楊志敏,陳玉成,何 娟,陳慶華

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400715;2.西南大學資源環(huán)境學院,重慶400716;3.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室,重慶400716)

我國高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)的集對分析

楊志敏1,2,3,陳玉成1,2,3,何 娟1,2,3,陳慶華1,2,3

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶400715;2.西南大學資源環(huán)境學院,重慶400716;3.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室,重慶400716)

統(tǒng)計分析了全國15個省(市、區(qū))33個高速公路服務區(qū)污水中的p H值,SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等8個水質(zhì)因子,發(fā)現(xiàn)除p H值呈正態(tài)分布外,其余因子均符合對數(shù)正態(tài)分布。p H均值為7.47,而SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等質(zhì)量濃度均值分別為126.95,357.33,158.54,26.87,4.85,4.82,5.97 mg/L。集對分析表明我國高速公路服務區(qū)污水除含有SS,石油類等特征污染因子外,與典型的低濃度生活污水水質(zhì)較為相似,宜優(yōu)先采用沉淀、隔油等措施降低SS,石油類負荷,然后采用低濃度型生活污水處理工藝。

高速公路;服務區(qū);污水;集對分析

Abstract:Eight water quality indicato rs,including p H,SS,COD,BOD5,NH3-N,phosphate salt,oil,animal and vegetable oil of 33 majo r highway service areas in 15 provinces(cities or districts)in China were inspected and analyzed.The results indicated that the pH show s the normal distribution,while the others have log-no rmal distributions.The average pH is 7.47,and the average concentrations of SS,COD,BOD5,NH3-N,phosphate salt,oil,animal and vegetableoil are 126.95,357.33,158.54,26.87,4.85,4.82,5.97mg/L,respectively.The resultsof the set pair analysis showed that the water quality of highway service areas is similar to that of the typical,low concentration life sewage,excep ting that the sewage in highway service areas contained some characteristic pollutants,such as SS,oil,etc.Thus,the prior treatment method is reducing the concentration of SS and oil by precipitation and separating oil in advance,and then treating the sewage with the techniques for the low concentration life sewage.

Key words:highway;service area;sewage;set pair analysis

自沈大高速1990年建成以來,不到20年間,我國高速公路就走過了發(fā)達國家一般需要50年完成的發(fā)展歷程。到2008年底,高速公路總里程達到6.03×104km。隨著高速公路的迅猛發(fā)展以及人們對公路環(huán)境問題的認識逐漸加深,高速公路服務區(qū)生活污水排放問題已引起人們的廣泛關注。高速公路服務區(qū)污水主要是餐飲排水、管理人員生活排水、賓館客房排水、洗車排水、道路澆灑排水、消防和綠化排水、公共衛(wèi)生間沖廁排水等。國外關于高速公路服務區(qū)污水的研究較早,我國最近幾年才開展相關研究。在分析我國現(xiàn)有高速公路服務區(qū)污水方面研究成果的基礎上,重點分析了我國多條高速公路服務區(qū)污水的水質(zhì)濃度,重點采用集對分析方法[1]比較了高速公路服務區(qū)污水與典型生活污水特征,為篩選服務區(qū)污水處理工藝及處理要求提供科學依據(jù)。

1 高速公路服務區(qū)的污水水質(zhì)特點

根據(jù)文獻,參與統(tǒng)計的15個省(市、區(qū))33個高速公路服務區(qū)分別為安徽廣德(廣祠高速)[2]、北京某服務區(qū)[3]、福建潮州東區(qū)(汕汾高速)[4]、福建潮州西區(qū)(汕汾高速)[4]、廣東橫山(包茂高速)[5]、河南隧平(京港澳高速)[6]、河南徐莊東區(qū)(京港澳高速)[6]、河南徐莊西區(qū)(京港澳高速)[6]、湖北某服務區(qū)(京港澳高速)[7]、湖南某服務區(qū)[8]、江蘇某服務區(qū)[9]、江蘇某服務區(qū)[10]、遼寧某服務區(qū)[11]、內(nèi)蒙古某服務區(qū)(榮烏高速)[12]、山東某服務區(qū)(濟青高速)[13]、山東濰坊(濟青高速)[14]、山東淄博(濟青高速)[15]、山東義堂(京滬高速)[15]、山東薛莊(朱曲高速)[15]、上海楓涇北區(qū)(滬杭高速)[16]、上海楓涇南區(qū)(滬杭高速)[16]、四川眉山A區(qū)(成樂高速)[17]、四川眉山B區(qū)(成樂高速)[17]、四川火井A區(qū)(成南高速)[17]、四川火井B區(qū)(成南高速)[17]、四川石像湖 A區(qū)(成雅高速)[17]、四川石像湖B區(qū)(成雅高速)[17]、四川內(nèi)江A區(qū)(成渝高速)[17]、四川內(nèi)江B區(qū)(成渝高速)[17]、浙江海寧(杭浦高速)[18]以及本研究中的重慶墊江(滬渝高速)、重慶梁平(滬蓉高速)、重慶團山堡(渝武高速)等。

對上述服務區(qū)污水的p H值,SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等8項主要指標進行了測定。分別確定了每個指標的樣本量、最小值、最大值等,計算了平均值、標準差、方差、峰度、偏度等(表1)。我國高速公路服務區(qū)污水p H算術平均值為 7.47,而 SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油的算術平均濃度為265.13,480.88,226.09,41.26,9.71,6.50,20.03 mg/L。

表1 我國高速公路服務區(qū)污水中污染物的統(tǒng)計參數(shù) mg/L

采用偏度-峰態(tài)系數(shù)檢驗數(shù)據(jù)分布形態(tài)。偏度系數(shù)與峰態(tài)系數(shù)檢驗的臨界值分別為:

式中,T1—偏度系數(shù)檢驗值;T2—峰態(tài)系數(shù)檢驗值;g1—樣本偏度系數(shù);g2—樣本峰態(tài)系數(shù);n—樣本量。

由此計算各指標的偏度系數(shù)檢驗值、峰態(tài)系數(shù)檢驗值。給定α=0.05,查表得臨界值,發(fā)現(xiàn)只有p H值是正態(tài)分布,其余指標均為右偏的非正態(tài)分布,即大部分數(shù)據(jù)處于低端狀態(tài)。經(jīng)對數(shù)轉換后再檢驗,則符合對數(shù)正態(tài)分布。

從數(shù)理統(tǒng)計學可知,對于服從正態(tài)分布的水質(zhì)因子,其平均值可用算術均值表示,置信范圍用 x±s表示;對于服從對數(shù)正態(tài)分布的水質(zhì)因子,其平均值應用幾何均值表示,置信范圍用 xgeo×/sgeo表示。因此我國高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)中p H均值為7.47,置信范圍為7.05～7.89,而 SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等濃度均值為126.95,357.33,158.54,26.87,4.85,4.82,5.97 mg/L,相應的置信范圍為 34.10～492.46,157.03～818.53,68.97～370.98,9.54～81.56,1.67～14.07,1.97～11.79和1.76～37.86 mg/L。

2 高速公路服務區(qū)污水的集對分析

大量研究表明,高速公路服務區(qū)污水與典型生活污水非常相似。在此根據(jù)集對分析理論,采用姚重華(2002)[19]對生活污水的分級成果(表2),判斷我國高速公路服務區(qū)污水處于哪種分類級別的生活污水。

表2 典型生活污水水質(zhì) mg/L

集對分析是在一定的問題背景下,對1個集對所具有的特性展開分析,從而找出2個集合所共有的特性、對立的特性以及既不共有也不對立的差異特性,并由此建立起這2個集合在所論問題下的同一度、差異度和對立度及其聯(lián)系度,以此確定隨機系統(tǒng)同、異、反定量分析的系統(tǒng)分析方法[20]。

將集對分析思想用于研究高速公路服務區(qū)污水,可視水質(zhì)濃度指標和其相應的典型生活污水水質(zhì)(表2)分別為2個集合,將這2個集合構成1個集對,若該指標處于評價級別中,則認為是同一;若處于相隔的評價級別中,則認為是對立;若指標在相鄰的評價級別中,則認為是異;取差異系數(shù) i在[-1,1]之間變化,越接近所要評價的級別,i越接近于1;越接近相隔的評價級別,i越接近于-1。評價中的核心是差異系數(shù)和聯(lián)系度的確定。

(1)聯(lián)系度的確定

確定準確的聯(lián)系度是決策可信的關鍵。集對分析有別于模糊隸屬度法,它是一種“寬域式”的函數(shù)結構,跨越區(qū)間大,能延伸至[-1,1],可以彌補模糊綜合評判法和灰色聚類法計算結果離散,無法進一步描述等級之間的過渡性和評價結果精度較粗的缺陷,而且集對分析法重視信息處理中的相對性、模糊性,可以保證綜合評價結果的可靠性。

具體的構造方法是:當水質(zhì)因子處于級別范圍時,則認為是同一,聯(lián)系度為1;若水質(zhì)因子處于相隔的級別中,則認為是對立,聯(lián)系度為-1;若水質(zhì)因子處于相鄰的級別中,其確定方法如下:

①水質(zhì)因子 i針對“極低濃度型”的聯(lián)系度:

②水質(zhì)因子i針對“低濃度型”的聯(lián)系度:

③水質(zhì)因子i針對“中等濃度型”的聯(lián)系度:

④水質(zhì)因子i針對“高濃度型”的聯(lián)系度:

⑤水質(zhì)因子i針對“超高濃度型”的聯(lián)系度:

式中,Si(0)——水質(zhì)因子的“極低濃度型”的下限,一般定為 0;Si(1),Si(2),Si(3),Si(4),Si(5)——分別是各水質(zhì)因子所屬類型的限值(mg/L);x——水質(zhì)因子的質(zhì)量濃度 (mg/L);μi(1),μi(2),μi(3),μi(4),μi(5)——分別是高速公路污水水質(zhì)因子對各類型生活污水的聯(lián)系度;

(2)生活污水類型的確定

根據(jù)式(3)～式(7)求得各指標的聯(lián)系度后,根據(jù)下式計算平均聯(lián)系度:

式中,μj——6種水質(zhì)因子對第 i類生活污水的平均聯(lián)系度。

若

1≤j≤m,p∈[1,2,…,m],則高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)評價結果判為 p類生活污水。

將上述諸公式用于分析聯(lián)系度,得到表3。

將高速公路污水SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽和動植物油等濃度均值126.95,357.33,158.54,26.87,4.85,4.82,5.97mg/L分別代入表3中的各項公式,并將計算結果列入表4。根據(jù)公式(8)與公式(9),可以確定我國高速公路服務區(qū)污水基本屬于低濃度生活污水。

表3 水質(zhì)集對分析中聯(lián)系度的計算公式

表4 高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)聯(lián)系度

從前面分析可知,高速公路服務區(qū)污水還含有SS,石油類等特征污染因子,因此篩選處理工藝時,應優(yōu)先采用沉淀、隔油等措施降低SS,石油類污染負荷,然后采用低濃度型生活污水處理工藝。

3 結論

我國高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)中除p H值呈正態(tài)分布外,SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等指標均呈現(xiàn)出右偏的非正態(tài)分布,符合對數(shù)正態(tài)分布。

我國高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)中p H平均值為7.47,置信范圍為 7.05～7.89,SS,COD,BOD5,NH3-N,磷酸鹽,石油類和動植物油等濃度均值為126.95,357.33,158.54,26.87,4.85,4.82,5.97 mg/L,相應的置信范圍為34.10～492.46,157.03～818.53,68.97～370.98,9.54～81.56,1.67～14.0,1.97～11.79和 1.76～37.86 mg/L。

集對分析表明,我國高速公路服務區(qū)污水水質(zhì)與典型的低濃度型生活污水水質(zhì)相似,但服務區(qū)污水還含有SS,石油類等特征污染因子,因此篩選處理工藝時,應優(yōu)先采用沉淀、隔油等措施降低SS,石油類污染負荷,然后采用低濃度型生活污水處理工藝。

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Set Pair Analysis on the Quality of Sewage from Highway Service Areas in China

YANG Zhi-min1,2,3,CHEN Yu-cheng1,2,3,HE Juan1,2,3,CHEN Qing-hua1,2,3

(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment,Ministry of Education,Chongqing 400715,China;
2.College of Environment and Resources,Southwest University,Chongqing 400716,China;3.Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment of Chongqing,Chongqing 400716,China)

X 703.1

A

1674-2842(2010)05-0006-05

2010-01-05

國家山區(qū)公路工程技術研究中心開放基金(20080003、20080004)

楊志敏(1973-),女,副教授,博士,研究方向為水污染治理。E-mail:yzm_sw u@sina.com