污水處理廠不同工藝的污泥脫水效能分析及其影響因素研究
技術(shù)支持
污泥脫水是污泥減量的主要手段，其減量效果不但影響污泥運(yùn)輸貯存，脫水后污泥含水率也影響污泥后續(xù)處理處置。目前污水處理廠污泥機(jī)械脫水后含水率在80%左右，仍不能滿足污泥后續(xù)填埋、焚燒、堆肥等處置要求。
已有研究表明，污泥脫水性能與污泥泥質(zhì)有密切聯(lián)系，因此不同污水處理工藝及運(yùn)行條件下污泥泥質(zhì)差異，會影響道污泥的脫水性能。通常，污水處理廠污泥脫水所需的絮凝劑投配率為3‰～8‰，但由于污泥泥質(zhì)的波動，為保障穩(wěn)定的污泥脫水效能，需要相應(yīng)地調(diào)整絮凝劑的投配率。然而，目前污水處理廠絮凝劑投配率的調(diào)整仍然是依據(jù)現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗判斷，通常冬季污泥較難脫水，則相應(yīng)地提高絮凝劑的投配率。這種調(diào)整絮凝劑投配率的經(jīng)驗?zāi)Ｊ饺狈茖W(xué)的投加策略，不能高效利用絮凝劑。因此，亟需通過調(diào)研和實驗研究，明確不同污水處理工藝及其運(yùn)行條件下，污泥脫水效能以及絮凝劑投配率的變化特征，從而優(yōu)化污泥脫水工藝，但這方面的工作目前仍鮮有報道。
因此，本文以北京市某大型污水處理廠的A2/O工藝和A2/O-MBR工藝污泥脫水過程為研究對象，分析不同污水處理工藝全年的污泥產(chǎn)量、污泥有機(jī)質(zhì)、污泥脫水的絮凝劑消耗量、污泥脫水效果等變化特征，并采用統(tǒng)計學(xué)方法，分析不同污水處理工藝的污泥泥質(zhì)、脫水效能及其影響因素，以期為今后實現(xiàn)污水處理廠污泥脫水的優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
本研究采用的A2/O和A2/O-MBR工藝全年運(yùn)行基本參數(shù)、污泥產(chǎn)量、污泥有機(jī)質(zhì)、離心脫水絮凝劑消耗量、脫水效果等數(shù)據(jù)來自于北京市某大型污水處理廠提供的2013年運(yùn)行數(shù)據(jù)。
1.2 工藝簡介
該污水處理廠一期、二期均采用A2/O生物處理工藝，其中一期為倒置A2/O工藝，設(shè)計總處理水量為40萬m3/d。一期、二期二沉池污泥同一離心機(jī)械脫水，采用德國產(chǎn)Westfalia離心式濃縮脫水一體機(jī)（型號UCA755-00-12），絮凝劑為巴斯夫8165（BASF 8165），陽離子度為60%。三期A2/O-MBR工藝于2012年4月20日開始試運(yùn)行，設(shè)計處理能力為15萬m3/d，單獨(dú)采用奧地利ANDRITZ離心脫水機(jī)（型號D6LXC 30 C HP）進(jìn)行污泥脫水，絮凝劑為巴斯夫8165（BASF 8165）。
污水處理廠實際運(yùn)行中，一期、二期脫水機(jī)房離心機(jī)6用4備，三期脫水機(jī)房離心機(jī)4用2備，保證離心機(jī)輪流維修同時，整體脫水效率不受影響，并且2013年，該廠脫水機(jī)房并未進(jìn)行長時間藥劑實驗。因此，本研究所分析數(shù)據(jù)基本不存在停機(jī)維護(hù)、調(diào)試運(yùn)行所產(chǎn)生的非正常影響。
1.3 數(shù)據(jù)分析
冗余分析（RDA）是一種直接梯度分析方法，能從統(tǒng)計學(xué)角度評價一個或一組變量與另一組變量之間的關(guān)系。本研究RDA分析將脫水污泥特性（含水率、有機(jī)質(zhì)、泥餅產(chǎn)量）及絮凝劑投配率作為響應(yīng)變量（共4個），解釋變量包括處理水量、水溫、進(jìn)水SS、進(jìn)水COD、污泥負(fù)荷、污泥齡、曝氣池（膜池）污泥MLSS、污泥SVI共8個變量。均值、方差、變異系數(shù)等描述性統(tǒng)計分析采用SPSS18.0計算，RDA分析和作圖采用Canoco5.0。
2 結(jié)果與討論
2.1 污泥脫水效果
A2/O工藝和A2/O-MBR工藝的脫水效果均呈季節(jié)性變化特征，6～9月，污泥比秋末、冬季、初春更容易脫水。該時段北京處于汛期，具有降雨量偏多，同時水溫較高的季節(jié)性特征，這可能影響了污泥的泥質(zhì)和脫水性能。A2/O工藝和A2/O-MBR工藝的脫水污泥含水率年均值分別為（82.56±1.35）%和（81.92±1.64）%，而在1～5月，兩種污水處理工藝的脫水污泥含水率都超過了83%。
通過SPSS18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，計算得到不同季節(jié)和全年脫水污泥含水率的方差和變異系數(shù)，可以定量地描述不同污水處理工藝不同季節(jié)污泥脫水效果的波動情況。A2/O-MBR工藝的污泥脫水效果在不同季節(jié)間波動較為明顯。兩種污水處理工藝的污泥都在夏季更容易脫水，脫水污泥含水率基本接近80%，而冬季、初春時節(jié)，脫水污泥的含水率明顯增高，達(dá)到（83.49±1.49）%。這說明不同污水處理工藝污泥脫水性能都受到季節(jié)性影響更為顯著。生物處理過程產(chǎn)生的污泥脫水性能受季節(jié)性變化影響，已有相關(guān)的研究報道。Wang等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，溫度季節(jié)變化對MBR污泥脫水性能的影響顯著，低溫下污泥CST的增大表明其脫水性能的嚴(yán)重惡化。此外，Al-Halbouni等對德國一座處理能力為80000人口當(dāng)量的污水處理廠調(diào)查也得到類似結(jié)果，冬季污水處理廠污泥過濾性能較夏季更差。
2.2 絮凝劑消耗
由于污泥脫水性能的季節(jié)性變化，為保證脫水效果，污水處理廠污泥脫水絮凝劑的消耗也表現(xiàn)相應(yīng)的季節(jié)性特征。與脫水污泥含水率的變化情況類似，冬季污泥脫水絮凝劑的消耗量較高，而夏季污泥脫水絮凝劑的消耗量相對較少。
全年A2/O和A2/O-MBR工藝中污泥脫水絮凝劑的平均投配率（以DS計，下同）分別為（7.42±2.96）kg/t和（8.70±7.25）kg/t。A2/O工藝脫水污泥絮凝劑的投配率波動相對較小，而A2/O-MBR工藝脫水污泥絮凝劑的投配率波動大，特別在冬季，絮凝劑的投配率不但高，波動也更為明顯，在10～12月末，絮凝劑投配率的方差和變異系數(shù)分別達(dá)到38.08、0.594。根據(jù)水廠2013年運(yùn)營報告，MBR脫水機(jī)泥餅產(chǎn)量波動很大，其中，在11月底進(jìn)行了配電室停電清掃，脫水機(jī)停機(jī)，使得近幾天的產(chǎn)泥量較低。此外，8、9、10、12月中下旬出現(xiàn)幾次泥餅產(chǎn)量驟增的情況，固體負(fù)荷是影響污泥離心脫水機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。因此，這可能是導(dǎo)致MBR脫水機(jī)藥劑量在秋末冬初波動大的原因。在數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定的夏季和秋初，兩種工藝下污泥脫水絮凝劑消耗差別不大。但是，孫寶盛等在實驗室對比研究了MBR工藝和傳統(tǒng)活性污泥法污泥過濾阻力差異，結(jié)果表明，MBR工藝污泥混合液的過濾阻力達(dá)到了傳統(tǒng)活性污泥法過濾阻力的2～3倍。
2.3 能耗分析
污泥脫水過程能耗主要是離心脫水機(jī)用電消耗，兩種污水處理工藝離心脫水機(jī)全年用電消耗并未表現(xiàn)出季節(jié)性變化特征。兩種工藝的污泥脫水電耗描述性統(tǒng)計分析結(jié)果表明，A2/O-MBR工藝污泥離心脫水單位電耗的方差和變異系數(shù)分別為27765.21、0.502，A2/O工藝為1671.91、0.336。A2/O-MBR工藝污泥脫水所用離心機(jī)耗電比較嚴(yán)重，并且在冬季波動更為明顯。如前所述，冬季MBR脫水機(jī)泥餅產(chǎn)量的波動可能是導(dǎo)致藥劑消耗、電耗波動的原因。
A2/O-MBR工藝全年污泥離心脫水單位電耗在全年不同階段電耗均較高。這可能與不同離心機(jī)本身運(yùn)行方式不同有關(guān)，A2/O-MBR工藝離心脫水機(jī)扭矩設(shè)定在30%左右，根據(jù)設(shè)定扭矩，離心機(jī)差速自動調(diào)節(jié)，二者無線性關(guān)系，通過設(shè)定上限為11r/min，來避免離心機(jī)扭矩過大。而一二期A2/O工藝所用離心機(jī)，扭矩控制在22%以上，差速在2.3r/min左右?？梢?，兩種離心機(jī)的運(yùn)行扭矩、差速明顯不同。
為進(jìn)一步分析污水處理廠污泥脫水成本，采用單位干重污泥脫水絮凝劑成本和脫水機(jī)用電成本進(jìn)行分析，其中按照絮凝劑（以干粉計）價格23.5元/kg，用電價格0.698元/kW·h計算。A2/O工藝的污泥脫水絮凝劑成本（以DS計，下同）為175.00元/t，用電成本為84.86元/t；A2/O-MBR工藝的污泥脫水絮凝劑成本為204.76元/t，用電成本為231.61元/t。A2/O-MBR工藝污泥脫水的絮凝劑成本和脫水機(jī)電耗成本相對較高。
2.4 污泥脫水性能影響因素分析
污泥脫水性能與其泥質(zhì)特征有密切聯(lián)系，而污泥泥質(zhì)的變化與進(jìn)水水質(zhì)、污水處理過程相關(guān)。通過冗余分析（RDA）可以幫助揭示進(jìn)水水量、水質(zhì)、污泥負(fù)荷、污泥齡等水質(zhì)參數(shù)和工藝運(yùn)行條件對污泥泥質(zhì)特征和脫水性能的影響。
顯著性檢驗表明各解釋變量是否對污泥泥質(zhì)、脫水性能產(chǎn)生密切相關(guān)，重要性檢驗體現(xiàn)該變量對污泥泥質(zhì)、脫水性能影響大小。RDA分析結(jié)果表明，水溫、污泥SVI、曝氣池/膜池MLSS、進(jìn)水COD、進(jìn)水SS在不同污水處理工藝中都具有99%置信度，對污泥泥質(zhì)、脫水性能密切相關(guān)；污泥齡只在A2/O工藝中具有顯著性，而處理水量只在A2/O-MBR工藝中顯著相關(guān)；污泥負(fù)荷在所有工藝中都不具有顯著性。就重要性而言，A2/O工藝中水溫、處理水量、污泥負(fù)荷的重要性較低，而A2/O-MBR工藝中污泥負(fù)荷、污泥齡重要性較低。
綜合考慮，將污泥負(fù)荷變量剔除后再次作RDA分析。RDA物種變量間相關(guān)關(guān)系表明，A2/O-MBR工藝和A2/O工藝的脫水污泥含水率、污泥有機(jī)質(zhì)含量以及絮凝劑投配率三者之間呈正相關(guān)關(guān)系，一方面說明污泥有機(jī)質(zhì)含量是影響污泥脫水性能的關(guān)鍵因素之一，同時說明雖然絮凝劑投加量增加，污泥仍然較難脫水。因此，在污泥泥質(zhì)變化、脫水性能變差的情況下，采用提高絮凝劑投加量的控制策略是否經(jīng)濟(jì)有效，值得進(jìn)一步探討。
不同污水處理工藝下，各環(huán)境變量與物種變量間的相關(guān)關(guān)系差異較大。對于A2/O-MBR工藝，RDA分析結(jié)果表明，影響污泥泥質(zhì)和脫水性能的主要因素為處理水量、水溫、膜池MLSS以及污泥容積指數(shù)（SVI）。其中，處理水量、水溫與污泥泥質(zhì)、脫水性能有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，處理水量和水溫屬于季節(jié)性變化因素，這說明污泥泥質(zhì)和脫水性能受季節(jié)因素影響非常顯著。膜池污泥MLSS、污泥SVI與污泥脫水性能呈正相關(guān)關(guān)系，說明A2/O-MBR工藝中膜池污泥的沉降性能直接關(guān)系到后續(xù)污泥脫水的難易。此外，A2/O工藝中曝氣池污泥齡也影響了污泥的脫水性能，污泥齡的延長可能會有利于后續(xù)污泥脫水。
上述分析表明，不同工藝污泥脫水性能受水溫季節(jié)性因素影響較為突出，而A2/O-MBR工藝中污泥有機(jī)質(zhì)受水溫影響顯著。與脫水污泥含水率相似，兩種工藝污泥有機(jī)質(zhì)含量變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征，夏季和秋初污泥有機(jī)質(zhì)含量低。戴曉虎等調(diào)研了我國南方某城市七座污水處理廠不同季節(jié)污泥有機(jī)質(zhì)含量情況，同樣得到在7～8月，污泥有機(jī)質(zhì)含量低的結(jié)果。污泥有機(jī)質(zhì)含量對污泥脫水性能的影響，可能與污泥中胞外聚合物（EPS）的變化有關(guān)。因為，EPS是污泥有機(jī)質(zhì)的重要組成成分，已有大量研究報道了污泥EPS對污泥脫水性能的影響。例如，Wilen等通過對瑞典一座大型污水處理廠（800000人口當(dāng)量）的調(diào)查研究表明，污泥中EPS（胞外聚合物）的含量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征，污泥中EPS含量與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（rp=-0.71，P＜0.001），即冬季污泥EPS含量高于夏季。這與本研究中污泥有機(jī)質(zhì)的季節(jié)性變化特征相一致。而已有研究證明，污泥中EPS含量及其組成對污泥脫水性能有明顯影響。Novak等通過研究污泥分別在厭氧和好氧消化時，蛋白質(zhì)、多糖的釋放及其對后續(xù)污泥脫水性能和絮凝劑消耗的影響發(fā)現(xiàn)，不同處理方式下釋放的蛋白質(zhì)、多糖濃度都與后續(xù)污泥脫水絮凝劑的消耗呈顯著正相關(guān)（R2＞0.9）。Neyens等綜述了預(yù)處理過程（熱處理、酸堿處理、Fenton氧化）對污泥脫水性能的影響，結(jié)果揭示污泥脫水性能的改善主要是通過預(yù)處理過程對污泥EPS中蛋白質(zhì)、多糖的降解，進(jìn)而改變EPS對水的束縛特性。
污泥中EPS含量及其組成季節(jié)性變化的原因目前尚不明確，這種變化極有可能是不同季節(jié)條件下，活性污泥中微生物代謝變化導(dǎo)致產(chǎn)生的EPS含量及組成發(fā)生差異，同時，也可能受到污水處理過程運(yùn)行條件的影響（如污泥齡）。Al-Halbouni等曾研究了不同污泥齡下污泥EPS與脫水性能以及MBR膜污染的聯(lián)系，實驗結(jié)果表明，相對較長的SRT（40d），縮短SRT（23d）會導(dǎo)致污泥中EPS含量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致污泥沉降性能和脫水性能的變差。盡管這一結(jié)論尚有待進(jìn)一步的實驗研究和論證，但這將有利于人們深入認(rèn)識污泥脫水性能差異的本質(zhì)原因，進(jìn)而提出適于污泥特性的污泥脫水調(diào)控策略和絮凝劑投加策略，提高污水處理廠絮凝劑的利用效率。因此，建議有條件的污水處理廠，為了實現(xiàn)高效低耗污泥脫水，有必要定期測試污泥中EPS及其組成含量。
3 結(jié)論
（1）A2/O和A2/O-MBR工藝的污泥脫水性能均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征，冬季較難脫水。
（2）污泥脫水絮凝劑投配率季節(jié)性變化明顯，冬季絮凝劑投配率明顯高于夏季。全年A2/O工藝和A2/O-MBR工藝污泥脫水絮凝劑投加量平均為（7.42±2.96）kg/t、（8.70±7.25）kg/t。
（3）A2/O-MBR工藝的污泥機(jī)械脫水電耗為331.82kW·h/t，相對高于A2/O工藝（121.57kW·h/t）。綜合考慮用電成本和絮凝劑消耗成本，A2/O-MBR工藝的污泥脫水成本較高。
（4）污泥有機(jī)質(zhì)含量呈顯著季節(jié)性變化是影響污泥脫水性能的關(guān)鍵因素之一。其次，A2/O工藝中，污泥脫水性能也與污泥齡等運(yùn)行參數(shù)有一定聯(lián)系。
