針對(duì)太湖流域204座城鎮(zhèn)污水處理廠，利用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了水質(zhì)特征以及有機(jī)物、氮、磷和懸浮物之間的概率分布和相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，太湖流域污水處理廠污水中NH3-N和TN濃度分布符合正態(tài)分布，COD、BOD5、SS和TP的濃度分布均呈正偏態(tài)分布。進(jìn)水BOD5/COD值在0.4～0.6之間分布的污水處理廠概率為39.2%，說明太湖流域整體進(jìn)水的生化性較差；進(jìn)水SS/BOD5分布超過1.5的概率為36.3%，表明太湖流域進(jìn)水易造成生物系統(tǒng)污泥的活性的降低；BOD5/TN的均值為3.82，表明進(jìn)水反硝化碳源不足；進(jìn)水BOD5/TP>20的概率為82.8%，基本滿足生物除磷的要求。水質(zhì)指標(biāo)中BOD5和COD，SS和BOD5、COD，TN和NH3-N之間存在顯著的一元線性相關(guān)關(guān)系。結(jié)合新排放標(biāo)準(zhǔn)和太湖地區(qū)進(jìn)水水質(zhì)特征，提出適用于太湖流域污水處理廠提標(biāo)工藝技術(shù)路線建議，為新一輪提標(biāo)改造提供借鑒和參考。

0 引言

太湖流域作為我國三大城市群之一的長三角城市群重要組成部分，總面積達(dá)36 500 km²，人口約3 400萬，以不到全國0.4%的土地面積創(chuàng)造著約占全國1/8的國民生產(chǎn)總值，成為我國經(jīng)濟(jì)最具活力，開放程度最高的區(qū)域之一。而隨著近些年太湖流域周邊地區(qū)人口的急劇增長，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，工業(yè)廢水和生活污水排放造成的水環(huán)境污染已嚴(yán)重影響了太湖流域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。2018年5月，江蘇省出臺(tái)了新的地方標(biāo)準(zhǔn)《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限制》（DB 32/1072-2018），對(duì)于現(xiàn)有污水處理廠的新一輪提標(biāo)改造任務(wù)勢在必行。

城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水污染物濃度既是污水處理工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的重要依據(jù)，也是保證出水穩(wěn)定達(dá)到處理目標(biāo)的必要條件。因此，對(duì)于污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征的研究已成為國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的熱點(diǎn)。孫艷等運(yùn)用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)和偏度系數(shù)等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)北京市的污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征進(jìn)行了分析，得出了北京市污水處理廠進(jìn)水中BOD5、COD、SS、NH3-N、TN和TP分布均呈正偏態(tài)分布。孫迎雪等應(yīng)用Pearson相關(guān)系數(shù)的分析方法，系統(tǒng)分析了昆明市某分流制排水區(qū)域污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征，提出了分流制排水區(qū)域污水處理廠進(jìn)水SS與BOD5、TP、COD的顯著相關(guān)性；Olsen等應(yīng)用主成分分析（Principal component analysis, PCA）方法，對(duì)伊利諾伊河流域污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了伊利諾伊河流域污水處理廠中多個(gè)進(jìn)水污染物之間的相關(guān)性。本研究通過調(diào)研太湖流域不同處理工藝與規(guī)模的204座污水處理廠，系統(tǒng)分析了進(jìn)廠原水水質(zhì)特征的變化規(guī)律和概率統(tǒng)計(jì)，以及有機(jī)物、氮、磷和懸浮物之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合新排放標(biāo)準(zhǔn)和太湖地區(qū)進(jìn)水水質(zhì)特征，提出了適用于太湖流域污水處理廠提標(biāo)工藝技術(shù)路線建議，為新一輪提標(biāo)改造的工藝選擇和優(yōu)化運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

本研究選取江蘇省太湖流域204座污水處理廠作為研究對(duì)象，其中南京市15座、無錫市51座、常州市32座、蘇州市86座、鎮(zhèn)江市20座。以2017年全年實(shí)際進(jìn)廠的原水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)，選取化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，在進(jìn)行分析前對(duì)所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和篩查。

SPSS軟件是專業(yè)統(tǒng)計(jì)軟件，常用于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的相關(guān)性分析，ORIGIN是專業(yè)函數(shù)繪圖與數(shù)據(jù)分析軟件，被普遍用于函數(shù)擬合的制作與分析。以SPSS 22.0和ORIGIN 2017為分析軟件工具, 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析中的正態(tài)分布、回歸分析等方法，探究太湖流域污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征以及有機(jī)物、氮、磷和懸浮物之間的概率分布和相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)出水水質(zhì)基本指標(biāo)分析

通過表1對(duì)太湖流域204座污水處理廠調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，平均進(jìn)水COD 濃度為259.96 mg/L，BOD5濃度為103.51 mg/L，SS濃度為137.95 mg/L，NH3-N濃度為21.37 mg/L，TN濃度為28.94 mg/L，TP濃度為3.16 mg/L，與全國典型城市污水處理廠進(jìn)水均值相比，太湖流域污水處理廠進(jìn)水污染物濃度除COD和BOD5濃度高于全國污水處理廠均值外，其余指標(biāo)均低于全國污水處理廠均值。太湖流域污水處理廠出水污染物濃度濃度不僅優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，也優(yōu)于太湖流域一、二級(jí)保護(hù)區(qū)主要水污染排放限值。其中城鎮(zhèn)污水處理廠對(duì)于SS的去除率最高，TN的去除率最低，COD的削減量最大，TP的削減量最小。BOD5/TN的平均值為3.58，BOD5/TP的平均值為39.26，在全國范圍內(nèi)處于中等偏低水平。

2.2 進(jìn)水水質(zhì)特征指標(biāo)分析

2017年太湖流域污水處理廠年平均進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)COD、BOD5、SS、NH3-N、TN和TP的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與正態(tài)性檢驗(yàn)分析如表2所示。表2同時(shí)獲得了Kolmogorov-Smirnov統(tǒng)計(jì)量和Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)量，一般情況下，當(dāng)樣本容量N<1 000時(shí)，使用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)的數(shù)值較為精準(zhǔn)，當(dāng)顯著性水平Sig.（significance level）>0.05時(shí)，則認(rèn)為指標(biāo)服從正態(tài)分布。經(jīng)過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NH3-N和TN 2項(xiàng)指標(biāo)顯著性水平>0.05，因此認(rèn)為這2項(xiàng)指標(biāo)服從正態(tài)分布，而COD、BOD5、SS和TP顯著性水平<0.05，則認(rèn)為這4項(xiàng)指標(biāo)不服從正態(tài)分布，呈偏態(tài)分布。此外，COD、BOD5、SS和TP指標(biāo)的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均大于0，由此可判斷其指標(biāo)數(shù)據(jù)分布均呈正偏態(tài)分布。

圖1為太湖流域污水處理廠進(jìn)水污染物的分布規(guī)律，通過對(duì)進(jìn)水污染物累計(jì)百分比的50%以及80%范圍值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以反映太湖流域污水處理廠進(jìn)水污染物濃度的均值及典型代表值。由圖1可以發(fā)現(xiàn)太湖流域地區(qū)污水處理廠進(jìn)廠原水的COD濃度在59.31～804.51 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水COD<228.09 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水COD<340.02 mg/L。進(jìn)水BOD5在0～327.95 mg/L內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水BOD5<96.52 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水BOD5<129.35 mg/L。進(jìn)水SS在14.49～456.9 mg/L內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水SS<120.96 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水SS<190.38 mg/L。進(jìn)水NH3-N在4.74～37.86 mg/L內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水NH3-N<21.71 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水NH3-N<26.92 mg/L。進(jìn)水TN在7.53~59.36 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水TN<29.02 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水TN<35.41 mg/L。進(jìn)水TP在0.37～8.72 mg/L內(nèi)波動(dòng)，50%的污水處理廠進(jìn)水TP<2.79 mg/L，80%的污水處理廠進(jìn)水TP<4.37 mg/L。

由以上進(jìn)水分布數(shù)據(jù)可知，與天津市運(yùn)行較好的24座污水處理廠進(jìn)水污染物均值相比，太湖流域的污水處理廠進(jìn)水COD、BOD5濃度普遍偏低，易造成污水處理廠進(jìn)水碳源不足，無法為污水處理廠有效地提供碳源用于氮磷去除。這主要是由于太湖流域地區(qū)城市雨污分流不徹底，地下管網(wǎng)易滲漏以及地下水水位高等原因。因此太湖流域污水處理廠普遍需要額外投加碳源用于高效去除污水中的氮磷。

2.3 進(jìn)水營養(yǎng)物質(zhì)的比例關(guān)系

2.3.1 進(jìn)水BOD5/COD特征分析

一般情況下評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水可生化性指標(biāo)采用BOD5/COD，該指標(biāo)體現(xiàn)了進(jìn)水中可生物降解的有機(jī)物占總有機(jī)物量的比值，可通過BOD5/COD預(yù)測污水的可生物降解能力。當(dāng)BOD5/COD<0.1時(shí)認(rèn)為污水不適于進(jìn)行生物處理；當(dāng)0.2<BOD5/COD<0.4時(shí)，表明污水中存在難生物降解性污染物；當(dāng)0.4<BOD5/COD<0.6時(shí)，則認(rèn)為污水的可生化性較好。從圖2a中可知，太湖流域污水處理廠的進(jìn)水BOD5/COD在0.07～1.44波動(dòng)，平均值為0.42，中間值為0.39。其中進(jìn)水BOD5/COD<0.1的污水處理廠僅占太湖流域污水處理廠的2%，BOD5/COD在0.4～0.6的污水處理廠占39.2%，而BOD5/COD>0.6的污水處理廠則占7.4%。結(jié)果表明，太湖流域污水處理廠進(jìn)水基本都適合生物處理，但總體進(jìn)水的可生化性較差，生物處理能力相對(duì)較弱。其主要原因是因?yàn)樘饔虻貐^(qū)地下管網(wǎng)滲漏及地下水稀釋作用，造成進(jìn)水中的COD與BOD5濃度普遍較低。

2.3.2 進(jìn)水SS/BOD5特征分析

SS/BOD5主要反映進(jìn)水懸浮固體對(duì)污泥產(chǎn)率和污泥活性的影響。當(dāng)進(jìn)水SS/BOD5增高時(shí)，生物系統(tǒng)中活性污泥的活性則會(huì)降低，影響對(duì)污染物的去除效果。一般情況下，污水處理廠進(jìn)水SS/BOD5>1.2，污水處理廠反硝化能力就會(huì)降低，這是因?yàn)檫^高的SS/BOD5導(dǎo)致反硝化階段的碳源利用率低，碳源隨著污水流入好氧池內(nèi)被大量消耗，造成生物系統(tǒng)脫氮效果變差。由圖2b可知，太湖流域污水處理廠的SS/BOD5的分布為0.13～7.14，均值為1.52，中間值1.33。有42.2%的污水處理廠SS/BOD5<1.2，36.3%的污水處理廠的SS/BOD5>1.5，僅有21.5%的污水處理廠SS/BOD5處于1.2～1.5的最適范圍之內(nèi)。結(jié)果表明，太湖流域大部分污水處理廠的進(jìn)水易造成生物系統(tǒng)污泥的活性的降低，影響污水處理廠實(shí)現(xiàn)高效的脫氮除磷。

2.3.3 進(jìn)水BOD5/TN特征分析

碳源是影響反硝化效果及其過程的重要限制因素之一，為保證反硝化菌在缺氧池內(nèi)順利進(jìn)行反硝化作用，需在缺氧段提供足夠的有機(jī)物促進(jìn)生物脫氮過程。當(dāng)進(jìn)水BOD5/TN>2.86可實(shí)現(xiàn)硝酸鹽完全的反硝化，一般BOD5/TN>4則認(rèn)為進(jìn)水碳源充足。從圖2c可知，太湖流域污水處理廠BOD5/TN的均值在3.82，中間值為3.33，有33.8%的污水處理廠BOD5/TN>4，而43.14%的污水處理廠BOD5/TN<3，這表明太湖流域大部分的污水處理廠需要額外添加碳源以提高反硝化脫氮能力，保證總氮的達(dá)標(biāo)排放。

2.3.4 進(jìn)水BOD5/TP特征分析

生物除磷的效果由整個(gè)生物系統(tǒng)從基質(zhì)中獲得的能量和需要去除的磷總量的比值決定，通常采用BOD5/TP指標(biāo)以評(píng)價(jià)生物除磷的可行性。一般污水處理廠中進(jìn)水BOD5/TP>20則符合生物除磷要求，比值越大，才能保證聚磷菌對(duì)基質(zhì)有足夠的需求，增加除磷效果，而如果BOD5/TP過低，聚磷菌在厭氧池釋磷時(shí)產(chǎn)生的能量不能用于很好的吸收和貯藏溶解性有機(jī)物，影響聚磷菌在好氧池的吸磷效果，從而使出水TP濃度升高。通過分析圖2d，發(fā)現(xiàn)太湖流域污水處理廠的進(jìn)水BOD5/TP的分布為0～190.05，均值為39.26，中間值31.02，其中有82.8%的污水處理廠進(jìn)水BOD5/TP>20，因此太湖流域污水處理廠的進(jìn)水在大多數(shù)情況下均可滿足生物除磷的要求。

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