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摘要：本文結(jié)合污水處理廠的運(yùn)行管理數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論中的方差分析法，進(jìn)行單元素和雙元素影響效果的分析，把握控制因素MLSS濃度和MLDO濃度對觀測因素處理水COD濃度的影響程度。分析不同污水處理廠各自的運(yùn)行特征，找出影響處理效果的關(guān)鍵因素，為選擇最佳運(yùn)行條件提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：方差分析 污水處理 觀測因素 控制因素 最佳運(yùn)行效果
一、引言
以改善居住環(huán)境、排除內(nèi)澇和保護(hù)公共水體的水質(zhì)為目標(biāo)的城市排水系統(tǒng)，是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施之一，近年伴隨著海綿城市建設(shè)和城市水環(huán)境整治工作的不斷深入，對污水處理廠處理效果的管理得到了更多的關(guān)注。以生物處理系統(tǒng)為主體的城市污水廠的處理水水質(zhì)受天氣，季節(jié)，原水水質(zhì)以及曝氣量等多種因素的影響。本論文對國內(nèi)采用生物處理系統(tǒng)的Q污水處理廠的運(yùn)行管理數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論中的方差分析法對最佳運(yùn)行條件進(jìn)行分析研究，為改善生物處理系統(tǒng)的處理水水質(zhì)提供依據(jù)。以下，將就該污水處理廠的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，并利用方差分析法就生物處理系統(tǒng)中的控制因素(MLSS濃度和MLDO濃度)對處理結(jié)果即觀測因素處理水COD濃度所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。最后，與日本橫濱市T污水處理廠的運(yùn)行情況進(jìn)行比較，指出互相之間的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并提出運(yùn)行管理中的改善對策。
二、污水廠生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況
本次用于分析的Q污水處理廠建設(shè)于二十世紀(jì)80年代初，處理規(guī)模不大，設(shè)計(jì)日處理能力為5萬m3/日，設(shè)計(jì)流入污水BOD為200mg/L，流入污水SS為240mg/L，一沉池和二沉池為直徑25米的圓形放射流式沉淀池，是采用階段式曝氣的活性污泥生物處理系統(tǒng)。在污水廠的運(yùn)行管理中，每天對反映運(yùn)行情況的15個(gè)指標(biāo)進(jìn)行記錄，作為月報(bào)進(jìn)行歸納整理。這些指標(biāo)分別為：1)處理水量(m3/日)，2)流入污水BOD(mg/L),3)曝氣池入口BOD(mg/L)，4)處理水BOD(mg/L)，5)流入污水COD(mg/L)，6)曝氣池入口COD(mg/L)，7)處理水COD(mg/L)，8)曝氣池入口SS(mg/L)，9)曝氣池入口SVI(mg/L)，10)曝氣池出口SVI(mg/L)，11)曝氣池出口PH值，12)曝氣池入口MLSS(mg/L)，13)曝氣池出口MLSS(mg/L),14) 曝氣池入口MLDO(mg/L),15) 曝氣池出口MLDO(mg/L)。
這里，利用該污水處理廠某一年的運(yùn)行管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對每個(gè)數(shù)據(jù)制作出日變化曲線圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)基本都是不規(guī)則的變化，不存在隨季節(jié)變化的因素。上述15個(gè)指標(biāo)中的1)處理水量(m3/日)，5)流入污水COD(mg/L)和12)曝氣池入口MLSS(mg/L)的日變化曲線如圖-1至圖-3所示。
同時(shí)，對處理水量采用統(tǒng)計(jì)分析理論中基本統(tǒng)計(jì)量的平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計(jì)算，求出這一年中各月的基本統(tǒng)計(jì)量。從表示各月平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差的圖-4中得到，處理水量的月平均值有很大的變化，且看不出有明顯的季節(jié)變動(dòng)。但從標(biāo)準(zhǔn)偏差值可以察知，在7月至9月的汛期中的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對較大，處理水量還是受到了降雨的影響。另外，相對于設(shè)計(jì)處理能力，實(shí)際的處理水量為2.04萬m3/日，根據(jù)調(diào)查得知該污水廠有二列污水處理設(shè)施，其中一列正處于大修期間，所以造成了水量偏少的現(xiàn)象。
三.方差分析法對生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行分析
3.1 觀測變量和控制變量的選擇
如何選擇分析的特性值即觀測因素與分析的目的相關(guān)聯(lián)，依靠分析者的判斷來決定。影響觀測變量的原因在本次分析中稱為因素。因素一般有控制因素，標(biāo)示因素，輔助因素，模糊因素和誤差因素共五類，因素的各種狀態(tài)稱為水平，水平又可以分為定性的和定量的。因素的效果以及所產(chǎn)生的影響可以從特性值的變化中進(jìn)行推測。
采用活性污泥法的污水處理廠，是通過生物進(jìn)行污染物分解的生物處理系統(tǒng)。為了確保生物的正?；顒?dòng)，必須正常地控制BOD-SS負(fù)荷和溶解氧濃度。在污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行管理中，BOD-SS負(fù)荷的調(diào)節(jié)是依靠MLSS濃度來實(shí)施的。根據(jù)流入有機(jī)物的濃度變化，經(jīng)常調(diào)節(jié)回流的活性污泥量，以提供給微生物最適量的營養(yǎng)物質(zhì)。同時(shí)，溶解氧以MLDO濃度來進(jìn)行表示，通過鼓風(fēng)設(shè)施的供氧量來進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了解該污水處理廠的運(yùn)行管理狀態(tài)，本次分析中的觀測變量即觀測因素選擇表示污水廠處理結(jié)果的處理水COD濃度，而控制變量即控制因素選擇反應(yīng)活性污泥回流量的MLSS濃度和鼓風(fēng)機(jī)送養(yǎng)量的MLDO濃度。
分析時(shí)使用該污水處理廠如表-1所示7月～9月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，首先應(yīng)用單因素方差分析法就曝氣池入口MLSS濃度對處理水COD濃度的影響進(jìn)行分析。然后應(yīng)用雙因素方差分析法就曝氣池入口MLSS濃度和MLDO濃度對處理水COD濃度的影響進(jìn)行解析。
表-1 Q污水處理廠7月～9月運(yùn)行數(shù)據(jù)
3.2 單因素方差分析法的分析
污水處理廠的處理水COD是表示處理效果的數(shù)值，這個(gè)值受流入污水COD的變動(dòng)、季節(jié)的變化以及控制系統(tǒng)的操作等多個(gè)因素的影響。這里，以處理水COD濃度數(shù)據(jù)的平均值為中心，從低濃度到高濃度分成5個(gè)水平，分別如下。水平1：6<COD≤9mg/L, 水平2：9<COD≤12mg/L, 水平3：12<COD≤15mg/L, 水平4：15<COD≤18mg/L, 水平5：18<COD≤21mg/L，并把與之相對應(yīng)的MLSS濃度進(jìn)行整理。應(yīng)用上述數(shù)據(jù)，根據(jù)單因素方差分析的數(shù)學(xué)手法，分別計(jì)算因素A的平方和SA，偏差的平方和SE，自由度以及F比等數(shù)值。具體的計(jì)算公式為：
(1)控制因素總偏差平方和(總變差)ST的計(jì)算：
其中，Xij：第i水平的第j個(gè)數(shù)值
X：全部數(shù)值的平均值
(2)控制因素水平間的偏差平方和SA的計(jì)算：
其中，Xi：第i水平數(shù)值的平均值
X：全部數(shù)值的平均值
(3)控制因素水平間的偏差平方和SE的計(jì)算：
SE=ST-SA
(4)自由度的計(jì)算：
控制因素總偏差的自由度：ΦT=N-1
因素間變動(dòng)的自由度：ΦA=k（水平數(shù)）-1
偏差間變動(dòng)的自由度：ΦE=ΦT-ΦA
其中，n：三個(gè)月數(shù)據(jù)的總數(shù)
(5)各個(gè)水平間的母平均差的檢驗(yàn)
其中，X1，X2為二個(gè)水平的平均值，n1，n2是該平均內(nèi)控制變量出現(xiàn)的重復(fù)次數(shù)。VE為偏差的分散值。
根據(jù)上述公式實(shí)施計(jì)算，得到單因素試驗(yàn)方差分析表，如表-2所示。根據(jù)單元素方差分析法進(jìn)行F檢驗(yàn)。從方差分析法F表中可以查得，當(dāng)危險(xiǎn)率α為1%時(shí)，F(xiàn)(4，87;0.01)=3.51，而從表-2中得到分散比Fo=4.431>F(ΦA(chǔ)，ΦE;α)。根據(jù)方差分析法的原理，當(dāng)Fo>F時(shí)可得知觀測因素處理水COD濃度，在控制因素MLSS濃度的不同水平之間存在著一定的差異。
為了更進(jìn)一步了解各水平的數(shù)據(jù)母集團(tuán)和整體數(shù)據(jù)母集團(tuán)中有無存在偏差，即為了檢驗(yàn)?zāi)骋凰降臄?shù)據(jù)是否同屬全體母集團(tuán)，對5個(gè)水平的數(shù)據(jù)采用如上(5)的計(jì)算公式進(jìn)行鑒定計(jì)算，得到to值如表-3所示。根據(jù)這個(gè)計(jì)算結(jié)果，來判斷不同水平的數(shù)據(jù)母集團(tuán)是否屬于全體數(shù)據(jù)的母集團(tuán)中。確定有意水平為1%，自由度ΦE=87時(shí)，查單元素方差分析法的t表得到t(87，0.01)=2.641，如果某一水平的to≥t(ΦE;α)的情況下，表示該水平不屬于整體母集團(tuán)之中。從表-3可以發(fā)現(xiàn)，水平1中MLSS濃度的to值為2.988大于2.641，該水平中的數(shù)據(jù)在有意水平為1%時(shí)屬于整體母數(shù)據(jù)的假定被推翻，水平1的MLSS濃度不屬于平均的控制變量數(shù)據(jù)，可以推測對觀測變量有著顯著的影響。經(jīng)過對Q處理廠運(yùn)行情況的分析，該污水處理廠的回流污泥采用螺旋泵提升后送入曝氣池入口，其流量基本不能進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，當(dāng)流入污水COD濃度較低時(shí)也有相同量的回流活性污泥送入曝氣池，結(jié)果得到了良好的出水水質(zhì)。由此可以得到，可以通過改善回流污泥設(shè)備，管理好曝氣池入口MLSS濃度的變化，來達(dá)到降低處理水COD濃度，保持較好的處理水水質(zhì)。
表-2 單因素試驗(yàn)方差分析表
方差來源 | 平方和S | 自由度Φ | 分散V | 分散比Fo |
水平間A | 8.344×10 6 | 4 | 8.344×10 6 | 4.431 |
偏差 E | 40.962×10 6 | 87 | 0.471×10 6 | |
合計(jì) | 49.306×10 6 | 91 | ||
表-3 各個(gè)水平的to結(jié)果計(jì)算表
水平 | 水平1 | 水平2 | 水平3 | 水平4 | 水平5 |
to值 | 2.988 | 1.795 | 0.795 | 1.586 | 0.644 |
3.3 雙因素方差分析法的分析
雙因素方差分析法，在研究有二個(gè)控制因素A和B的不同水平的組合(Ai,Bj)對觀測因素的影響效果時(shí)使用。一般地說，觀測因素Xij在分別接受二個(gè)不同因素單獨(dú)影響的同時(shí)，還會(huì)受A和B兩個(gè)因素組合后交互作用的影響。在本次的分析中，采用不考慮交互作用影響的雙因素方差分析法。也就是說，觀測因素Xij的數(shù)據(jù)為如下的結(jié)構(gòu)。
Xij = μ+ai+bj+ eij
其中，μ為一般平均值，ai為A因素的效果，bj為B因素的效果
eij為偏差
有關(guān)分析的順序，與單因素方差分析法基本相同，在分散分析的結(jié)果中由于有二個(gè)因素產(chǎn)生的效果，不同水平間變動(dòng)SA,SB，自由度ΦA(chǔ),ΦB以及分散VA,VB在方差分析表中歸納好即可。接下來就MLSS濃度和MLDO濃度分別對處理水COD濃度的影響效果進(jìn)行比較。
首先，為了確定各要素的水平，利用Q污水廠7月～9月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到MLSS濃度的頻度分布如圖-5所示。從該圖中得知，MLSS濃度的水平有5個(gè)，水平的范圍是以平均值X為中心的0.5σ(標(biāo)準(zhǔn)偏差值)的范圍。同時(shí)，MLDO濃度的水平數(shù)和水平范圍也用同樣的方法確定。接下來，對MLSS的水平(A1,A2,A3,A4,A5)和MLDO的水平(B1,B2,B3,B4,B5)的組合進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。在這里，由于對應(yīng)不同的Ai，Bj的處理水COD濃度的數(shù)值是不同的，在這里取數(shù)據(jù)的平均值，所得到的不同水平處理水COD濃度整理結(jié)果如表-4所示。利用表-4數(shù)據(jù)進(jìn)行分散分析后得到表-5的結(jié)果。
表-4 不同水平的處理水COD濃度整理表 (單位：mg/L)
MLDO濃度 MLSS濃度 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | 合計(jì) | |
＜1.60 | 1.60～2.19 | 2.20～2.79 | 2.80～3.39 | ＞3.40 | |||
A1 | ＜1480 | 12.32 | 15.37 | 12.05 | 13.76 | 15.18 | 68.68 |
A2 | 1480～1839 | 14.83 | 13.15 | 14.55 | 15.15 | 13.57 | 71.25 |
A3 | 1840～2199 | 14.93 | 13.35 | 14.80 | 15.55 | 14.65 | 73.28 |
A4 | 2200～2559 | 14.20 | 13.05 | 14.05 | 10.45 | 12.55 | 64.30 |
A5 | ＞2560 | 12.25 | 12.93 | 10.30 | 8.6 | 9.20 | 53.28 |
合 計(jì) | 68.53 | 67.85 | 65.75 | 63.51 | 65.15 | 330.79 | |
表-5 雙因素試驗(yàn)方差分析表
控制要素 | 平方和S | 自由度Φ | 分散V | 分散比Fo |
MLSS濃度變動(dòng) | 50.461 | 4 | 12.615 | 5.887 |
MLDO濃度變動(dòng) | 3.337 | 4 | 0.834 | 0.389 |
偏差變動(dòng) | 34.289 | 16 | 2.143 | - |
全變動(dòng) | 88.087 | 24 | ||
這里，把控制因素A的Fo值與F(ΦA(chǔ)，ΦE;α)比較，控制因素B的Fo值與F(ΦB，ΦE;α)比較，確定有意水平為1%的時(shí)候，查雙元方差分析法的F表得到F(ΦA(chǔ)，ΦE;α)= F(ΦB，ΦE;α)=F(4，16;0.01)=4.77。從表-5中得知，F(xiàn)oMLSS=5.887 >F(ΦA(chǔ)，ΦE;α)，表示有意水平為1%時(shí)與COD濃度有密切關(guān)聯(lián)。而有關(guān)FoMLDO=0.389 <F(ΦB，ΦE;α)，表示有意水平為1%時(shí)與COD濃度沒有密切關(guān)聯(lián)。即是，對于處理水COD濃度的變動(dòng)，MLSS濃度的影響遠(yuǎn)大于MLDO濃度的效果。
由此可得在Q污水處理廠，控制因素A的MLSS濃度對于觀測因素處理水COD濃度的變化具有重要的影響，MLSS濃度是左右污水處理廠處理效率的主要因素。從前述的表-4可以得到，出現(xiàn)處理水COD濃度平均值小于10mg/L的水質(zhì)時(shí)，為A5水平和B4，B5水平進(jìn)行組合時(shí)發(fā)生。也就是，MLSS濃度和MLDO濃度都處于高位時(shí)，Q污水處理廠處于較好的出水水質(zhì)。通常，當(dāng)溶解氧的濃度在0.5mg/L時(shí)活性污泥的處理效果處于正常，但在現(xiàn)實(shí)中更喜歡較高的溶解氧濃度(2～3mg/L)。針對Q污水處理廠這3個(gè)月的數(shù)據(jù)得到，MLDO濃度的平均值為2.5mg/L,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=1.43，雖然有些時(shí)日的MLDO濃度偏低，從整體來看溶解氧的濃度得到一定的保證。但對于MLSS濃度，一般階段式曝氣方式的情況下要求在2000～4000mg/L。而Q污水處理廠的情況是曝氣池入口處MLSS濃度的平均值為2022mg/L，最低的時(shí)候只有712mg/L，回流活性污泥量顯得十分不足。實(shí)際上Q污水廠的活性污泥回流設(shè)施的運(yùn)行情況很不理想，回流量得不到有效的保障。由此可得，雙因素方差分析法的分析結(jié)果很好地證實(shí)了Q污水處理廠的運(yùn)行管理情況。
四.與日本橫濱市T污水處理廠的比較分析
4.1 橫濱市T污水處理廠的現(xiàn)狀
橫濱市的排水設(shè)施大規(guī)模建設(shè)始于1957年，伴隨著大批污水處理廠的建設(shè)，城市污水處理率大幅提升。目前市內(nèi)有12座污水處理廠和2個(gè)污泥處理中心，污水處理率接近100%。其中，用于本次比較分析的T處理廠(B列)自1986年開始運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理能力為4.9萬m3/日。該污水處理廠處于合流制排水系統(tǒng)，是以處理生活污水為主的污水廠，采用全面曝氣的活性污泥法生物處理系統(tǒng)。為了有效地利用土地資源，該污水廠把主要的處理設(shè)施都建設(shè)在地下，上部作為公園和網(wǎng)球場等公共福利設(shè)施和體育設(shè)施向市民開放利用。
4.2 Q污水廠和T污水處理廠運(yùn)行情況的比較
國內(nèi)的Q污水處理廠和橫濱市T污水處理廠都是活性污泥法的生物高級處理系統(tǒng)，處理流程也基本相似。這里，對T污水處理廠近年的污水處理情況進(jìn)行分析，并和Q污水處理廠的運(yùn)行情況比較見表-6所示。從中可知相對于Q污水廠的年度COD平均去除率76.4%，T污水廠年度COD平均去除率為89.1%，處理效果相對好一些。
表-6 Q和T污水處理廠年度處理情況匯總表
項(xiàng) 目 | 橫濱市T污水廠 | 國內(nèi)Q污水廠 |
設(shè)計(jì)處理量（m3/日） | 49000(B列) | 25000（單列） |
平均處理量（m3/日） | 41321 | 20377 |
設(shè)施利用率（%） | 84.3 | 81.5 |
平均流入COD（mg/L） | 90.3 | 56.3 |
平均處理COD（mg/L） | 9.8 | 13.3 |
COD去除率（%） | 89.1 | 76.4 |
月平均處理水CODmax（mg/L） | 14.6 | 15.8 |
月平均處理水CODmin（mg/L） | 6.0 | 11.3 |
曝氣池PH值 | 6.6 | 7.2 |
同時(shí)，采用該年度T污水處理廠7月～9月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，用單元素方差分析法分析后與Q污水廠進(jìn)行比較的結(jié)果如圖-6所示。從中可以看出T污水廠控制因素MLSS濃度的效果與Q污水廠完全相反，當(dāng)MLSS濃度較小的時(shí)候，其處理效果反而更好。也就是說在T污水廠適當(dāng)減少回流污泥量可以取得更好的處理效果。采用雙元素方差分析法對橫濱市T污水廠的MLSS濃度和MLDO濃度對處理水COD濃度的作用情況進(jìn)行分析，其變動(dòng)的分散比分別為：FoMLSS=1.181，F(xiàn)oMLDO=8.528，與有意水平為1%時(shí)的F(4，16;0.01)=4.77相比，F(xiàn)oMLDO>F(4，16;0.01)，即MLDO濃度與處理水COD有很大的關(guān)聯(lián)。所以，對T污水處理廠來說，影響處理水COD濃度變動(dòng)的控制因素與Q污水廠正好相反，MLDO濃度的影響遠(yuǎn)大于MLSS濃度的效果。
五.分析的總結(jié)
本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論中的方差分析法對Q污水處理廠的運(yùn)行管理數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，同時(shí)和橫濱市T污水處理廠的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，找到了運(yùn)行管理中的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：(1)采用單元方差分析法對觀測因素的處理水COD濃度按照高低不同的水平進(jìn)行分析時(shí)，在Q污水廠當(dāng)控制因素MLSS濃度和MLDO濃度處于高位時(shí)，可以得到好的處理水質(zhì)。而橫濱市T污水處理廠則當(dāng)MLDO濃度處于高位，MLSS濃度處于低位時(shí)，可以得到好的處理水質(zhì)。(2)采用雙元方差分析法對觀測因素的處理水COD濃度受控制因素MLSS和MLDO濃度的影響程度進(jìn)行分析時(shí)，得到國內(nèi)Q污水廠中的MLSS濃度的影響力遠(yuǎn)高于MLDO濃度，是影響污水處理效果的主要因素。而橫濱市T污水廠的MLDO濃度是影響污水處理效果的主要因素。
通過對污水處理廠的運(yùn)行管理數(shù)據(jù)采用方差分析法進(jìn)行研究，可以把握該污水處理廠的運(yùn)行特征，找出影響污水處理廠處理效果的關(guān)鍵因素，為選擇最佳的運(yùn)行條件提供可靠的依據(jù)。在不斷追求污水處理廠運(yùn)行達(dá)標(biāo)率的大環(huán)境下，這樣的分析結(jié)果必將得到實(shí)際的應(yīng)用。
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作者簡介：孫躍平，男，管麗環(huán)境技術(shù)(上海)有限公司董事長，日本東京都立大學(xué)工學(xué)碩士，在日本工程設(shè)計(jì)院以及日本ICP非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)從事了10多年的設(shè)計(jì)和科研工作，日本國家注冊專家級工程師(Japanese Professional Engineer),亞太地區(qū)工程師(APEC Engineer),曾在日本《土木技術(shù)》，日本《月刊下水道》以及《中國給水排水》等雜志上發(fā)表了二十多篇論文，參與了建設(shè)部《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》等多部行業(yè)規(guī)范的編制。
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