污水高排放標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的分析與評價
近年來污水處理高排放標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)逐漸成為行業(yè)關(guān)注的熱點，與穩(wěn)定達(dá)標(biāo)密切相關(guān)的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分布規(guī)律可以用數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行分析。在確定數(shù)據(jù)分布的基礎(chǔ)上，可靠性理論可用于量化分析污水處理的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率的不同評價周期對投資運行費用具有重要的影響。
隨著中國污水處理行業(yè)的縱深發(fā)展，污水處理的“高排放標(biāo)準(zhǔn)”與“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”成為行業(yè)發(fā)展中的熱點問題，特別是“如何評價穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”更是成為實際污水處理設(shè)計與運行的焦點問題。顯然，“高排放標(biāo)準(zhǔn)”與“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”兩者存在密切的關(guān)系，排放標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)，穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的難度越大，反之亦然。圍繞這一問題的實踐正在不斷影響著國內(nèi)污水處理廠的工藝設(shè)計、運行管理及投資與運行的成本。
01 污水處理廠出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律
從活性污泥法誕生至今，現(xiàn)代污水處理工藝的發(fā)展已經(jīng)走過百年歷程，目前現(xiàn)代污水處理技術(shù)基本上是基于活性污泥法的各種變型工藝（如AAO、SBR、氧化溝、IFAS、MBR等）；钚晕勰喾ǖ姆(wěn)定性關(guān)系到污水處理工藝的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)污水處理廠的設(shè)計都是基于穩(wěn)態(tài)的設(shè)計，但眾所周知實際污水處理廠的運行很少是完全穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，時刻處于動態(tài)變化之中，進(jìn)水負(fù)荷的波動、外界環(huán)境的變化（降雨和氣溫等）、運行控制參數(shù)的變化、設(shè)備的檢修維護(hù)等因素是客觀存在的因素，這些因素使污水處理廠始終處于動態(tài)的變化之中，而這種動態(tài)變化的可以用數(shù)理統(tǒng)計的方法來進(jìn)行分析。
顯然，出水超標(biāo)與出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律有密切關(guān)系，如果知道了出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布函數(shù)就可以算出超標(biāo)的概率，并且可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)污水處理廠的出水水質(zhì)情況。大量的研究結(jié)果表明，污水處理廠的出水水質(zhì)基本服從對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律，這一結(jié)論在歐美的很多污水處理廠都得到了證實。為了進(jìn)一步證實該結(jié)論對國內(nèi)污水處理廠的適用性，本研究對國內(nèi)北方某20萬m³/d的氧化溝污水處理廠一年出水的COD、氨氮、總氮與總磷的數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行了正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、伽馬分布的檢驗，檢驗方法采用柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫檢驗（即K-S檢驗），統(tǒng)計分析軟件采用Statgraphics 18，圖1是出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的直方圖與概率分布函數(shù)。
圖2是出水水質(zhì)數(shù)據(jù)對數(shù)的概率圖，可以看出圖2中基本是直線。上述研究結(jié)果表明，該污水處理廠的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布（出水總氮數(shù)據(jù)同時服從伽馬分布），與國外的研究結(jié)果類似。
另外從數(shù)理統(tǒng)計的角度來看，如果一個變量可以看成是許多很小獨立因子的乘積，則這個變量可以看作是對數(shù)正態(tài)分布，F(xiàn)有的生物動力學(xué)模型對COD、氨氮、總氮、總磷的表達(dá)含有乘法的規(guī)則。因此，出水水質(zhì)分布從更廣的意義上采用對數(shù)正態(tài)分布表達(dá)是合理的。
02 出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的分析
目前，行業(yè)內(nèi)對“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”一詞并沒有明確的定義，如何理解、衡量穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也存在不同的看法。事實上，穩(wěn)定達(dá)標(biāo)在一定程度上反映了污水處理系統(tǒng)的可靠性，如果可靠性很高則穩(wěn)定達(dá)標(biāo)相對容易，相反如果系統(tǒng)的可靠性很差則穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也較難。
對于污水處理廠或處理工藝的可靠性，《Wastewater Engineering Treatment and Resource Recovery》給出了明確的定義：即在一定條件下，污水處理廠出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)時間占考核時間的百分比。比如，某污水處理廠可靠度為99%即是在99%的考核時間內(nèi)都達(dá)標(biāo)，如果考核的時間是1年，那么將會有3~4 d（3.65 d）的時間超標(biāo)。因此，“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”可以用系統(tǒng)的可靠性來衡量評價，即穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率可用可靠度來衡量。由于污水處理廠出水水質(zhì)波動性的特點，污水處理廠的設(shè)計出水水質(zhì)應(yīng)該考慮在一定可靠性的基礎(chǔ)上低于相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，而不能正好是排放標(biāo)準(zhǔn)。
對可靠性的衡量，Niku在1979年提出了可靠性系數(shù)的概念，并被推薦為污水處理設(shè)計取值的依據(jù)？煽啃韵禂(shù)定義為：COR=設(shè)計濃度/排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的出水平均值進(jìn)而可以表達(dá)為式（1）：
式中 mX——設(shè)計運行的出水平均值；
XS——出水標(biāo)準(zhǔn)值；
COR——可靠性系數(shù)。
由于上述污水處理廠的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布，因此對數(shù)正態(tài)分布可用于預(yù)測污水處理廠的出水水質(zhì)性能和可靠性。同時，Niku就如何評估活性污泥法的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，提出了基于對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律的出水水質(zhì)可靠性系數(shù)表達(dá)，見式（2）：
式中 CV——變異系數(shù)（Coefficient of Variation），又稱“離散系數(shù)”，其定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比（σ/μ）。
例如，當(dāng)CV=0.5、要求穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率為95%時，α=0.05，1-α=0.95，則Z1-α可以從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得，Z1-α=1.645。可靠性系數(shù)COR可算出COR=0.51。
這就意味著，為了實現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的概率為95%，出水的平均值mX=0.51XS。如果出水氨氮的標(biāo)準(zhǔn)是3 mg/L，則需要設(shè)計的出水氨氮值應(yīng)為0.51×3=10.5（mg/L）才能保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的概率達(dá)到95%（每月約有1.5 d超標(biāo)）。
這樣，通過可靠性系數(shù)COR與變異系數(shù)CV可以在3個方面有所應(yīng)用，首先可以對新設(shè)計的污水處理廠預(yù)期其未來的水質(zhì)變化，確定合理的設(shè)計濃度來滿足當(dāng)前的排放標(biāo)準(zhǔn)。其次，對已有的污水處理廠，可以預(yù)測其在同等運行操作工況下的出水超標(biāo)風(fēng)險（或出水超標(biāo)的次數(shù)），在某種程度上這也是大數(shù)據(jù)在智慧水務(wù)方面的一個應(yīng)用；最后，上述方法對于標(biāo)準(zhǔn)的制定者也非常有用，如果知道了污水處理廠或工藝的變異系數(shù)CV值，可以制定合理的排放標(biāo)準(zhǔn)。
顯然，數(shù)據(jù)的離散性關(guān)系到可靠性系數(shù)的高低，出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的離散性越高，其穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的可靠性就越低；對于離散系數(shù)相同的數(shù)據(jù)，要求穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的可靠度越高，其可靠性系數(shù)也越低，如圖3所示。
在Niku的研究基礎(chǔ)上，Oliveira提出了用于比較污水處理廠和工藝的可靠度計算方法，見式（3）：
式中 Z1-α——分位數(shù)；
m′X——實際出水值。
例如，當(dāng)出水標(biāo)準(zhǔn)總氮為15 mg/L、CV=0.33、出水總氮實際均值為12 mg/L，則計算得：Z1-α=0.855。
查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，對于Z1-α=0.855，相應(yīng)的1-α=0.8。這表明該污水處理廠在保持同樣的運行條件下，出水TN達(dá)到15 mg/L的可靠度是80%，即在考核時間的80%內(nèi)可以達(dá)標(biāo)。
03 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的評價
污水處理廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)與進(jìn)水負(fù)荷的特性、工藝設(shè)計、運行控制等因素有密切關(guān)系，采用什么樣的方法來評價穩(wěn)定達(dá)標(biāo)關(guān)系到污水處理廠的整體投資與運行費用。
對于污水處理技術(shù)的穩(wěn)定性評價，美國WERF提出了技術(shù)性能統(tǒng)計（TPS，Technology Performance Statistic）的概念，技術(shù)性能統(tǒng)計是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法來描述技術(shù)的性能。技術(shù)性能統(tǒng)計分為三個層次，包括理想技術(shù)性能、平均技術(shù)性能和可靠技術(shù)性能，技術(shù)性能統(tǒng)計為污水廠的管理者、設(shè)計者以及標(biāo)準(zhǔn)的制定者提供了有效的方法來分析工藝達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)的能力。
理想技術(shù)性能統(tǒng)計代表可觀察的最低濃度，只能維持很短的一段時間。WERF的研究報告認(rèn)為理想技術(shù)性能統(tǒng)計濃度是在一年內(nèi)持續(xù)2周時間的最低濃度（簡稱，TPS-14），因為在一年52周的時間內(nèi)將有50周的時間超過上述標(biāo)準(zhǔn)，顯然這一標(biāo)準(zhǔn)不能成為評價污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)。理想性能（TPS-14）只是當(dāng)污水處理廠所受影響因子最小時的統(tǒng)計特性，這種表現(xiàn)只有在受控的實驗室里才可重復(fù)。之所以采用14 d作為衡量理想技術(shù)性能是因為絕大多數(shù)生物脫氮除磷工藝的泥齡約8~20 d，14 d的時間對絕大部分污水處理廠是一個完整泥齡的運行時間。
平均技術(shù)性能（TPS-50%）主要用來反映可靠性能與平均性能的偏離程度，這里用的并不是一年之中的平均值，而是統(tǒng)計學(xué)上的中位值，中位值不受極端變量值的影響。
可靠技術(shù)性能是基于技術(shù)、考核時間段以及運行者在自身風(fēng)險承受能力基礎(chǔ)上可接受的超標(biāo)次數(shù)而綜合確定的百分比，如TPS-90%、TPS-95%、TPS-99%等。圖4反映了可靠度與月均值超標(biāo)數(shù)之間的關(guān)系，由圖可以看出如果在5年之內(nèi)要求只能有1個月均值超標(biāo)，則可靠度可達(dá)到98%，但是顯然會顯著增加污水處理廠的投資與運行費用。而如果在5年之內(nèi)可以有3個月均值超標(biāo)，可靠度則為95%，但是投資與運行費用會降低很多。
WERF的研究報告表明美國污水處理高排放標(biāo)準(zhǔn)傾向于采用TPS-95%，主要是考慮到美國的很多污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)是月均值，也就是如果在連續(xù)5年的運行中，超標(biāo)的月均值可以有3次，這樣的結(jié)果通常被認(rèn)為技術(shù)是可靠的。
目前，國內(nèi)的污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)一般按照日均值考核，日均值的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)與月均值的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)顯然不同，美國環(huán)保局推薦用99.7%的可靠度來評估最大日均值，這主要是考慮到當(dāng)數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布時，數(shù)值分布3個σ之內(nèi)的概率是99.7%。美國環(huán)保局對不同污水處理工藝在不同評估周期的出水?dāng)?shù)據(jù)變化進(jìn)行一定的統(tǒng)計，部分統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。
從表1可以看出，最大日均值與年均值、最大月均值之間存在有很大的差異，比如Hagerstown廠的出水TN最大日均值為13.28 mg/L，年均值為7.86 mg/L，最大日均值為年均值的1.7倍，Durham廠的出水TP最大日均值是年均值的7.4倍。WERF的研究報告也顯示，美國一些要求高標(biāo)準(zhǔn)脫氮除磷污水處理廠其總氮去除的TPS-14一般是TPS（50%）的50%~60%，TPS（95%）是均值的180%~250%；對于總磷而言，總磷去除的TPS-14值是均值的40%~59%，TPS（95%）是均值的200%~300%，這清楚地表明即使是在美國最好性能的脫氮除磷污水處理廠，出水水質(zhì)也存在較大的波動性。
采用前文所述的分析方法可以計算出為滿足日均值穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的設(shè)計濃度，比如某污水處理廠要求出水TN日均值<15 mg/L，在不同的達(dá)標(biāo)率以及CV值情況下，設(shè)計的出水TN濃度見表2。
從表2可以看出，如果要求出水TN日均值<15 mg/L的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率為99.7%，當(dāng)離散系數(shù)CV為0.3～0.5時，出水TN的設(shè)計濃度要達(dá)到4.65～7.05 mg/L。類似計算，如果要求出水TN日均值<10 mg/L的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率為99.7%，出水TN的設(shè)計濃度要達(dá)到3.1～4.7 mg/L，已經(jīng)接近于生物處理的極限脫氮水平。這無論是對于投資還是運費費用都將是顯著的增加。如果要求穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率為80%，為達(dá)到小于15 mg/L的TN標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的出水TN濃度為11～12 mg/L（CV 0.3～0.5），這樣會顯著降低投資與運行費用，但一年中超標(biāo)的概率將有73天，顯然目前從污水處理廠以及監(jiān)管部門角度來看是難以接受的。
因此，以采用日均值為考核需要在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率與投資運行費用方面做出平衡選擇，這樣的選擇在很多情況下是非常困難的，F(xiàn)代污水處理的主流技術(shù)仍然是基于活性污泥法的各種工藝變型，評估其水質(zhì)變化的特點至少應(yīng)在1個泥齡以上的時間，因此采用月均值無論對實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)還是對投資運行費用的影響相對更為合理，也更易于接受。
04 結(jié)語
（1）污水處理廠的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)可以采用數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行分析，本文采用K-S檢驗方法，證實了某20萬m³/d氧化溝工藝污水處理廠的出水COD、氨氮、總氮、總磷數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布。
（2）污水處理廠的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)可以采用可靠度分析來進(jìn)行量化評估，這一方法通過可靠性系數(shù)（COR）與離散系數(shù)（CV）的相關(guān)計算，具體量化了在一定穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率的前提下需要確定的設(shè)計濃度，或在同樣運行操作條件下目前實際出水水質(zhì)能夠獲得的達(dá)標(biāo)率。
（3）污水處理廠出水的最大日均值、最大月均值、年均值之間存在明顯的差異，以生物處理為基礎(chǔ)的污水處理工藝以月均值評估更為合理。同時，污水處理廠的設(shè)計、管理者需要在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率與投資運行費用之間做出合理的選擇。
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