城市污水厂污泥产率季节变化与影响因素分析

2018-07-09王磊

净水技术 2018年6期

王磊

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

随着我国污水处理设施建设的快速发展，污泥产生量日益增加，2016年我国城镇污泥产量已达到4 300万t(以含水率80%计)[1]，污泥处理处置所面临的问题越来越严峻。污泥产量的科学计算是污泥源头减量的基础，也是污泥处理处置设施设计的依据，直接关系到污泥处理系统的建设规模、构筑物尺寸和设备选型，且影响污泥处理系统的运行管理。

污泥产量可根据经验污泥产率(即万吨污水产生绝干污泥量)和污水处理量进行计算。由于进水水质、运行参数的变化，即使同一污水处理厂在不同季节污泥产率也会产生波动。掌握污泥产率的变化规律对于污水处理厂的建设和运行具有重要的意义：一方面可以合理确定污泥处理处置设施设计规模，避免出现处理能力过度不足或者闲置现象；另一方面可以科学制定污泥处理处置设施生产计划，在污泥产量较低的月份进行生产线或者设备的维护检修。因此，本研究对我国重点流域典型城镇污水处理厂的污泥产量进行了调研，分析了污泥产率季节变化规律与可能的影响因素，以期为污泥处理设施的精确设计与科学运行提供参考。

1 研究方法

本研究调研时间跨度为2012年1月～2014年12月，调研范围覆盖太湖、巢湖、海河、辽河、滇池和三峡库区及上游等6大流域，包括上海、常州、嘉兴、太仓、无锡、合肥、天津、唐山、赤峰、昆明、重庆等11座城市的106座城镇污水处理厂(表1)，总设计污水处理能力为1 519万m3/d，实际污水处理能力为1 264万m3/d，污泥年产生量为313万t(含水率为80%)，污水处理能力和污泥产量均达到全国总量的10%。污水水量、污水水质、污泥产量和污泥含水率等数据均来自所调研污水处理厂的运行日报表。

表1 污水处理厂分布

经验污泥产率采用式(1)计算。

(1)

其中：Y—经验污泥产率，t DS/万m3；

M—脱水污泥产量，t/d；

ω—脱水污泥含水率，%；

Q—污水处理量，万m3/d。

本研究对调研范围内污水处理厂经验污泥产率进行了统计分析，以常州市QT污水处理厂为对象，考察了经验污泥产率与进水水质、环境温度、运行参数等因素的相关性，分析了经验污泥产率的季节性波动原因。其中，QT污水处理厂于2010年改造投运，设计处理能力为2万m3/d，生物处理采用AAO工艺，出水执行GB 18918—2002一级A标准，服务范围内排水体制为分流制，污水处理厂进水中生活污水比例为100%。

2 污泥产率变化规律

调研范围内106座污水处理厂经验污泥产率平均值为1.62 t DS/(万m3)，其中80%置信区间内污泥产率为0.91～2.41 t DS/(万m3)，平均值为1.57 t DS/(万m3)。不同月份污泥产率波动较大，最大月与最小月污泥产率比值的平均值为2.92，其中80%置信区间内最大月与最小月污泥产率的比值为1.57～4.71，平均值为2.54。大部分进水以生活污水为主的污水处理厂，污泥产率均呈现出了显著的季节规律性，冬季(12月～2月)和春季(3月～5月)污泥产率较高，夏季(6月～8月)和秋季(9月～11月)污泥产率相对较低(图1)。其中，春季污泥产率最高，平均值约为1.79 t DS/(万m3)；秋季污泥产率最低，平均值约为1.52 t DS/(万m3)，春季污泥产率比秋季高出了20%。

图1 污泥产率季节变化Fig.1 Seasonal Variation of Sludge Yield

3 污泥产率影响因素

污泥是污水处理过程中伴随产生的副产物，主要来自于两方面：①污水中悬浮固体的吸附沉淀作用；②微生物降解有机物过程中自身的增殖作用。经验污泥产率受多种因素综合影响，其中最主要的影响因素为污水处理厂进水水质(悬浮固体含量和有机物含量等)和生物处理系统运行条件(温度、混合液悬浮固体含量和污泥龄等)。

(1)进水水质

污水处理过程中，大部分悬浮固体通过吸附或沉淀作用产生污泥，德国废水工程协会推荐悬浮固体的污泥转化率取值0.6[2]，日本推荐取值0.9～1.0[3]，而我国推荐取值0.5～0.7[4]；进水中的有机物被微生物摄取后，约有1/3发生分解代谢转化成二氧化碳和水，约有2/3发生合成代谢，产生剩余活性污泥[5]。因此，污泥产量受进水悬浮固体和有机物含量影响较大。本研究对2012年1月～2014年12月常州QT污水处理厂污泥产率与进水水质的关系进行分析发现，经验污泥产率与进水悬浮固体(SS)浓度和五日生化需氧量(BOD5)呈现显著的正相关性(图2和图3)。

常州QT污水处理厂是典型的进水以生活污水为主的污水处理厂，进水SS和BOD5均呈现出显著的季节规律性(图4)，冬春季进水SS和BOD5浓度较高，而夏秋季进水SS和BOD5较低，这可能是污泥产率呈季节性波动的主要原因。此外，研究还发现，该厂污水处理单元混凝剂投加量与进水SS呈正相关性(图5)，进水SS较高时一般会投加更多混凝剂，产生更多的化学污泥，这进一步增大了污泥产率随SS浓度的波动幅度。

图2 污泥产率与进水SS相关性图3 污泥产率与进水BOD5相关性 Fig.2 Correlation between Sludge Yield and Influent SS Fig.3 Correlation between Sludge Yield and Influent BOD5

图4 进水污染物含量季节波动Fig.4 Seasonal Fluctuation of Influent Pollutants Contents

2014年调研范围中的106座污水处理厂进水COD浓度平均值为333 mg/L， BOD5浓度平均值为137 mg/L，进水有机物浓度整体不高；进水SS浓度平均值为213 mg/L，其中10%的污水处理厂月均进水SS浓度高达368～546 mg/L，导致污泥产率明显上升。因此，控制进入合流制管网的悬浮固体含量、强化污水处理厂预处理阶段泥沙分离效果，对于污泥源头减量具有重要意义，在工程设计、建设和运行管理中应予以高度重视。

(2)环境温度

常州QT污水处理厂经验污泥产率与水温相关性如图6所示。两者呈负相关关系，水温越高，则污泥产率越低，与刘占孟等[6]研究结论类似。其原因可能有两个方面：一方面，温度会影响微生物的同化作用和异化作用，谭学军等[7]研究不同温度下AAO工艺剩余污泥产率时发现，污泥合成产率系数受温度影响不大，而污泥衰减系数随温度的升高而增大，导致污泥表观产率系数随温度的升高而降低；另一方面，本研究探讨温度对污泥产率的影响规律时，未能排除水质波动的影响，通常在夏季由于降雨较多而导致污水有机物浓度较低，冬季反之，这也是导致经验污泥产率呈现出与温度负相关的潜在原因。

2012年1月～2014年12月QT污水处理厂污泥产率随水温季节波动规律如图7所示，夏季温度较高，污泥产率较低；冬季温度较低，污泥产率则相对较高。我国大部分区域四季分明，温度季节变化显著，污泥产率伴随温度相应发生变化，这可能是污泥产率呈现出季节规律性的原因之一。

图5 混凝剂投加量与进水SS相关性图6 污泥产率与水温相关性相关性 Fig.5 Correlation between Coagulants Dosage and Influent SS Fig.6 Correlation between Sludge Yield and Water Temperature

图7 污泥产率和水温的季节变化规律Fig.7 Seasonal Variation Regularity of Sludge Yield and Water Temperature

(3)运行参数

本研究发现，QT污水处理厂经验污泥产率与生化反应池混合液悬浮固体浓度(MLSS)呈正相关关系(图8)，MLSS越高，污泥产率也相应越高。此外，该厂生化池MLSS呈季节性规律波动，污泥产率波动规律与MLSS相一致，且略微滞后于MLSS波动(图9)，这表明污泥产率波动可能是被动的受MLSS变化影响。进一步分析原因发现，冬季水温较低，硝化菌代谢活性较差，为了保证硝化效果，污水处理厂通常会在冬季提高生化反应池MLSS浓度，而夏季正好相反。一方面，MLSS越高微生物量越多，产生的污泥量越多，导致冬季污泥产率高而夏季污泥产率低；另一方面，污水处理厂一般会在秋季逐渐减少排泥量以提高冬季生化池MLSS浓度，在春季逐渐增加排泥量以减少夏季生化池MLSS浓度，而经验污泥产率的统计以排泥量为依据，因此春季污泥产率高而秋季污泥产率低，这可能是污泥产率季节波动的另一重要原因。

图8 污泥产率与MLSS的相关性Fig.8 Correlation between Sludge Yield and MLSS

图9 污泥产率和MLSS的季节变化规律Fig.9 Seasonal Variation Regularity of Sludge Yield and MLSS

值得注意的是，污水处理厂还会在冬季适当增加污泥龄以提高低温条件硝化效果，张辰等[8]研究发现污泥产率与污泥龄呈负相关关系，剩余污泥表观产率随泥龄的延长而减小，其中合成产率系数与泥龄关系不大，而衰减系数随污泥龄的延长而增大。本研究中，冬季经验污泥产率反而更高，这可能是因为污泥产率受进水水质、环境温度、生化反应池活性污泥浓度等因素综合作用，污泥龄对污泥产率的影响与其他因素相比较弱的缘故。