純水設(shè)備:污水高排放標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的分析與評價(jià)
【無錫純水設(shè)備http://www.ylbest.net.cn】近年來,污水處理穩(wěn)定達(dá)到高排放標(biāo)準(zhǔn)已逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了與水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)密切相關(guān)的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律。根據(jù)數(shù)據(jù)分布,可靠性理論可以定量分析污水處理的穩(wěn)定性。穩(wěn)定符合率的不同評價(jià)期對投資運(yùn)營成本有重要影響。
隨著我國污水處理行業(yè)的深入發(fā)展,污水處理的“高排放標(biāo)準(zhǔn)”和“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”已成為行業(yè)發(fā)展中的熱點(diǎn)問題,尤其是“如何評價(jià)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”已成為實(shí)際污水處理設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重點(diǎn)??梢姡案吲欧艠?biāo)準(zhǔn)”與“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)”之間有著密切的關(guān)系無錫純水設(shè)備。排放標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格,穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的難度越大,反之亦然。圍繞這一問題的實(shí)踐影響著生活污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、投資和運(yùn)行成本。無錫水處理設(shè)備
污水處理廠出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分布規(guī)律
自活性污泥法誕生以來,現(xiàn)代污水處理工藝的發(fā)展經(jīng)歷了一百年。目前,現(xiàn)代污水處理技術(shù)基本上是基于各種類型的活性污泥工藝(如AAO、SBR、氧化溝、IFAS、MBR等)?;钚晕勰喾ǖ姆€(wěn)定性與污水生物處理工藝的穩(wěn)定性,傳統(tǒng)的污水處理廠的設(shè)計(jì)是基于穩(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì),但是眾所周知污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行是很少完全穩(wěn)定狀態(tài),動態(tài)的,時(shí)間,水負(fù)載波動,外部環(huán)境的變化(如降雨和溫度)、操作控制參數(shù)的變化,由于設(shè)備維修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)變化中,并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對其動態(tài)變化進(jìn)行分析。
可見,出水過量與出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律密切相關(guān)。如果知道出水水質(zhì)數(shù)據(jù)的分布函數(shù),就可以計(jì)算出水水質(zhì)超標(biāo)的概率,預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)污水處理廠出水水質(zhì)。大量的研究結(jié)果表明,污水處理廠出水水質(zhì)基本遵循對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律,這一點(diǎn)在歐美許多污水處理廠得到了證實(shí)。為了進(jìn)一步確認(rèn)結(jié)論的適用性國內(nèi)污水處理廠,該研究為國內(nèi)大約200000 a / d后氧化溝污水處理廠廢水COD、氨氮、一年數(shù)據(jù)分布規(guī)律,總氮和總磷在正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布、伽瑪分布檢驗(yàn),檢驗(yàn)方法使用柯爾莫哥洛夫斯米爾諾夫檢驗(yàn)(即。統(tǒng)計(jì)分析軟件采用Statgraphics 18,
另外從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度來看,如果一個變量可以看成是許多很小獨(dú)立因子的乘積,則這個變量可以看作是對數(shù)正態(tài)分布無錫純水設(shè)備?,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(shí)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(shí)間占考核時(shí)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(shí)間內(nèi)都達(dá)標(biāo),如果考核的時(shí)間是1年,那么將會有3~4 d(3.65 d)的時(shí)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(jià),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(diǎn),污水處理廠的設(shè)計(jì)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(jì)取值的依據(jù)??煽啃韵禂?shù)定義為:COR=設(shè)計(jì)濃度/排放標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)的出水平均值進(jìn)而可以表達(dá)為式(1):
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(shí),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(shí),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(shí)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,無錫純水設(shè)備則需要設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yùn)行操作工況下的出水超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)(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(jì)算方法,見式(3):
例如,當(dāng)出水標(biāo)準(zhǔn)總氮為15 mg/L、CV=0.33、出水總氮實(shí)際均值為12 mg/L,則計(jì)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(yùn)行條件下,出水TN達(dá)到15 mg/L的可靠度是80%,即在考核時(shí)間的80%內(nèi)可以達(dá)標(biāo)。
03 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的評價(jià)
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(jì)、運(yùn)行控制等因素有密切關(guān)系,采用什么樣的方法來評價(jià)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)關(guān)系到污水處理廠的整體投資與運(yùn)行費(fèi)用。
對于污水處理技術(shù)的穩(wěn)定性評價(jià),美國WERF提出了技術(shù)性能統(tǒng)計(jì)(TPS,Technology Performance Statistic)的概念,技術(shù)性能統(tǒng)計(jì)是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來描述技術(shù)的性能。技術(shù)性能統(tǒng)計(jì)分為三個層次,無錫純水設(shè)備包括理想技術(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(jì)為污水廠的管理者、設(shè)計(jì)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(jì)代表可觀察的最低濃度,只能維持很短的一段時(shí)間。WERF的研究報(bào)告認(rèn)為理想技術(shù)性能統(tǒng)計(jì)濃度是在一年內(nèi)持續(xù)2周時(shí)間的最低濃度(簡稱,TPS-14),因?yàn)樵谝荒?/span>52周的時(shí)間內(nèi)將有50周的時(shí)間超過上述標(biāo)準(zhǔn),顯然這一標(biāo)準(zhǔn)不能成為評價(jià)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(shí)的統(tǒng)計(jì)特性,這種表現(xiàn)只有在受控的實(shí)驗(yàn)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?yàn)榻^大多數(shù)生物脫氮除磷工藝的泥齡約8~20 d,14 d的時(shí)間對絕大部分污水處理廠是一個完整泥齡的運(yùn)行時(shí)間。無錫水處理設(shè)備
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(jì)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(shí)間段以及運(yùn)行者在自身風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)用會降低很多。
WERF的研究報(bào)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(yùn)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(shí),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(jì),部分統(tǒng)計(jì)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(bào)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%;無錫純水設(shè)備對于總磷而言,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(jì)算出為滿足日均值穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的設(shè)計(jì)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(jì)的出水TN濃度見表2。無錫水處理設(shè)備
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(shí),出水TN的設(shè)計(jì)濃度要達(dá)到4.65~7.05 mg/L。類似計(jì)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(jì)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(yùn)費(fèi)費(fèi)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(jì)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(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)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(diǎn)至少應(yīng)在1個泥齡以上的時(shí)間,因此采用月均值無論對實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)還是對投資運(yùn)行費(fèi)用的影響相對更為合理,也更易于接受。
(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(jì)的方法進(jìn)行分析,本文采用K-S檢驗(yàn)方法,證實(shí)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(jì)算無錫純水設(shè)備,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(jì)濃度,或在同樣運(yùn)行操作條件下目前實(shí)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(shí),污水處理廠的設(shè)計(jì)、管理者需要在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)率與投資運(yùn)行費(fèi)用之間做出合理的選擇。無錫純水設(shè)備,無錫水處理設(shè)備,無錫去離子水設(shè)備
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