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    污水處理穩定達標的量化分析


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    隨著中國污水處理向著縱深的發展,污水處理的“高排放標準”與“穩定達標”近年來成為行業發展中的熱點問題,特別是“如何才能穩定達標?”更是成為實際污水處理設計與運行的焦點問題。


    事實上,受進水負荷、外界環境、運行參數、檢修維護的影響,污水處理廠始終處于動態變化之中,正如美國著名的污水處理專家JB Neethling所言:“污水廠只有當池子是空的時候才會處于穩定狀態”。



    而恰恰相反的是,傳統污水處理設計都是按照穩態設計,這種基于穩態設計的動態系統的出水水質變化規律勢必影響污水廠的穩定達標。因此,如果我們知道了出水水質的變化規律就可以在一定程度上預測未來一段時間內污水處理廠的穩定達標情況。對于受多種隨機因素影響的出水水質數據而言,數理統計方法提供了一種強有力的分析手段。


    污水廠穩定運行時的出水水質分布規律


    此次分析選取國內北方某城市8座大中型污水廠歷時5年的出水水質、南方一座中型污水廠1年的出水水質。涵蓋的工藝包括A2O、氧化溝、SBR等主流污水處理技術。對出水COD、氨氮、總氮、總磷每年數據的分布規律進行了正態分布、對數正態分布、伽馬分布檢驗,檢驗方法采用柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫檢驗(即K-S檢驗)。


    1、案例1:北方某污水處理廠(20萬噸/日)



    2、案例2:南方某污水處理廠(10萬噸/日)


    從上述數據分布圖與概率圖中可以看出,處于穩定運行狀態的污水廠出水水質數據基本服從對數正態分布,即使有極個別的異常數據也不會影響總體分布。但如果污水廠在某一段時間處于非穩定運行狀態,比如持續較長一段時間硝化效果的喪失則會導致數據不服從任何分布。事實上,如果一個變量是多個獨立因子的乘積,則這個變量可以看作是對數正態分布?,F有的生物動力學模型對COD、氨氮、總氮、總磷的基本表達含有乘法的規則。因此,出水水質分布從更廣的意義上采用對數正態分布表達是合理的。同時,上述分析研究與國外的研究結果一致,美國在70年代開始大量建設污水廠,圍繞活性污泥工藝的穩定性進行了深入的研究,基本的結論也是認為污水廠的出水水質數據服從對數正態分布。


    穩定達標的定義


    目前,行業內對“穩定達標”一詞并沒有清晰、明確的定義,如何理解、衡量穩定達標也存在不同的看法。由于“穩定達標”反映的是系統可靠性的問題,因此可以用可靠度來衡量。權威著作《Wastewater Engineering Treatment and Resource Recovery》對污水處理的可靠度給出了明確的定義:即在一定條件下,污水處理廠出水水質的達標時間占考核時間的百分比。如:某污水處理廠可靠度為99%,即是在99%的考核時間內都達標,如果考核的時間是1年,那么將會有3-4天(3.65)的時間超標。


    穩定達標的相關計算


    1、可靠性系數


    可靠度理論的一個關鍵參數是可靠性系數,可靠性系數可以表示為:COR=設計濃度/排放標準,則設計的出水平均值可以用下式表達:


    mx=(COR)Xs


    mx是設計的出水平均值,Xs是出水標準值,COR是可靠性系數。


    國際上對污水處理工藝可靠性的研究結論認為服從對數正態分布規律的出水水質可靠性系數可以表示為8.jpg


    CV是變異系數,又稱“離散系數”,為標準差與平均值之比(σ/μ)。


    可靠性系數COR與離散系數CV可以在三個方面有所應用:


    (1)確定合理的設計標準以滿足當前的排放標準;


    (2)對已有的污水處理廠,可以預測出水超標風險(或出水超標的次數);


    (3)制定合理的排放標準。


    例如,當CV=0.5,要求穩定達標率為95%時,α=0.05,1-α=0.95,從標準正態分布表中查得Z1-α=Z0.95=1.645??煽啃韵禂礐OR可以通過上式算出:COR =0.51


    那么出水的平均值應該達到:mx=(COR)Xs= 0.51Xs。如果出水氨氮的標準是3mg/L,則需要設計的出水氨氮值為0.51×3 = 1.5mg/L才能保證出水穩定達標的概率達到95%(每月約有1.5天超標)。


    2、穩定達標率的計算


    可靠性理論的另外一個應用是計算污水廠出水的穩定達標率,對上述計算可靠性系數的公式經過推導可以得到以下公式:



    例如,當出水標準總氮為15mg/L、CV=0.4、出水TN設計均值為12mg/L,則



    對于Z1-α=0.772,相應的1-α=0.78,出水TN達到15mg/L的達標率為78%。如出水TN設計均值為7.5mg/L,根據上述計算,達標率為98%。


    顯然,影響污水廠出水水質設計值取值的關鍵參數是數據的離散系數與要求的穩定達標率。下面兩個表反映了當要求出水TN<15mg/L、TN<10mg/L時,在不同離散系數與不同穩定達標率情況下的出水設計值。



    從上面兩個表可以看出,對于典型的離散系數CV=0.4時,當要求日均值的達標率為99.7%時,其設計的出水TN值需要達到5.55mg/L和3.7mg/L,無疑對脫氮工藝的選擇和運行都是較大的挑戰。


    國內外設計單位對出水設計濃度的取值


    污水處理廠的設計出水水質應該考慮在一定可靠性的基礎上低于相應的排放標準,而不能正好是排放標準,因此設計的取值無疑非常重要。以TN<15mg/L為例,國內部分設計單位一般取值為15mg/L或12mg/L或10mg/L;但美國的部分咨詢公司會按照50%×15=7.5mg/L取值,主要是考慮到通常市政污水廠出水水質數據的離散系數約為0.5左右,大概有一半的時間會超過7.5mg/L,另一半的時間低于7.5mg/L。歐洲的設計經驗也是采用50%×15=7.5mg/L(95%可靠度情況下),如下圖之表述。



    穩定達標的評價


    世界各地對于污水處理穩定達標的評價不盡相同,其不僅涉及評價方法,還與取樣方法、例外數據等多種因素有關,因此標準之間的直接比較沒有意義。


    1、歐洲


    (1)采樣方法


    瞬時樣:奧地利(污水廠規模50-500人口當量)、英國、瑞士(污水廠規模<2000人口當量)、德國、意大利;


    混合樣:歐盟、奧地利(污水廠規模>500人口當量)、瑞士(污水廠規模>2000人口當量)、丹麥、法國、芬蘭、挪威、荷蘭、西班牙、葡萄牙。


    (2)評價方法


    方法1:每個水樣都達標,Xi<K,Xi代表水樣的實際值,K代表標準值;


    方法2:固定比例的水樣達標,比如Y%的水樣滿足標準值,(100-Y)%的水樣容許超過標準值;


    方法3:可變比例的水樣達標,達標的水樣比例根據污水廠的規模等因素而變化;


    方法4:水樣的平均值達標,`X<K。`X表示平均值。


    方法5:水樣的平均值和標準偏差達標,`X+kn·S<K,kn為離散系數,S為水樣標準差。


    不同評價方法及離散系數的影響




    (3)瞬時達標的評估(以意大利為例)


    意大利(距離海岸<10km)瞬時達標的評估


    以意大利對距離海岸<10km的污水廠達標評價為例,為了比較其瞬時達標標準(意大利)與年均達標標準(歐盟)的關系,需進行如下的數據轉化:TN年均達標值(mg/L)=TN瞬時達標值(mg/L)×采樣系數×評價方法轉化系數×例外數據系數=10×0.87×0.47×0.95=3.9mg/L??梢钥闯?,如果總氮要求年均值達到10mg/L,則其瞬時值需要達到3.9mg/L,差異非常大。


    2、美國


    美國污水處理水平的地區差異性較大,比如西海岸地區的某些污水廠只要求二級處理標準,而東海岸某些地區的污水廠要求達到極限脫氮除磷的標準。美國的污水處理水平大致可以分為以下5個等級。



    所謂的極限脫氮除磷(Limit of Technology,LOT)通常是用于表達采用特定技術對目標化合物能夠獲得的最低可能濃度,一般認為TN<3mg/L、TP<0.1mg/L,極限脫氮除磷是統計學意義上的技術名詞,通常是95%可靠度,只是部分富營養化敏感地區的要求。極限脫氮除磷概念在美國出現之后引發了多方面的研究,其中也包括如何評價極限脫氮除磷。這方面一個顯著的技術名詞是技術性能統計(Technology Performance Statistic,TPS),技術性能統計是應用數理統計方法來描述技術的性能,可以分為理想技術性能、平均技術性能、可靠技術性能幾種類型。


    (1)理想技術性能統計是代表可觀察的最低濃度,只能維持很短的一段時間,通常采用一年內持續2周時間的最低濃度,其達標率只有2/52=3.84%。


    (2)平均技術性能統計是反映可靠性能與平均性能的偏離程度; 


    (3)可靠技術性能統計是基于技術、考核時間段以及運行者在自身風險承受能力基礎上可接受的超標次數而綜合確定的百分比;例如TPS-90%、TPS-95%、TPS-99%。


    為了達到極限脫氮除磷的標準,在對Bardenpho、A2O+反硝化濾池、多級硝化-反硝化等工藝進行了大量的數據統計分析之后(下圖),美國的污水處理業界傾向于采用TPS-95%,主要是考慮到美國的很多污水處理廠的排放標準是月均值,也就是如果在連續5年的運行中,超標的月均值可以有3次,這樣的結果通常被認為技術是可靠的。


    同時,相關的研究報告也顯示,美國一些要求高標準脫氮除磷污水廠其總氮去除的TPS-14d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-14d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,出水水質也存在較大的波動性。


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