环境科学  2014, Vol.35 Issue (10): 3998-4002   PDF    
引用本文
周羽化, 卢延娜, 张虞, 朱静, 雷晶, 申晨, 武雪芳. 某城市城镇污水处理厂COD排放现状评价分析[J]. 环境科学, 2014, 35(10): 3998-4002.
ZHOU Yu-hua, LU Yan-na, ZHANG Yu, ZHU Jing, LEI Jing, SHEN Chen, WU Xue-fang. Assessment on the COD Discharge Status of Municipal Wastewater Treatment Plant in a City of China[J]. Environmental Science, 2014, 35(10): 3998-4002.
某城市城镇污水处理厂COD排放现状评价分析
周羽化1,2, 卢延娜2, 张虞2, 朱静2, 雷晶2, 申晨2, 武雪芳2     
1. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
2. 中国环境科学研究院环境标准研究所, 北京 100012
收稿日期: 2014-2-26; 修订日期: 2014-4-13.
基金项目： 环境保护公益性行业科研专项（201209052）
作者简介：周羽化（1981~），女，博士研究生，副研究员，主要研究方向为水环境标准、环境管理，E-mail：zhouyh@craes.org.cn
通讯联系人,武雪芳,E-mail:wuxf@craes.org.cn
摘要：基于统计学的方法理论，分析北方某城市11家采用二级处理或二级强化处理工艺的城镇污水处理厂3 a例行监测数据，得到该城市城镇污水处理厂化学需氧量（COD）的排放浓度呈Delta-对数正态分布. 在此基础上，借鉴美国水污染物排放限值制订方法，对该城市城镇污水处理厂COD任意一天排放和月均排放情况进行评价分析，得到其任意一天最大值低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准（50 mg ·L-1）要求，同时提出了月均排放评价结论，并对相关结论进行了讨论. 本研究所探索的方法体系和结论可为相关污染物排放标准的制修订提供参考.
关键词： 城镇污水处理厂     COD     排放现状     评价     排放标准    
Assessment on the COD Discharge Status of Municipal Wastewater Treatment Plant in a City of China
ZHOU Yu-hua1,2, LU Yan-na2, ZHANG Yu2, ZHU Jing2, LEI Jing2, SHEN Chen2, WU Xue-fang2     
1. College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. Institute of Environmental Standards, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: Based on the statistical theory, the paper collected routine monitoring data for 3 years of 11 municipal wastewater treatment plants with secondary treatment or enhanced secondary treatment in a northern city in China, and analysis of the discharge concentration distribution of COD showed a Delta-lognormal distribution. On this basis, referring to the formulation methods of water pollutant discharge limits used in the USA, the paper studied and assessed the discharge status of COD of the municipal wastewater treatment plants in the city, including the daily maximum and the monthly average discharge status, and came to the conclusion that the daily maximum discharge status met the first grade A class discharge standard (50 mg ·L-1) required by the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB 18918-2002). Meanwhile, the assessment conclusion was obtained for the monthly average discharge status, and the conclusions were discussed. The assessment method and the conclusions in this paper might provide reference for formulation and revision of water discharge standards.
Key words: municipal wastewater treatment plant     COD     discharge status     assessment     discharge standards    

2012年，我国城镇生活污水中化学需氧量(COD)排放量912.8万t，占全国COD排放总量的37.6%[1]，城镇生活污水是我国主要的COD排放源之一，也是我国废水中COD排放削减的重点行业. 城镇污水处理厂以处理城镇居民生活污水，机关、 学校、 商业服务机构及各种公共设施排放废水为主，目前我国城镇污水处理厂的废水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)，该标准实施10余年，在污水处理厂提标改造、 COD总量削减等方面都发挥了积极的促进作用. 目前，许多地方城镇污水处理厂的污染物排放水平已有较大程度降低，但通过更加系统、 科学、 合理的方法对其实际排放水平进行评价，进而为排放标准的修订提供参考的研究为数不多. 本研究旨在基于统计学理论方法，采用某城市城镇污水处理厂实际排放监测数据，探索城镇污水处理厂COD排放现状的评价方法，以期为相关排放标准的制修订提供参考. 1 研究对象与数据来源

以北方某城市城镇污水处理厂COD排放现状评价为研究目标，收集了该城市11家采用二级处理或二级强化处理工艺的城镇污水处理厂2011-2013年度例行监测数据. COD监测的分析方法均采用重铬酸盐法，检出限为10 mg ·L-1，监测值为日均值. 每个厂的数据36个(个别厂少于36个，但均多于30个)，11家厂整体数据共383个，数据分析采用SPSS 18.0. 2 COD排放浓度概率分布

为了考察城镇污水处理厂COD排放特征，将该城市各厂3 a的COD排放监测数据和11家城镇污水处理厂3 a的COD排放监测数据作为整体，分别进行概率分布分析. 其中，低于和等于检出限的数据，均表示为检出限值10 mg ·L-1(以下称为ND值). 由图 1和图 2的直方图可见，除ND值外，COD的排放浓度数据无论是单厂还是11家厂整体均呈偏态分布.

图 1 某厂COD排放浓度分布

Fig. 1 Histogram for COD discharge concentration distribution in a plant


图 2 11家厂COD排放浓度分布

Fig. 2 Histogram for COD discharge concentration distribution in the 11 plants

如果将ND值排除，对其他监测数据进行自然对数转化，再进行概率分布分析，由图 3和图 4的直方图可见，单厂和11家厂整体的COD对数值呈正态分布. 进行正态概率图(Q-Q图)分析，如图 5和图 6所示，Q-Q图线性关系吻合程度较高，可以认为，除ND值外，COD对数值具有正态性.

图 3 某厂COD排放浓度对数分布 (除ND值外)

Fig. 3 Histogram for natural logarithm of COD distribution(except ND values)in a plant


图 4 11家厂COD排放浓度对数分布 (除ND值外)

Fig. 4 Histogram for natural logarithm of COD distribution (except ND values)in the 11 plants


图 5 某厂COD排放浓度对数值正态概率 (除ND值外)

Fig. 5 Normal Q-Q plot of natural logarithm of COD discharge concentration(except ND values)in a plant


图 6 11家厂COD排放浓度对数值正态概率 (除ND值外)

Fig. 6 Normal Q-Q plot of natural logarithm of COD discharge concentration(except ND values)in the 11 plants

对于COD排放浓度呈现的这种分布，统计学上称为Delta-对数正态分布[2]. Delta-对数正态分布由两部分组成，一部分为设限样本，由ND值所构成； 另一部分则由高于ND值的数据构成，且这部分数据呈现对数正态分布. Delta-对数正态分布的分布函数可表示为[3, 4, 5, 6, 7]：

式中，δ为未检出的比例，0≤δ≤1； x0=ND时(即未检出时)，I(x0)=1，否则I(x0)=0； g(x)为服从对数正态分布函数. 3 COD排放现状分析

借鉴美国水污染物排放标准限值制定方法，本研究中水污染物排放现状由长期平均值(long time average,LTA)乘以变异系数(variability factor,VF)的结果进行评价[3, 4, 5, 6, 7]. 其中，长期平均值反映的是污水处理系统所达到的对污染物的平均控制水平； 变异系数反映的是由于处理系统的波动，可能出现的污染物排放最大值与期望值的比值.

3.1 单厂长期平均值

对于某个污水处理厂来说，由于COD符合Delta-对数正态分布，其长期平均值由式(2)计算得到[3, 4, 5, 6, 7]. 该城市11家污水处理厂的处理工艺及COD排放的长期平均值见表 1.

式中，LTAj为污水处理厂j的COD长期平均值； D为检出限； n为检出的浓度值个数； Xi为污水处理厂j的检测结果大于检出限的值； δ为污水处理厂j的COD排放浓度低于或等于检出限的比例.

表 1 某城市11家污水处理厂COD排放长期平均值 Table 1 Long-term average of COD discharge for the 11 wastewater treatment plants in the city
3.2 单厂变异系数

(1)任意一天变异系数

任意一天变异系数考察的是在一天时间范围内污染物排放浓度的波动情况，直接影响日均浓度的排放达标. 借鉴美国水污染物排放现状分析方法，采用99%置信概率下的变异系数作为任意一天变异系数. 由于COD排放呈Delta-对数正态分布，因此其任意一天变异系数计算方法为[3, 4, 5, 6, 7]：

式中，当δ≥0.99:

并有：

式中，yi为除ND值外的COD实际观测值，φ为正态累积分布函数值.

(2)月平均变异系数

月平均变异系数是在更长时间范围内考察废水排放的波动情况. 理论上，月平均变异系数应低于任意一天变异系数，因为月平均变异系数能更好地“消化”掉一些较为异常的日均高值. 在没有连续自动监测数据的情况下，取任意4 d的平均值，并采用95%置信概率来计算月平均变异系数[3, 4, 5, 6, 7]，即：

式中，，φ为正态累积分布函数值.

根据上述方法，计算得到该城市11家城镇污水处理厂的变异系数，见表 2.

表 2 某城市11家污水处理厂COD变异系数 Table 2 VF of COD discharge for the 11 wastewater treatment plants in the city
3.3 单厂COD排放现状评价

将表 1中各厂的长期平均值乘以表 2中各厂变异系数，可以得到各厂COD排放现状评价结果，见表 3.

表 3 某城市11家污水处理厂COD排放现状评价结果 Table 3 COD discharge status for the 11 wastewater treatment plants in the city
3.4 该城市城镇污水处理厂COD排放现状评价

就该城市而言，城镇污水处理厂的总体长期平均值采用单厂长期平均值的中值，总体变异系数采用单厂变异系数的中值[3, 4, 5, 6, 7]. 由此，可以得到该城市城镇污水处理厂COD排放现状总体评价结果,见表 4.

表 4 某城市城镇污水处理厂COD排放现状评价结果 Table 4 COD discharge status for the municipal wastewater treatment plants in the city

由上述结果可见，该城市二级处理或二级强化处理的城镇污水处理厂的COD排放总体处于较低的浓度水平，在本研究方法体系下得到的任意一天最大值低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A(50 mg ·L-1)的标准要求，而月均排放浓度低于30 mg ·L-1. 4 结论

(1) 经过统计分析得到以COD为例的污染物排放符合Delta-对数正态分布，除COD外，该分布适用于重金属、 有机物等存在未检出情况的污染物. 但是，在对一些样本量不多的有机物进行研究分析时，还需要进行进一步的数据处理和优化.

(2)在本研究中除探讨了任意一天(日均)排放情况评价方法外，也对月均排放情况的评价进行了研究. 但月均排放情况的评价主要基于手工监测数据，由于数据量的限制，在方法学上是采用任意4 d平均值为基础来计算，这对于重金属、 有机物等排放情况的评价是有借鉴意义的，但采用连续自动监测数据开展连续30 d排放数据分析研究是非常有意义的.

(3)本研究基于统计学理论方法对某城市城镇污水处理厂COD排放现状进行了分析评价，评价结论可以为污染物排放标准的制修订提供参考. 但在排放标准的制修订中，还需要综合考虑氨氮、 重金属及其他污染物的排放控制要求和技术水平，筛选确定污染控制技术路线，并结合环境管理、 产业发展、 技术经济效益等方面因素，更加科学合理地确定排放限值.

参考文献
[1] 中华人民共和国环境保护部. 环境统计年报(2013年)[EB/OL]. http://zls.mep.gov.cn/hjtj/, 2013-12-25.
[2] Aitchison J, Brown J A C. The lognormal distribution[M]. London: Cambridge University Press, 1963.
[3] US EPA. EPA NPDES permit writers' manual [R]. Washington DC: Office of Wastewater Management. 2010.
[4] US EPA. Development document for effluent limitations guidelines and standards for the organic chemicals, plastics and synthetic fibers point source category [R]. Washington DC: Office of Wastewater Management, 1987.
[5] US EPA. Development document for final effluent limitations guidelines and standards for the pharmaceutical manufacturing point source category[R]. Washington DC: Office of Wastewater Management, 1998.
[6] 周羽化, 原霞, 宫玥, 等. 美国水污染物排放标准制订方法研究与启示[J]. 环境科学与技术, 2013, 36 (11):175-180.
[7] US EPA. Statistical support document for final effluent limitations guidelines and standards for the pharmaceutical manufacturing industry [R]. Washington DC: Office of Wastewater Management, 1998.