城市污水廠污泥產(chǎn)率季節(jié)變化與影響因素分析

王 磊

(上海市政工程設(shè)計研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

隨著我國污水處理設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，污泥產(chǎn)生量日益增加，2016年我國城鎮(zhèn)污泥產(chǎn)量已達(dá)到4 300萬t(以含水率80%計)[1]，污泥處理處置所面臨的問題越來越嚴(yán)峻。污泥產(chǎn)量的科學(xué)計算是污泥源頭減量的基礎(chǔ)，也是污泥處理處置設(shè)施設(shè)計的依據(jù)，直接關(guān)系到污泥處理系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模、構(gòu)筑物尺寸和設(shè)備選型，且影響污泥處理系統(tǒng)的運行管理。

污泥產(chǎn)量可根據(jù)經(jīng)驗污泥產(chǎn)率(即萬噸污水產(chǎn)生絕干污泥量)和污水處理量進(jìn)行計算。由于進(jìn)水水質(zhì)、運行參數(shù)的變化，即使同一污水處理廠在不同季節(jié)污泥產(chǎn)率也會產(chǎn)生波動。掌握污泥產(chǎn)率的變化規(guī)律對于污水處理廠的建設(shè)和運行具有重要的意義：一方面可以合理確定污泥處理處置設(shè)施設(shè)計規(guī)模，避免出現(xiàn)處理能力過度不足或者閑置現(xiàn)象；另一方面可以科學(xué)制定污泥處理處置設(shè)施生產(chǎn)計劃，在污泥產(chǎn)量較低的月份進(jìn)行生產(chǎn)線或者設(shè)備的維護(hù)檢修。因此，本研究對我國重點流域典型城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥產(chǎn)量進(jìn)行了調(diào)研，分析了污泥產(chǎn)率季節(jié)變化規(guī)律與可能的影響因素，以期為污泥處理設(shè)施的精確設(shè)計與科學(xué)運行提供參考。

1 研究方法

本研究調(diào)研時間跨度為2012年1月～2014年12月，調(diào)研范圍覆蓋太湖、巢湖、海河、遼河、滇池和三峽庫區(qū)及上游等6大流域，包括上海、常州、嘉興、太倉、無錫、合肥、天津、唐山、赤峰、昆明、重慶等11座城市的106座城鎮(zhèn)污水處理廠(表1)，總設(shè)計污水處理能力為1 519萬m3/d，實際污水處理能力為1 264萬m3/d，污泥年產(chǎn)生量為313萬t(含水率為80%)，污水處理能力和污泥產(chǎn)量均達(dá)到全國總量的10%。污水水量、污水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量和污泥含水率等數(shù)據(jù)均來自所調(diào)研污水處理廠的運行日報表。

表1 污水處理廠分布

經(jīng)驗污泥產(chǎn)率采用式(1)計算。

(1)

其中：Y—經(jīng)驗污泥產(chǎn)率，t DS/萬m3；

M—脫水污泥產(chǎn)量，t/d；

ω—脫水污泥含水率，%；

Q—污水處理量，萬m3/d。

本研究對調(diào)研范圍內(nèi)污水處理廠經(jīng)驗污泥產(chǎn)率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，以常州市QT污水處理廠為對象，考察了經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與進(jìn)水水質(zhì)、環(huán)境溫度、運行參數(shù)等因素的相關(guān)性，分析了經(jīng)驗污泥產(chǎn)率的季節(jié)性波動原因。其中，QT污水處理廠于2010年改造投運，設(shè)計處理能力為2萬m3/d，生物處理采用AAO工藝，出水執(zhí)行GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)范圍內(nèi)排水體制為分流制，污水處理廠進(jìn)水中生活污水比例為100%。

2 污泥產(chǎn)率變化規(guī)律

調(diào)研范圍內(nèi)106座污水處理廠經(jīng)驗污泥產(chǎn)率平均值為1.62 t DS/(萬m3)，其中80%置信區(qū)間內(nèi)污泥產(chǎn)率為0.91～2.41 t DS/(萬m3)，平均值為1.57 t DS/(萬m3)。不同月份污泥產(chǎn)率波動較大，最大月與最小月污泥產(chǎn)率比值的平均值為2.92，其中80%置信區(qū)間內(nèi)最大月與最小月污泥產(chǎn)率的比值為1.57～4.71，平均值為2.54。大部分進(jìn)水以生活污水為主的污水處理廠，污泥產(chǎn)率均呈現(xiàn)出了顯著的季節(jié)規(guī)律性，冬季(12月～2月)和春季(3月～5月)污泥產(chǎn)率較高，夏季(6月～8月)和秋季(9月～11月)污泥產(chǎn)率相對較低(圖1)。其中，春季污泥產(chǎn)率最高，平均值約為1.79 t DS/(萬m3)；秋季污泥產(chǎn)率最低，平均值約為1.52 t DS/(萬m3)，春季污泥產(chǎn)率比秋季高出了20%。

圖1 污泥產(chǎn)率季節(jié)變化Fig.1 Seasonal Variation of Sludge Yield

3 污泥產(chǎn)率影響因素

污泥是污水處理過程中伴隨產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要來自于兩方面：①污水中懸浮固體的吸附沉淀作用；②微生物降解有機物過程中自身的增殖作用。經(jīng)驗污泥產(chǎn)率受多種因素綜合影響，其中最主要的影響因素為污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)(懸浮固體含量和有機物含量等)和生物處理系統(tǒng)運行條件(溫度、混合液懸浮固體含量和污泥齡等)。

(1)進(jìn)水水質(zhì)

污水處理過程中，大部分懸浮固體通過吸附或沉淀作用產(chǎn)生污泥，德國廢水工程協(xié)會推薦懸浮固體的污泥轉(zhuǎn)化率取值0.6[2]，日本推薦取值0.9～1.0[3]，而我國推薦取值0.5～0.7[4]；進(jìn)水中的有機物被微生物攝取后，約有1/3發(fā)生分解代謝轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，約有2/3發(fā)生合成代謝，產(chǎn)生剩余活性污泥[5]。因此，污泥產(chǎn)量受進(jìn)水懸浮固體和有機物含量影響較大。本研究對2012年1月～2014年12月常州QT污水處理廠污泥產(chǎn)率與進(jìn)水水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與進(jìn)水懸浮固體(SS)濃度和五日生化需氧量(BOD5)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性(圖2和圖3)。

常州QT污水處理廠是典型的進(jìn)水以生活污水為主的污水處理廠，進(jìn)水SS和BOD5均呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)規(guī)律性(圖4)，冬春季進(jìn)水SS和BOD5濃度較高，而夏秋季進(jìn)水SS和BOD5較低，這可能是污泥產(chǎn)率呈季節(jié)性波動的主要原因。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，該廠污水處理單元混凝劑投加量與進(jìn)水SS呈正相關(guān)性(圖5)，進(jìn)水SS較高時一般會投加更多混凝劑，產(chǎn)生更多的化學(xué)污泥，這進(jìn)一步增大了污泥產(chǎn)率隨SS濃度的波動幅度。

圖2 污泥產(chǎn)率與進(jìn)水SS相關(guān)性 圖3 污泥產(chǎn)率與進(jìn)水BOD5相關(guān)性 Fig.2 Correlation between Sludge Yield and Influent SS Fig.3 Correlation between Sludge Yield and Influent BOD5

圖4 進(jìn)水污染物含量季節(jié)波動Fig.4 Seasonal Fluctuation of Influent Pollutants Contents

2014年調(diào)研范圍中的106座污水處理廠進(jìn)水COD濃度平均值為333 mg/L， BOD5濃度平均值為137 mg/L，進(jìn)水有機物濃度整體不高；進(jìn)水SS濃度平均值為213 mg/L，其中10%的污水處理廠月均進(jìn)水SS濃度高達(dá)368～546 mg/L，導(dǎo)致污泥產(chǎn)率明顯上升。因此，控制進(jìn)入合流制管網(wǎng)的懸浮固體含量、強化污水處理廠預(yù)處理階段泥沙分離效果，對于污泥源頭減量具有重要意義，在工程設(shè)計、建設(shè)和運行管理中應(yīng)予以高度重視。

(2)環(huán)境溫度

常州QT污水處理廠經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與水溫相關(guān)性如圖6所示。兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水溫越高，則污泥產(chǎn)率越低，與劉占孟等[6]研究結(jié)論類似。其原因可能有兩個方面：一方面，溫度會影響微生物的同化作用和異化作用，譚學(xué)軍等[7]研究不同溫度下AAO工藝剩余污泥產(chǎn)率時發(fā)現(xiàn)，污泥合成產(chǎn)率系數(shù)受溫度影響不大，而污泥衰減系數(shù)隨溫度的升高而增大，導(dǎo)致污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)隨溫度的升高而降低；另一方面，本研究探討溫度對污泥產(chǎn)率的影響規(guī)律時，未能排除水質(zhì)波動的影響，通常在夏季由于降雨較多而導(dǎo)致污水有機物濃度較低，冬季反之，這也是導(dǎo)致經(jīng)驗污泥產(chǎn)率呈現(xiàn)出與溫度負(fù)相關(guān)的潛在原因。

2012年1月～2014年12月QT污水處理廠污泥產(chǎn)率隨水溫季節(jié)波動規(guī)律如圖7所示，夏季溫度較高，污泥產(chǎn)率較低；冬季溫度較低，污泥產(chǎn)率則相對較高。我國大部分區(qū)域四季分明，溫度季節(jié)變化顯著，污泥產(chǎn)率伴隨溫度相應(yīng)發(fā)生變化，這可能是污泥產(chǎn)率呈現(xiàn)出季節(jié)規(guī)律性的原因之一。

圖5 混凝劑投加量與進(jìn)水SS相關(guān)性 圖6 污泥產(chǎn)率與水溫相關(guān)性相關(guān)性 Fig.5 Correlation between Coagulants Dosage and Influent SS Fig.6 Correlation between Sludge Yield and Water Temperature

圖7 污泥產(chǎn)率和水溫的季節(jié)變化規(guī)律Fig.7 Seasonal Variation Regularity of Sludge Yield and Water Temperature

(3)運行參數(shù)

本研究發(fā)現(xiàn)，QT污水處理廠經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與生化反應(yīng)池混合液懸浮固體濃度(MLSS)呈正相關(guān)關(guān)系(圖8)，MLSS越高，污泥產(chǎn)率也相應(yīng)越高。此外，該廠生化池MLSS呈季節(jié)性規(guī)律波動，污泥產(chǎn)率波動規(guī)律與MLSS相一致，且略微滯后于MLSS波動(圖9)，這表明污泥產(chǎn)率波動可能是被動的受MLSS變化影響。進(jìn)一步分析原因發(fā)現(xiàn)，冬季水溫較低，硝化菌代謝活性較差，為了保證硝化效果，污水處理廠通常會在冬季提高生化反應(yīng)池MLSS濃度，而夏季正好相反。一方面，MLSS越高微生物量越多，產(chǎn)生的污泥量越多，導(dǎo)致冬季污泥產(chǎn)率高而夏季污泥產(chǎn)率低；另一方面，污水處理廠一般會在秋季逐漸減少排泥量以提高冬季生化池MLSS濃度，在春季逐漸增加排泥量以減少夏季生化池MLSS濃度，而經(jīng)驗污泥產(chǎn)率的統(tǒng)計以排泥量為依據(jù)，因此春季污泥產(chǎn)率高而秋季污泥產(chǎn)率低，這可能是污泥產(chǎn)率季節(jié)波動的另一重要原因。

圖8 污泥產(chǎn)率與MLSS的相關(guān)性Fig.8 Correlation between Sludge Yield and MLSS

圖9 污泥產(chǎn)率和MLSS的季節(jié)變化規(guī)律Fig.9 Seasonal Variation Regularity of Sludge Yield and MLSS

值得注意的是，污水處理廠還會在冬季適當(dāng)增加污泥齡以提高低溫條件硝化效果，張辰等[8]研究發(fā)現(xiàn)污泥產(chǎn)率與污泥齡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，剩余污泥表觀產(chǎn)率隨泥齡的延長而減小，其中合成產(chǎn)率系數(shù)與泥齡關(guān)系不大，而衰減系數(shù)隨污泥齡的延長而增大。本研究中，冬季經(jīng)驗污泥產(chǎn)率反而更高，這可能是因為污泥產(chǎn)率受進(jìn)水水質(zhì)、環(huán)境溫度、生化反應(yīng)池活性污泥濃度等因素綜合作用，污泥齡對污泥產(chǎn)率的影響與其他因素相比較弱的緣故。

4 結(jié)論

(1)重點流域污水處理廠經(jīng)驗污泥產(chǎn)率平均值為1.62 t DS/萬m3，不同月份污泥產(chǎn)率波動較大，最大月與最小月污泥產(chǎn)率比值的平均值為2.92，冬春季污泥產(chǎn)率較高，夏秋季污泥產(chǎn)率相對較低。

(2)經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與進(jìn)水有機物含量和懸浮固體濃度呈顯著正相關(guān)性，冬春季進(jìn)水SS和BOD5濃度較高，而夏秋季進(jìn)水SS和BOD5濃度較低，這可能是污泥產(chǎn)率呈現(xiàn)季節(jié)性波動的主要原因。

(3)經(jīng)驗污泥產(chǎn)率與水溫呈負(fù)相關(guān)性，我國大部分區(qū)域溫度季節(jié)變化顯著，污泥產(chǎn)率隨水溫變化相應(yīng)產(chǎn)生波動，這可能是污泥產(chǎn)率呈現(xiàn)季節(jié)規(guī)律性的原因之一。

(4)為保證低溫硝化效果，污水處理廠通常會在冬季提高生化反應(yīng)池MLSS濃度，微生物量越多產(chǎn)生的污泥量相應(yīng)越多，這可能是冬季污泥產(chǎn)率較高的另一原因。

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