Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

STATISTICAL ANALYSIS OF PROCESS BIOCHEMICAL TREATMENT OF WASTEWATER

Bulgakova L.M. 1 Kostyleva L.N. 1 Popova L.V. 1 Repin P.S. 1
1 State Educational Institution "Voronezh State University of Engineering Technology"
To study the dependence of the efficiency of wastewater treatment and concentration of pollutants in the waste-water which arrive on biological treatment, was investigated perennial dynamics of the composition of wastewa-ter of the main ingredients: ammonia nitrogen, anionic surfactants, sulfate ions, phosphate ions, the ions of heavy metals. Was performed statistical analysis of data for all pollutants with the use the Statistical Package STADIA 8. For all samples established that distribution of the concentrations of pollutants entering for the puri-fication and concentration of pollutants after purification corresponds to normal. To determine the nature of the functional relationship between the concentrations of pollutants in wastewater at the entrance to clean (Cin) and output (Cout) were built correlation dependences Cout = f (Cin) and the cleaning efficiency η = f (Cin). For all pollutants specified depending linear. Found that when the permissible load conditions to the treatment plant correlation curves have a negative slope at elevated loads - positive. Calculations on mathematical models of the dependencies for the specific treatment facilities. The obtained results allow to identify common regularities of of the biological treatment of waste water from the source of waste and predict the effectiveness of treatment with consideration of the mutual influence of the ingredients of pollutants in waste water.
biological treatment
wastewater
the efficiency of wastewater treatment
correlation dependences

Качество биологической очистки зависит от таких важных факторов, как температура, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, присутствие токсинов, оптимальное соотношение между концентрацией загрязняющих веществ (ЗВ),  присутствующих в сточных водах (СВ), и рабочей дозой активного ила по массе. Влияние на процесс биологической  очистки этих факторов и целого ряда других, не менее важных, подробно рассмотрено в монографии Жмур Н. С. [2]. Однако, несмотря на то, что характер воздействия этих факторов на очистку сточных вод достаточно изучен [2,5], для разработки автоматизированной системы управления и принятия эффективных управленческих решений для конкретных очистных сооружений необходимо изучение зависимостей влияния указанных факторов на процесс [1,4].

Цель исследования – изучение зависимости эффективности очистки СВ от состава стока и выявление взаимного влияния ЗВ на качество очистки, а также оценка  возможности  прогноза эффективности очистки на основе выполненного анализа для конкретных очистных сооружений.

При выполнении исследования были собраны и статистически обработаны следующие данные: качественный и количественный состав стоков, поступающих на биологическую очистку и после очистки за период 5 лет, качественный и количественный состав стоков до и после очистки по теплым и холодным периодам за 5 лет. По результатам наблюдений за пять лет определены средние значения концентраций по приоритетным загрязняющим веществам, содержащимся в сточных водах, поступающих на биологическую очистку (табл. 1). Концентрации в таблице 1 представлены в относительных единицах в отношении концентраций ЗВ, допустимых на биологическую очистку СВ и ПДК ЗВ при сбросе в рыбохозяйственный водоем.

Таблица 1. Средние значения концентраций ЗВ в СВ до очистки (Свх) (дол. доп. конц.) и после очистки (Свых), (дол. ПДК) за пять лет наблюдений

ЗВ

Годы наблюдений и значения концентраций

С

1

2

3

4

5

Азот аммонийный

вх

1,12

1,08

1,32

1,43

1,39

вых

1,54

1,10

1,13

1,00

1,03

АПАВ

вх

5,84

5,09

5,41

5,09

5,34

вых

3,00

0,90

1,00

0,86

0,84

Железо (общ.)

вх

2,36

1,89

2,08

1,94

2,06

вых

3,90

1,46

0,99

0,95

1,09

Медь (ион)

вх

5,07

4,00

4,00

3,90

3,80

вых

25,30

15,00

15,10

11,60

9,30

Сульфат-ион

вх

1,17

1,02

1,09

1,15

1,26

вых

1,44

1,23

0,97

0,90

0,98

фосфаты(по Р)

вх

2,51

2,36

2,52

2,34

2,65

вых

13,2

9,95

7,55

3,75

6,45

Цинк (ион)

вх

5,20

4,00

3,90

3,80

3,80

вых

3,03

2,00

1,77

1,21

1,11

Как видно из таблицы 1, по всем исследуемым ингредиентам наблюдается превышение допустимых концентраций ЗВ в СВ, поступающих на биологическую очистку (Свх). В 3–6 раз превышение по АПАВ, ионам меди и цинка. Повышенная нагрузка на очистные сооружения приводит к тому, что концентрации по большинству ЗВ в СВ после биологической очистки также превышают ПДК р.х. Более чем в 9 раз наблюдаются превышения по ионам меди. Анализ взаимного влияния ЗВ на эффективность очистки показал, что с увеличением содержания ионов меди и цинка в стоке эффективность очистки снижается (табл. 1). Этот факт согласуется с литературными данными [2]. В связи этим  нами изучались закономерности процесса очистки СВ в режимах допустимой и повышенной нагрузок на очистные сооружения. Для решения поставленных задач была использована методика прогнозирования эффективности очистки СВ, предложенная в работе [3]. Статистическая обработка данных по всем ЗВ выполнена с использованием статистического пакета STADIA 8.

На этапе оценки характера нестационарного переноса ЗВ, поступающих со СВ на биологическую очистку, исследовалась многомесячная динамика состава СВ по основным ингредиентам: азот аммонийный, АПАВ, сульфат-ионы, фосфат-ионы, ионы тяжелых металлов. Исследования кинетики переноса этих ЗВ в теплый и холодный периоды года в течение пяти лет показали, что во всех случаях наблюдаются колебания концентраций ЗВ как по концентрациям поступающих на очистку СВ (Свх), так и в очищенных стоках (Свых).  Методами описательной статистики выполнена проверка соответствия выборки закону нормального распределения. Проведенные расчеты по трем критериям нормальности (табл. 2, 3) подтверждают: распределение концентраций в объединенной выборке не отличается от нормального. В таблицах 2 ,3 и на рисунке 1 в качестве примера приводятся результаты расчетов по выборкам концентраций азота аммонийного в стоке.

Таблица 2. Статистические значения критериев нормального распределения (переменные Свх хол. п. и Свх теп. п. азота аммонийного)

Статистика

Значение

Значимость

Степени свободы

Колмогоров

0,183

7,11Е-5

60

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Омега-квадрат

0,563

5,25Е-8

60

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Хи-квадрат

1,88Е3

0

8

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Таблица 3.  Статистические значения критериев нормального распределения (переменные Свых.хол-й и С вых. тёпл азота аммонийного)

Статистика

Значение

Значимость

Степени свободы

Колмогоров

0,243

4,11Е-5

60

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Омега-квадрат

0,663

5,65Е-8

60

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Хи-квадрат

2,88Е3

0

8

Гипотеза 0: «Распределение не отличается от нормального»

Рис. 1. Гистограмма с наложенным графиком нормальной кривой для выборки концентраций азота аммонийного в стоках до очистки, (Свх)

Таким же образом были протестированы выборки данных по остальным ЗВ. По всем выборкам  установлено распределение входных на очистку Свх и выходных  Свых концентраций ЗВ соответствует нормальному.  Следовательно, концентрации ЗВ в стоках являются параметрическими характеристиками стоков конкретного населенного пункта. Для определения подобности двух выборок данных за теплый и холодный периоды выполнен дисперсионный анализ выборок входных и выходных концентраций ЗВ. В таблице 4 представлены данные  дисперсионного анализа степени сходства двух выборок данных входных концентраций сульфат-ион за теплый и холодный периоды ( Свход.хол. и С вход.тёп.).

Таблица 4. Статистические значения критериев Фишера и Стьюдента (переменные Свх хол. п. и Свх теп. п. сульфат-ион)

Статистика

Значение

Значимость

Степени свободы

Фишера

1,1

0,399

29

Гипотеза 0: «нет различий между выборочными дисперсиями»

Стьюдента

1,35

0,178

58

Гипотеза 0: «нет различий между выборочными средними»

Разность средних=10,5, доверит.интервал=1,38

Стьюдент для парных данных

1,76

0,0862

29

Гипотеза 0: «нет различий между выборочными средними»

По критериям Фишера и Стьюдента (таблица 4, сульфат-ион) существенных различий между средними значениями и дисперсиями анализируемых выборок не наблюдается, следовательно, данные выборки можно объединить в один объект исследования. 

Для  анализа характера функциональной взаимосвязи между концентрациями ЗВ  на входе на очистку и после нее выполнены параметрическая корреляция значений концентраций ЗВ, простая регрессия и регрессионный анализ зависимостей концентраций загрязняющих веществ в СВ Свых=f(Cвх). Для всех ЗВ установленные зависимости линейны, их можно выразить уравнением Свых=а + b ∙ Cвх. (рис.2 и 3). Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что полученные линейные модели адекватны экспериментальным данным, т.к. значимость нулевой гипотезы близка к нулю, экспериментальные точки не выходят за доверительный интервал, коэффициент парной корреляции отличен от нуля. Кроме того, распределение регрессионных остатков по оси Y по концентрациям ЗВ и относительно регрессионных значений по оси X  достаточно однородно, что дополнительно подтверждает адекватность полученных моделей.

Рис. 2. График экспериментальных точек и регрессионной кривой Свых=f(Свх) с зоной доверительного интервала (ЗВ – азот аммонийный) при допустимых нагрузках

Рис. 3. График экспериментальных точек и регрессионной кривой Cвых=f(Свх) с зоной доверительного интервала, АПАВ при повышенных нагрузках

Результаты расчета параметров полученных зависимостей  процесса очистки от Свх по основным ЗВ в стоках  представлены в таблице 5

Таблица 5. Параметры линейной зависимостей Свых = f(Cвх ) и эффективности очистки η = f(Cвх) по основным ЗВ сточных вод

 

Параметры

ЗВ

Свых = а + b ∙ Cвх

η = а η + b η ∙ Cвх

a

b

а η

b η

Азот аммонийный

0,5969

- 0,0096

  96,1530

  0,0919

Сульфат-ион

   138,9600

- 0,3828

- 79,7460

  0,8446

Фосфат-ион

0,3885

  0,6094

  75,7860

- 8,7860

АПАВ

0,0133

  0,0479

  97,3970

- 1,3292

Изучение закономерностей процесса очистки СВ в режимах допустимой и повышенной нагрузок на очистные сооружения показали существенные различия. В режимах допустимых или незначительных превышений Свх (в 1,5–2 раза, табл. 1) очистка стоков эффективна (наклон кривой отрицательный, рис. 2, табл.5). При превышении Свх допустимых концентраций ЗВ более чем в 2 раза (табл. 1) эффективность очистки снижается, и наклон регрессионной кривой меняется на положительный (рис. 3. табл.5). И соответственно линейная зависимость η = f(Cвх) меняет наклон кривой в зависимости от нагрузки: при незначительных нагрузках он положительный, при повышенных – отрицательный (табл. 1,5).

Таким образом, при описании зависимостей  процесса очистки от Свх по каждому ЗВ в математических моделях необходимо учитывать как область допустимых, так и область повышенных нагрузок. Кроме того, есть еще переходная область концентраций Свх, при которых зависимость Свх=f(Свых), вероятно, не будет иметь линейный характер.

Полученные результаты позволяют выявить общие закономерности процесса биологической очистки СВ от исходного состава стоков и прогнозировать эффективность очистки с учетом факторов взаимного влияния ингредиентов ЗВ в стоках. Так как состав стоков характерен для конкретного населенного пункта, на основании выполненных расчетов прогноз возможен только для очистных сооружений  данной местности в изученных интервалах концентраций ЗВ в поступающих на очистку стоках.

Рецензенты:

Клепиков Олег Владимирович, доктор  биологических наук, профессор, зав. отделением информационных технологий организационно-методического отдела ФГУЗ Центра гигиены и эпидемиологии в Воронежской области, г. Воронеж.

Куролап Семен Александрович, доктор географ. наук, профессор, зав. кафедрой геоэкологии и мониторинга окружающей среды, ВГУ, г. Воронеж.