农村生活污水的电导率：进水污染物综合浓度和处理设施有效性的指标

一、研究背景

近年来，中国农村地区经历了经济和生活方式的转变，这对处理日益增多的废水提出了严峻的挑战。由于大多数农村地区缺乏环境技术人员和能源短缺，未经处理直接排入河流和湖泊，为了改善农村地区的环境条件，对农村生活污水采取适当的处理方法已成为当务之急。

生活污水中含有大量的氮、磷、有机物和其他污染物，从生活污水中去除营养物质和有机污染物通常使用生物法和生态处理法，如厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）工艺、人工湿地（CWs）和膜生物反应器（MBRs）。中国已经建立了许多采用这些生物处理方法的分散设施。例如，自2014年以来，浙江嘉兴市已建成2000多个农村生活污水处理设施。

农村生活污水处理设施通常包括下水道网状系统和处理单元。下水道网状系统由许多污水管组成，这些污水管将污水从源头输送到处理设施。下水道管网系统在运行数年后会发生严重泄漏，导致处理单元无法正常工作。此外，由于缺乏快速、经济高效的测量方法，企业无法根据污染物负荷的变化调整运行。因此，在随后的每月人工检查之前，这些设施将一直处于无效状态。

目前，处理设施的运行状态通常是根据其处理单元排放标准来评估的，这是相对片面的，尤其是当单元进水的污染物浓度水平较低时。例如，尽管处理单元没有去除污染物，但它们仍然可以达到排放标准，因为进水污染物浓度极低，已经达到排放标准。这些设施对污染物去除几乎没有影响，但在使用传统评估方法时，仍被认为运行良好。因此，应该进行一项侧重于污染物去除而不是污水质量处理的研究。然而，对设施有效利用的关注却很少被调查。此外，设施的有效利用率应根据简单快速的方法进行估计，以便及时调整和优化无效设施。

二、材料及方法

1、农村生活污水样本

嘉兴市位于中华人民共和国浙江省。属亚热带季风气候，年平均气温15.9°C，年平均降雨量1168毫米。本次调查于2018年5月进行，气温在16°C至29°C之间。从嘉兴市8个县的164个设施中采集了328个农村生活污水样本（包括进水和出水）。污水样本是从排放口收集的，将样品装在聚乙烯瓶中运输，并在测试前储存在4°C的冰箱中。

为了对嘉兴市农村生活污水处理现状进行全面研究，根据其与嘉兴市所有设施的比例，选择了具有代表性的不同处理规模和单元工艺的设施。

表1 本次调查设施的处理规模和工艺分布

 

2、分析方法

      所有化学品均购自国药集团有限公司，未经进一步纯化即使用。废水的化学需氧量（COD）、TN、NH₄⁺-N、TP和悬浮固体（SS）分析是根据美国公共卫生协会（APHA）标准进行的。上述分析基于分光光度法，并使用相同的紫外可见分光光度计。使用便携式仪器（HM-30P和CM-31P，DKK，日本）原位测定废水样品的水参数，包括pH、温度和EC。

3、设施的有效性评估

本研究使用了一种设施的有效性评估方法，重点关注污染物去除率，而不是废水中的污染物浓度。有效设施被定义为COD、NH₄⁺-N、TN、TP和SS的任何一个去除率超过20%，并且五个去除率中的任何两个都高于0。否则，该设施无效。根据嘉兴市污染物浓度现状和设施处理现状，确定了有效设施的处理效率。设施有效（无效）运营的识别率定义为已识别设施的数量与所有有效（失效）设施的数量之比。识别的准确率被定义为准确识别的信息与所有识别信息的比率。引入了出水EC与进水EC的比值来表明设施的有效性。

4、统计分析

所有数据均使用Microsoft Excel、Origin和SPSS进行分析。采用单因素方差分析对治疗效果进行分析。使用SPSS，采用最小显著性差异多范围检验来确定配对之间的统计学显著性，p值小于0.05表明配对显示出良好的统计学意义。使用CANOCO 4.5软件进行主成分分析。

三、结果与讨论

1.嘉兴农村生活污水水质：

      测定了嘉兴市8个县农村生活污水处理设施的影响物和出水的五项污染物指标、pH和EC，并将其列于表2中。污染物的最低值远低于农村生活污水的平均值，这可归因于污水被地下水和农业灌溉水等其他水源稀释。

      绘制嘉兴市8个不同县农村生活污水处理设施进水总氮和EC的线性拟合关系如图1。表明农村生活污水中的氮主要是氨氮。这一结果进一步表明，嘉兴市农村生活污水中的有机氮在消化池中已转化为氨氮，从而使农村生活污水在厌氧条件下无害化。

表2 污染物浓度和范围

 

图1 嘉兴市8个不同县农村生活污水处理设施进水总氮和EC的线性拟合关系（a），XZ县农村生活废水处理设施进水TN和EC的直线拟合关系（b），JS县农村生活污水处理设施进水TN-EC的直线拟合关系（c）

 

2.污染物与EC的相关性分析：

结果表明，JS的农村生活污水可能会被其他污染物与EC关系不同的废水稀释。此外，工业或畜牧业废水没有排入处理系统。

   如图2所示的相关性分析，P与EC呈正相关（R2=0.5944，p<0.01）（图2a），表明嘉兴农村生活污水进水TP浓度也可以用EC表示。TP与EC的相关性低于TN与EC，这可归因于磷酸盐释放和沉淀的过程比氮的过程更复杂。结果表明，JS的农村生活污水可能会被其他污染物与EC关系不同的废水稀释。此外，工业或畜牧业废水没有排入处理系统。因此，可以推断JS的大量生活污水被地下水或农业灌溉水稀释。如果农村生活污水处理厂的污染物流入浓度与EC之间的相关性较差，则必须检查污水管道系统，并防止其他废水输入。

      如图3所示的三维拟合面，分析了TN、TP和EC的相互作用关系。污水TN和TP浓度随着污水EC的增加而增加。此外，在一定的固定EC中可以确认较高的进水TN和TP浓度。因此，高EC值可归因于农村生活污水中TN和TP含量高。因此，可以在EC的基础上动态调整农村生活污水处理设施的处理负荷。

 

图2 嘉兴市8个不同县农村生活污水处理设施进水TP和EC的线性拟合关系（a），XZ县农村生活污水处理设施进水TP和EC的线性拟合关系（b），JS县农村生活污水处理设施进水TP和EC的线性拟合关系（c）

 

图3 农村生活污水处理设施进水中TN、TP和EC的三维拟合表面

 

3.基于废水EC的农村生活污水处理设施效果评价：

结果表明：嘉兴有117个设施有效运行，47个设施无效运行，平均有效运行率为71%。然而，由于对嘉兴市所有2000个设施的影响物和废水的五个污染物指标进行测试所需的大量工作，因此需要大量的时间和金钱来评估这些设施。此外，传统标准水质测试方法获得的结果会严重延迟，无法用于设施有效性的实时评估。因此，无法及时调整和优化无效设施。因此，应该制定一种更简单、更快的方法，能够立即表明设施运行的有效性。

      图4显示了出水EC与进水EC之比（σ出水/σ进水）和设施有效性的统计分析结果。共有55个设施的σ出水/σ进水低于0.8。相比之下，无效设施的识别比有效设施的识别更为关键，因为相应的措施可以及时实施，以改善设施的运行条件。如果能够识别出无效设施，就可以避免低效人工检查造成的长期无效运行。同时可以看出，在39个设施中，当σ出水/σ进水超过1.0时，33个设施出现无效运行。当σ出水/σ进水小于1.0时，只有14个无效设施。如果一个设施的相关σ出水/σ进水超过1.0时直接推断为无效，则可以识别出设施的无效运行，识别率和准确率分别为70%和84%。此外，组合设施的远程控制系统可以根据无效操作的识别来调整和优化操作参数，以节省大量的时间和资金成本。

 

图4 σ出水/σ进水的统计结果以及设施的有效性