包頭市城市污水水質指標的統計學分析

朱信成 肖作義 肖明慧, 段連均 康文慶 谷兆全 范榮華 杜 瑞

(1.內蒙古科技大學能源與環境工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭市排水產業有限責任公司，內蒙古 包頭 014030；3.包頭市北郊水質凈化廠，內蒙古 包頭 014010)

包頭市城市污水水質指標的統計學分析

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.內蒙古科技大學能源與環境工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭市排水產業有限責任公司，內蒙古 包頭 014030；3.包頭市北郊水質凈化廠，內蒙古 包頭 014010)

以包頭市污水處理廠2015年全年進水實測數據為基礎，應用統計學方法分析了包頭市城市污水中6個水質指標(COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP)的概率分布、變化規律和相關關系。結果表明，包頭市污水處理廠進水中，除COD呈正態分布外其他5個水質指標均服從偏態分布，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，各水質指標均隨季節變化明顯。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系。進水BOD5/COD(質量比)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象存在。進水BOD5/TP(質量比)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 特征 統計分析

由于經濟快速發展，城市人口逐漸增多，城鎮居民的用水量逐年增大，工業廢水排放量也迅速增加，導致城市污水問題日益嚴重。如何有效緩解城鎮水污染及水資源短缺是城市發展建設中需要著重考慮的關鍵問題[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]。城市污水的水質特征決定著污水處理廠的工藝類型，充分熟悉污水水質特點對于節省污水處理廠工程建設、運行費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特征，尤其對COD、BOD5、SS、氨氮、TN和TP的變化規律和概率分布進行了統計學分析，獲得了各水質指標間的相關關系，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依據。

表1 包頭市污水處理廠進水水質指標統計1)

注：1)P25、P75分別代表數據從小到大排序后位于25%、75%位置的數值。

1 污水處理廠進水水質

以包頭市所有污水處理廠2015年全年進水作為研究對象，水質數據來源于各污水處理廠每日進水的實測數據，采用SPSS 21.0軟件對水質數據進行統計學分析。2015年包頭市污水處理廠進水水質指標統計結果如表1所示。

由表1可見，包頭市污水處理廠進水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，標準差分別為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水污染物濃度的波動較大。

根據SPSS 21.0軟件規定，當有效樣本數不足2 000時，正態分析以Shapiro-Wilk檢驗結果為準。污水處理廠進水指標的Shapiro-Wilk檢驗結果如表2所示。

表2 進水指標的正態檢驗分析

由表2可見，COD的顯著性經驗值大于0.05，表明進水COD濃度服從正態分布，其他各項水質指標的顯著性經驗值均小于0.05，因此BOD5、SS、氨氮、TP、TN均不服從正態分布。

2 水質指標特征分析

2.1 COD特征分析

2015年進水COD月分布規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，各月進水COD的中間值在368.00～507.00 mg/L，隨季節有明顯變化，其中6月進水COD中間值最大，3月最小。從圖1(b)可見，進水COD呈正態分布，主要分布在350.00～550.00 mg/L，該區間累積分布概率達87.6%，進水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P25和P75，箱體中的線段對應中間值，箱體內部空點對應平均值，箱體兩端線段端點對應的數值為極值，外部散點為異常值。圖2至圖6同。

圖1 COD月分布規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年進水BOD5月分布規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，其他各月進水BOD5平均值均大于或等于中間值，進水BOD5中間值分布在231.00～350.00 mg/L，隨季節變化明顯，其中5月進水BOD5中間值最高，12月最低。由圖2(b)可見，進水BOD5呈正偏態分布，主要分布在240.00～400.00 mg/L，該區間的累積分布概率為72.9%，進水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年進水SS月分布規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，其他各月進水SS平均值均大于中間值，進水SS中間值分布在140.00～185.00 mg/L，隨季節變化明顯，其中6月、7月、9月進水SS中間值最小，10月最大。根據圖3(b)，進水SS呈正偏態分布，主要分布在140.00～200.00 mg/L，該區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年進水氨氮月分布規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，其他各月進水氨氮的平均值均小于中間值，進水氨氮中間值分布在48.30～74.55 mg/L，隨季節變化明顯。其中，10月進水氨氮中間值最大，3月最小。由圖4(b)可見，進水氨氮呈負偏態分布，主要分布在55.00～85.00 mg/L，該區間的累積分布概率為75.2%，氨氮為83.20 mg/L時累積分布概率達到95.0%。

2.5 TN特征分析

2015年進水TN月分布規律及其全年概率分布情況如圖5所示。

圖4 氨氮月分布規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，其他各月進水TN的平均值均小于中間值，進水TN中間值分布在80.90～99.10 mg/L，隨季節變化明顯，其中6月進水TN中間值最大，3月最小。由圖5(b)可見，進水TN呈負偏態分布，主要分布在80.00～105.00 mg/L，該區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到95.0%。

2.6 TP特征分析

2015年進水TP月分布規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，其他各月進水TP的平均值均大于或等于中間值，進水TP的月中間值分布在7.40～11.60 mg/L，隨季節變化明顯，其中6月進水TP中間值最大，3月最小。由圖6(b)可見，進水TP呈正偏態分布，主要分布在10.00～15.00 mg/L，該區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到95.0%。

2.7 水質指標間的相關性分析

污水處理廠進水組分復雜多樣，分析各種組分間的相關性將有助于提高污水處理廠的穩定運行效果[8]。本研究對包頭市污水處理廠2015年全年進水各項水質指標進行Pearson相關性分析，以確定不同水質指標之間的相關性，結果如表3所示。

由表3可見，COD和BOD5、SS和COD、SS和BOD5、氨氮和TN的相關系數大于0.6，表明兩者間存在強相關性。COD和氨氮、COD和TN的相關系數在0.4～0.6，表明兩者間存在中等程度的相關性。而SS和TP、SS和TN相關系數小于0.2，且未通過顯著性檢驗，表明兩者沒有相關性。除此之外的其他組合相關系數均在0.2～0.4，表明兩者之間僅存在弱相關性。經過Pearson相關性分析，為確定存在強相關性的各水質指標間的一元線性關系，用最小二乘法對4組水質指標進行回歸計算，各水質指標間的回歸方程及相關系數如下：

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

水質指標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)*表示相關關系通過顯著性檢驗。

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分別為進水COD、BOD5、SS、氨氮、TN的質量濃度，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系。

3 水質指標比例關系特征分析

3.1 BOD5/COD(質量比)特征分析

BOD5/COD是污水可生化降解性能的重要指標，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水BOD5/COD概率分布如圖7所示。

由圖7可見，進水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(質量比)特征分析

反硝化是城市污水處理過程中主要反應之一，反硝化過程中碳源對于反應速率的影響巨大，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內除磷菌所需發酵基質與含磷量的比值，比值越大生物系統的除磷效率越高。本研究以BOD5/TP作為衡量生物除磷可行性的指標，當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的累積分布概率達到93.0%，可見包頭市污水處理廠進水水質完全滿足生物除磷的需求。

4 結 論

(1) 包頭市污水處理廠進水COD呈正態分布，進水BOD5、SS、氨氮、TN和TP均服從偏態分布，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，各項水質指標隨季節變化明顯。

(2) 進水各項水質指標間除SS和TP、SS和TN無相關性外，其余各水質指標間具有不同程度的相關性，其中COD和BOD5、SS和COD、SS和BOD5、氨氮和TN具有強相關性，4組水質指標間存在較明顯的一元線性關系。

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

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StatisticalanalysisofqualitycharacteristicsofmunicipalwastewaterinBaotouCity

ZHUXincheng1，XIAOZuoyi1，XIAOMinghui1,2，DUANLianjun2，KANGWenqing2，GUZhaoquan2，FANRonghua2，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，研究方向為城市污水處理技術。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.021

2016-11-15)