污水生物脱氮除磷中关键水质参数相关性分析？
随着经济的发展、对水需求的增加，水资源短缺的矛盾越来越大，污水处理成为水污染控制的一项重要任务。根据城乡建设部的统计，截至2014年3月底，全国合计建成的污水处理厂达到3620多座，污水处理能力约1.53×109m3/d[1]。
然而，相关规划设计对污水水质的近远期变化却考虑较少。城镇污水水质变化特性的确定是污水处理工艺方案选择的重要前提，如果工艺方案选择和设计上忽略了近远期的水质构成及变化特点，易造成后期工艺运行调整难、运行能耗高，影响出水稳定达标等问题，特别是对于新建或进行提标改造的污水处理厂。
本研究以辽宁省某城市污水处理厂为例，剖析进水水质与出水水质指标的关联性，为污水处理厂提标改造提供借鉴。
1污水处理厂概况
辽宁省某城市污水处理厂按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)设计，采用A/O-A2/O可变化工艺运行，出水指标满足二级标准要求。随出水指标要求的提高，必须进行相应的一系列工艺改造;针对原处理工艺的特点，采用增设沉砂池、延长水力停留时间、减小容积负荷及与PCN微生物相结合的A/O-NICH工艺，有效地提升了出水指标，实现了达标排放。
A/O-NICH工艺是集硝化和反硝化于一个反应器中，将含氮有机物、氨氮等转化为氮气。在时间和空间上区别于大部分污水处理厂原有的A/O工艺，主要有以下优点：
硝化和反硝化同时进行;不需设计污泥回流，工艺流程简化，操作管理方便，并且使用一个反应器，减少占地面积和投资;硝化和反硝化过程中产生的酸碱中和，使pH相对稳定，但PCN的加入需要不小的投入。
对于现有的污水处理厂由原来的二级出水标准提升至一级出水标准，进出水中的COD或BOD、氨氮、TN、TP是关注的重点，因此充分认识这些参数间的相互作用、相互影响，对工艺运行参数的调整有着重要的指导意义。
2污水处理厂进水水质参数与出水TN、TP相关性分析
选取该污水处理厂提标改造后2014年5-12月的进水水质参数与进出水TN、TP数据，通过SPSS组合式软件包进行相关性分析。分析相关性可以更深刻地了解进水水质参数与出水TN和TP去除效果的影响，为下步的工艺改进提供可能的理论支撑。
根据国内外文献，进水BOD5无疑对微生物作用产生影响，进而影响硝化和反硝化反应以及磷的吸收和释放，MLSS系污泥活性的体现，一定程度上反应污水可生化性(严格说应是MLVSS)，其对磷的去除有重要影响。在对实测数据进行分析后，选取4组水质参数进行相关性分析，具体见图1至图4。
通过采集8个月的运行数据(气温回升至气温下降到较低点)，对数据进行挖掘整理，运用SPSS软件包对其相关性进行分析，分析结果如表1所示。
2.1进水BOD5/TN与出水TN的相关性分析
近年来，提标升级GB18918-2002一级A标准的绝大部分污水处理厂遭遇的最大问题普遍都是TN难稳定达标[3]。工程实例中TN不达标的主要原因不是硝化过程而是反硝化过程，反硝化能力不足与进水碳源含量少有关。我国约70%城镇污水BOD5/TN低于4，约56%
的BOD5/TN高于3。大部分学者认为，在常见的除磷脱氮工艺及适宜的控制条件下，通常考虑BOD5/TN最好>5才能达到好的处理效果，至少也要>4才能实现TN的去除率。
在生物脱氮过程中有3个过程需要碳源，硝酸盐作为最终电子受体转化为氮气，消耗2.86gBOD5;微生物增殖和好氧段的有氧呼吸消耗一定量的碳源，BOD5/TN须高于2.86才能实现硝酸盐完全反硝化。
因此，TN稳定达标的关键水质参数首先考虑进水BOD5/TN对出水TN的影响。理论上由于生物脱氮的反硝化反应中的电子供体大部分来自于原污水中含碳有机物，该比值越大，碳源含量越高，反硝化进行的越彻底，BOD5/TKN≥2.86时反硝化可进行。
根据该污水处理厂进水BOD5/TN与出水TN的相关性分析可知，进水BOD5/TN与出水TN的Pearson相关性为-0.532，在0.01水平(双侧)上显著相关，进水BOD5/TN与出水TN呈中度负相关，这恰好证明了进水BOD5/TN是作为影响TN稳定达标的关键水质参数。通过该污水处理厂8个月进水指标的均值来看，进水BOD5/TN大约为4.99，表明该污水能达到设想的脱氮效果。
2.2进水BOD5/TP与出水TP的相关性分析
污水的BOD是聚磷菌发挥生物作用的关键因素，通常认为BOD5/TP是评价生物除磷的关键指标。若进水BOD5/TP较低，影响聚磷菌在好氧池的吸磷作用，其原因是聚磷菌在厌氧生物池释磷时释放出来的能量不能很好地被用来存储和吸收可溶解性的有机物，从而造成出水磷浓度升高;工程实践中有较好的磷去除率时须BOD5/TP>20，且比值越大，除磷效果越好。
根据表1，该污水处理厂进水BOD5/TP与出水TP的Pearson相关性为-0.484，在0.01水平(双侧)上显著相关，进水BOD5/TP与出水TP低度负相关，证明该污水处理厂的进水BOD5/TP与出水TP有影响;且该比值越大，TP去除效果越好。根据污水处理厂8个月的实测数据，进水BOD5/TP平均值为54.53，较好地满足生物除磷要求。
2.3进水SS/BOD5与出水TN的相关性分析
我国约有59%的城镇污水处理厂中SS/BOD5>1.2，有43%的城镇污水SS/BOD5甚至超过了1.5，比正常值偏高;SS/BOD5受管网体制的影响较大，完全分流制主导的城市污水SS/BOD5为0.7～1.0，合流制主导的城市污水为1.2～2.0。
SS/BOD5升高主要与SS中无机组分比例升高有关，进水SS中无机组分含量由分流制的30%～40%上升到混流、合流制的55%～70%。
与发达国家相比，我国绝大部分城市都处于不断建设和不断变动的大发展、大开发阶段，加上城市雨污水收集、输送与处理处置设施建设的明显不足和滞后，城市污水(尤其是合流制和混流制系统)中普遍存在无机悬浮固体和泥沙含量偏高的问题，导致SS/BOD5偏高。
该城市的SS/BOD5偏高主要是因为该城市排水管道是雨污合流制，尽管在后期的市政管网建设中，部分管网实行雨水分流，但其进入污水处理厂的SS/BOD5仍然偏高。相关研究表明，进水SS/BOD5偏高所导致的活性污泥产率偏大和污泥活性偏低，被认为是TN难稳定达标的主要原因之一。
进水SS/BOD5增大，会导致反硝化速率下降，碳源不能在缺氧段充分利用，碳源利用率下降，碳源在好氧段的需求量反而增加，致使反硝化能力不足，TN去除效果变差。
进水SS/BOD5偏高是我国整体完成TN提标的困境之一。目前，该污水处理厂也存在SS/BOD5偏高的问题，根据污水处理厂水厂2014年5-12月的数据显示，目前该污水处理厂的SS/BOD5均值为2.13，超过城镇污水处理厂均值。
但根据进水SS/BOD5与出水TN的相关性分析发现，该污水处理厂进水SS/BOD5与出水TN的Pearson相关性为0.046，基本不相关，说明该污水处理厂进水SS/BOD5与出水TN影响不大，与其他学者研究观点不同。
2.4进水BOD5/COD与出水TP相关性分析
评价污水可生化效果中最常用的BOD5/COD，也是经典的水质指标评价法。污水所含的有机物中，有一部分易被微生物利用和分解，另一部分很难被微生物降解、甚至对微生物的生长造成抑制作用，它们被生物降解特性和相对浓度的关系决定了废水采用生物法进行处理的难易程度和可行性。
目前通常认为，难生物降解废水的BOD5/COD<0.25或更低;可生物降解的废水的bod5 cod=0.25，且比值越高，说明废水处理使用好氧生物处理方法所能达到的处理效果越好;并且，BOD5/COD也可作为生物除磷效果评判方法之一。
该污水处理厂的BOD5/COD均值为0.54，>0.25，可生化性好，适宜用生物法进行处理。该污水处理厂的实测数据显示，进水BOD5/COD与出水TP的Pearson相关性为-0.152，BOD5/COD与出水TP相关程度弱。
3结论
相关性分析可以更多地了解进水水质参数对出水TN和TP去除效果的影响程度，从而在工艺运行及参数优化中更好地发挥指导作用，有效提升处理效果。
应用SPSS软件包对该污水处理厂进出水水质进行相关性分析发现，进水BOD5/TN与出水TN呈中度负相关;进水BOD5/TP与出水TP低度负相关;进水SS/BOD5与出水TN基本不相关;进水BOD5/COD与出水TP相关程度弱。
这对现有污水处理厂的提标改造具有一定的借鉴作用。在现有条件下，通过恰当地调整工艺及运行参数，实现GB18918-2002一级A标准的达标排放是可行的，而不必添加外加碳或特种微生物。
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