(3)

cAN=8.92+0.634cTN，R2=0.62

(4)

式中：cCOD、cBOD5、cSS、cAN、cTN分別為進(jìn)水COD、BOD5、SS、氨氮、TN的質(zhì)量濃度，mg/L。

由式(1)至式(4)可見，COD和BOD5、COD和SS、BOD5和SS、氨氮和TN之間具有較明顯的線性關(guān)系。

3 水質(zhì)指標(biāo)比例關(guān)系特征分析

3.1 BOD5/COD(質(zhì)量比)特征分析

BOD5/COD是污水可生化降解性能的重要指標(biāo)，可以反映污水可生化降解的能力。對于城市污水而言，BOD5/COD大于0.45時說明污水可生化性較好，適于生物處理[9]。包頭市污水處理廠進(jìn)水BOD5/COD概率分布如圖7所示。

由圖7可見，進(jìn)水BOD5/COD主要分布在0.45～0.95，對累積分布概率曲線分析可知，全年進(jìn)水BOD5/COD的平均值和中間值均為0.67，BOD5/COD大于0.45的累積分布概率為96.6%，可見包頭市城市污水具有良好的可生化性，易于生物降解。

3.2 BOD5/TN(質(zhì)量比)特征分析

反硝化是城市污水處理過程中主要反應(yīng)之一，反硝化過程中碳源對于反應(yīng)速率的影響巨大，對脫氮效果起著決定性作用。通常污水BOD5/TN在4.00～6.00時，表明碳源含量滿足生物反硝化的需求[10]。包頭市污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN概率分布如圖8所示。

圖7 BOD5/COD的概率分布Fig.7 Probability of BOD5/COD

由圖8可見，進(jìn)水BOD5/TN主要分布在2.50～5.00，對累積分布概率曲線分析可知，全年進(jìn)水BOD5/TN的平均值和中間值分別為3.32、3.34，包頭市污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN小于4.00的累積分布概率為59.7%，BOD5/TN在4.00～6.00的累積分布概率為40.3%，說明包頭市污水處理廠進(jìn)水反硝化存在碳源不足的情況，必要時需在污水處理過程中外加碳源。

圖8 BOD5/TN的概率分布Fig.8 Probability of BOD5/TN

3.3 BOD5/TP(質(zhì)量比)特征分析

污水處理廠的除磷效果主要取決于污水處理系統(tǒng)內(nèi)除磷菌所需發(fā)酵基質(zhì)與含磷量的比值，比值越大生物系統(tǒng)的除磷效率越高。本研究以BOD5/TP作為衡量生物除磷可行性的指標(biāo)，當(dāng)BOD5/TP高于20～25時，表明污水處理廠將有較好的除磷效果。包頭市污水處理廠進(jìn)水BOD5/TP概率分布如圖9所示。

圖9 BOD5/TP的概率分布Fig.9 Probability of BOD5/TP

由圖9可見，BOD5/TP主要分布在20～45，對累積分布概率曲線分析可知，全年進(jìn)水BOD5/TP的平均值和中間值分別31、30，均高于25。其中BOD5/TP>20的累積分布概率達(dá)到93.0%，可見包頭市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)完全滿足生物除磷的需求。

4 結(jié) 論

(1) 包頭市污水處理廠進(jìn)水COD呈正態(tài)分布，進(jìn)水BOD5、SS、氨氮、TN和TP均服從偏態(tài)分布，COD、BOD5、SS、氨氮、TN、TP全年中間值分別為428.00、288.00、155.00、67.35、89.85、9.57 mg/L，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)隨季節(jié)變化明顯。

(2) 進(jìn)水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)間除SS和TP、SS和TN無相關(guān)性外，其余各水質(zhì)指標(biāo)間具有不同程度的相關(guān)性，其中COD和BOD5、SS和COD、SS和BOD5、氨氮和TN具有強(qiáng)相關(guān)性，4組水質(zhì)指標(biāo)間存在較明顯的一元線性關(guān)系。

(3) 包頭市城市污水可生化性極好，進(jìn)水水質(zhì)完全滿足生物除磷的需求，但存在反硝化碳源不足的情況，在設(shè)計(jì)處理工藝時需注意該問題。

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StatisticalanalysisofqualitycharacteristicsofmunicipalwastewaterinBaotouCity

ZHUXincheng1，XIAOZuoyi1，XIAOMinghui1,2，DUANLianjun2，KANGWenqing2，GUZhaoquan2，F(xiàn)ANRonghua2，DURui3.

(1.AcademyofEnergyandEnvironmentEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010;2.BaotouDrainageIndustryCo.,Ltd.,BaotouInnerMongolia014030;3.NorthernSuburbanWaterPurificationPlant，BaotouInnerMongolia014010)

The annual measured data of inlet water of sewage plants in Baotou City in 2015 was taken as the basis and the statistical method was applied to analyze the probability distribution,change rule and correlativity of 6 pollutant indexes (COD,BOD5,SS,ammonia nitrogen,TN and TP)in the urban sewage of Baotou City. According to the result,BOD5,SS,ammonia nitrogen,TN and TP in the inlet water of sewage plants in Baotou City complied with a skewed distribution except that COD showed a normal distribution. The annual medians of COD,BOD5,SS,ammonia nitrogen,TN and TP were 428.00,288.00,155.00,67.35,89.85 and 9.57 mg/L.Various indexes significantly varied with the seasons. There was an obvious one-dimensional linear relationship between COD and BOD5,COD and SS,BOD5and SS,ammonia nitrogen and TN. The average value of BOD5/COD (mass ratio) in inlet water was higher than 0.45 and the cumulative probability of BOD5/COD>0.45 was 96.6%,which indicated good biodegradability of inlet water quality. The average value of BOD5/TN (mass ratio) was 3.32 and the cumulative probability of BOD5/TN<4.00 was 59.7%,which showed poor carbon source for denitrification. The average value of BOD5/TP (mass ratio) in inlet water was 31 and the cumulative probability of BOD5/TP>20 reached 93.0%,which showed that the inlet water satisfied the requirements of biological phosphorus removal.

municipal wastewater； water quality; characteristics； statistical analysis

朱信成，男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘形鬯幚砑夹g(shù)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.021

2016-11-15)