城市污水廠污泥產率季節變化與影響因素分析

王 磊

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

隨著我國污水處理設施建設的快速發展，污泥產生量日益增加，2016年我國城鎮污泥產量已達到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峻。污泥產量的科學計算是污泥源頭減量的基礎，也是污泥處理處置設施設計的依據，直接關系到污泥處理系統的建設規模、構筑物尺寸和設備選型，且影響污泥處理系統的運行管理。

污泥產量可根據經驗污泥產率(即萬噸污水產生絕干污泥量)和污水處理量進行計算。由于進水水質、運行參數的變化，即使同一污水處理廠在不同季節污泥產率也會產生波動。掌握污泥產率的變化規律對于污水處理廠的建設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施設計規模，避免出現處理能力過度不足或者閑置現象；另一方面可以科學制定污泥處理處置設施生產計劃，在污泥產量較低的月份進行生產線或者設備的維護檢修。因此，本研究對我國重點流域典型城鎮污水處理廠的污泥產量進行了調研，分析了污泥產率季節變化規律與可能的影響因素，以期為污泥處理設施的精確設計與科學運行提供參考。

1 研究方法

本研究調研時間跨度為2012年1月～2014年12月，調研范圍覆蓋太湖、巢湖、海河、遼河、滇池和三峽庫區及上游等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座城鎮污水處理廠(表1)，總設計污水處理能力為1 519萬m3/d，實際污水處理能力為1 264萬m3/d，污泥年產生量為313萬t(含水率為80%)，污水處理能力和污泥產量均達到全國總量的10%。污水水量、污水水質、污泥產量和污泥含水率等數據均來自所調研污水處理廠的運行日報表。

表1 污水處理廠分布

經驗污泥產率采用式(1)計算。

(1)

其中：Y—經驗污泥產率，t DS/萬m3；

M—脫水污泥產量，t/d；

ω—脫水污泥含水率，%；

Q—污水處理量，萬m3/d。

本研究對調研范圍內污水處理廠經驗污泥產率進行了統計分析，以常州市QT污水處理廠為對象，考察了經驗污泥產率與進水水質、環境溫度、運行參數等因素的相關性，分析了經驗污泥產率的季節性波動原因。其中，QT污水處理廠于2010年改造投運，設計處理能力為2萬m3/d，生物處理采用AAO工藝，出水執行GB 18918—2002一級A標準，服務范圍內排水體制為分流制，污水處理廠進水中生活污水比例為100%。

2 污泥產率變化規律

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

圖1 污泥產率季節變化Fig.1 Seasonal Variation of Sludge Yield

3 污泥產率影響因素

污泥是污水處理過程中伴隨產生的副產物，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。經驗污泥產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水水質(懸浮固體含量和有機物含量等)和生物處理系統運行條件(溫度、混合液懸浮固體含量和污泥齡等)。

(1)進水水質

污水處理過程中，大部分懸浮固體通過吸附或沉淀作用產生污泥，德國廢水工程協會推薦懸浮固體的污泥轉化率取值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]；進水中的有機物被微生物攝取后，約有1/3發生分解代謝轉化成二氧化碳和水，約有2/3發生合成代謝，產生剩余活性污泥[5]。因此，污泥產量受進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污水處理廠污泥產率與進水水質的關系進行分析發現，經驗污泥產率與進水懸浮固體(SS)濃度和五日生化需氧量(BOD5)呈現顯著的正相關性(圖2和圖3)。

常州QT污水處理廠是典型的進水以生活污水為主的污水處理廠，進水SS和BOD5均呈現出顯著的季節規律性(圖4)，冬春季進水SS和BOD5濃度較高，而夏秋季進水SS和BOD5較低，這可能是污泥產率呈季節性波動的主要原因。此外，研究還發現，該廠污水處理單元混凝劑投加量與進水SS呈正相關性(圖5)，進水SS較高時一般會投加更多混凝劑，產生更多的化學污泥，這進一步增大了污泥產率隨SS濃度的波動幅度。

圖2 污泥產率與進水SS相關性 圖3 污泥產率與進水BOD5相關性 Fig.2 Correlation between Sludge Yield and Influent SS Fig.3 Correlation between Sludge Yield and Influent BOD5

圖4 進水污染物含量季節波動Fig.4 Seasonal Fluctuation of Influent Pollutants Contents

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

(2)環境溫度

常州QT污水處理廠經驗污泥產率與水溫相關性如圖6所示。兩者呈負相關關系，水溫越高，則污泥產率越低，與劉占孟等[6]研究結論類似。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，譚學軍等[7]研究不同溫度下AAO工藝剩余污泥產率時發現，污泥合成產率系數受溫度影響不大，而污泥衰減系數隨溫度的升高而增大，導致污泥表觀產率系數隨溫度的升高而降低；另一方面，本研究探討溫度對污泥產率的影響規律時，未能排除水質波動的影響，通常在夏季由于降雨較多而導致污水有機物濃度較低，冬季反之，這也是導致經驗污泥產率呈現出與溫度負相關的潛在原因。

2012年1月～2014年12月QT污水處理廠污泥產率隨水溫季節波動規律如圖7所示，夏季溫度較高，污泥產率較低；冬季溫度較低，污泥產率則相對較高。我國大部分區域四季分明，溫度季節變化顯著，污泥產率伴隨溫度相應發生變化，這可能是污泥產率呈現出季節規律性的原因之一。

圖5 混凝劑投加量與進水SS相關性 圖6 污泥產率與水溫相關性相關性 Fig.5 Correlation between Coagulants Dosage and Influent SS Fig.6 Correlation between Sludge Yield and Water Temperature

圖7 污泥產率和水溫的季節變化規律Fig.7 Seasonal Variation Regularity of Sludge Yield and Water Temperature

(3)運行參數

本研究發現，QT污水處理廠經驗污泥產率與生化反應池混合液懸浮固體濃度(MLSS)呈正相關關系(圖8)，MLSS越高，污泥產率也相應越高。此外，該廠生化池MLSS呈季節性規律波動，污泥產率波動規律與MLSS相一致，且略微滯后于MLSS波動(圖9)，這表明污泥產率波動可能是被動的受MLSS變化影響。進一步分析原因發現，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池MLSS濃度，而夏季正好相反。一方面，MLSS越高微生物量越多，產生的污泥量越多，導致冬季污泥產率高而夏季污泥產率低；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，而經驗污泥產率的統計以排泥量為依據，因此春季污泥產率高而秋季污泥產率低，這可能是污泥產率季節波動的另一重要原因。

圖8 污泥產率與MLSS的相關性Fig.8 Correlation between Sludge Yield and MLSS

圖9 污泥產率和MLSS的季節變化規律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增加污泥齡以提高低溫條件硝化效果，張辰等[8]研究發現污泥產率與污泥齡呈負相關關系，剩余污泥表觀產率隨泥齡的延長而減小，其中合成產率系數與泥齡關系不大，而衰減系數隨污泥齡的延長而增大。本研究中，冬季經驗污泥產率反而更高，這可能是因為污泥產率受進水水質、環境溫度、生化反應池活性污泥濃度等因素綜合作用，污泥齡對污泥產率的影響與其他因素相比較弱的緣故。

4 結論

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

(2)經驗污泥產率與進水有機物含量和懸浮固體濃度呈顯著正相關性，冬春季進水SS和BOD5濃度較高，而夏秋季進水SS和BOD5濃度較低，這可能是污泥產率呈現季節性波動的主要原因。

(3)經驗污泥產率與水溫呈負相關性，我國大部分區域溫度季節變化顯著，污泥產率隨水溫變化相應產生波動，這可能是污泥產率呈現季節規律性的原因之一。

(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池MLSS濃度，微生物量越多產生的污泥量相應越多，這可能是冬季污泥產率較高的另一原因。

[1]張辰，王逸賢，譚學軍，等.城鎮污水處理廠污泥處理穩定標準研究[J].給水排水,2017,43(9): 137-140.

[2]于麗昕，王洪臣.關于活性污泥工藝中剩余污泥量計算的討論[J].給水排水,2003,29(8): 23-26.

[3]陳曉光，王碩，聶新宇，等.城市污水處理廠污泥產率計算公式探討[J].中國給水排水,2015,31(18): 68-72.

[4]室外排水設計規范: GB 50014—2016[S].

[5]高廷耀，顧國維，周琪.水污染控制工程(下冊)[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6]劉占孟，徐宇峰，李思敏.溫度對活性污泥產率的影響研究[J].中國給水排水,2015,31(19): 84-88.

[7]譚學軍，田兆運，張辰，等.城市污水A2/O處理工藝剩余污泥產率研究[J].給水排水,2012,38(7): 43-46.

[8]張辰，譚學軍，田兆運，等.上海市白龍港污水處理廠剩余污泥產率中試[J].中國給水排水,2013,29(21): 118-121.