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我国重点流域106座城市污水处理厂污泥产率调研

来源:中国给水排水 作者:王磊 人气: 发布时间:2018-07-30 09:59:15

导语:污泥产量可根据经验污泥产率(即万吨污水产生的绝干污泥量)和污水处理量进行计算,其关键在于计算参数的选择,选择不当极易产生显著的偏差。然而,我国在污泥产率方面的研究较少,积累的污泥产率数据不多,难以为设计提供有效的支持与指导。对我国重点流域具有代表性的城镇污水处理厂(11座城市106座典型污水处理厂)污泥产量进行了调研,全面分析了经验污泥产率的整体特征、地域差异、季节波动、工艺差异和规模差异等。结果表明,调研范围内污水处理厂污泥产率平均值为1.62tDS/万m³,其中合肥、昆明和天津污泥产率相对较低,其余城市污泥产率较高。不同月份污泥产率波动较大,且呈现出了显著的季节规律性,冬季和春季污泥产率较高,夏季和秋季污泥产率相对较低。采用AAO/AO和氧化沟工艺的污水处理厂污泥产率显著高于采用SBR和MBR工艺的污水处理厂,出水执行一级A和一级B标准的污水处理厂污泥产率高于执行二级标准的污水处理厂,规模较大的污水处理厂污泥产率低于规模较小的污水处理厂。

1 研究方法

本研究调研时间跨度为2012年1月至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(见表1),总设计污水处理能力为1519万m³/d,实际污水处理能力1264万m³/d,污泥年产生量为313万吨(含水率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 调研范围内污水处理厂分布

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经验污泥产率采用公式(1)进行计算。

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其中,Y——经验污泥产率,tDS/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。

2 结果与分析

2.1 整体特征

调研范围内106座污水处理厂经验污泥产率分布特征见图1,经验污泥产率平均值为1.62tDS/万m³,其中80%置信区间内污水处理厂经验污泥产率为0.91~2.41tDS/万m³,平均值为1.57tDS/万m³,不同厂污泥产率差异较大。

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图1 污泥产率分布特征

不同污水处理厂进水中污染物浓度差异较大,以万吨污水产泥量核算的经验污泥产率,在不同厂间进行比较时具有一定局限性。因此,本研究进一步分析了去除单位质量BOD5产生的污泥量(简称“BOD5污泥产率”),其分布特征见图2。BOD5污泥产率平均值为1.34kgDS/kgBOD5,其中80%置信区间内污水处理厂BOD5污泥产率为0.64~2.17kgDS/kgBOD5,平均为1.28kgDS/kgBOD5。

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图2 BOD5污泥产率分布特征

2.2 地域差异

调研范围中的11座城市的平均污泥产率分布特征见图3。合肥、昆明、天津等3座城市经验污泥产率相对较低,平均值均不超过1.50tDS/万m³;其余城市经验污泥产率相对较高,平均值为1.65~1.92tDS/万m³。造成不同城市污泥产率差异的主要原因为进水水质(有机物含量、悬浮固体含量)的不同,影响进水水质的因素包括:排水体制、管网破损程度、工业废水排放、气候特征等。

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图3 不同城市污泥产率

2.3 季节波动

调研范围中的106座污水处理厂,2014年最大月与最小月污泥产率比值分布特征见图4,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。

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图4 污泥产率变化系数分布

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。其中,春季污泥产率最高,平均值约为1.79tDS/万m³;秋季污泥产率最低,平均值约为1.52tDS/万m³,春季污泥产率比秋季高出了20%。

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。经验污泥产率受诸多因素综合影响,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、污泥龄、有机负荷等)。一方面,我国大部分进水以生活污水为主的污水处理厂,进水SS和BOD5具有显著的季节规律性,冬春季节进水SS和BOD5浓度较高,而夏秋季节进水SS和BOD5较低,这可能是污泥产率呈现季节性波动的主要原因。另一方面,污泥产率与水温呈负相关性,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另一原因。

2.4 处理工艺

调研范围内106座污水处理厂中,污水生物处理单元主体工艺可分为以下几类:AAO或者AO(记作AAO/AO)、氧化沟、SBR、MBR等类型。其中,AAO/AO工艺包括UNITANK、百乐克等改良类型;氧化沟工艺包括卡鲁塞尔氧化沟、奥贝尔氧化沟、三槽式氧化沟、立环氧化沟等改良类型,SBR工艺包括CASS、CAST、ICEAS等类型。针对采用不同类型生物处理工艺的污水处理厂,本研究对其污泥产率进行了统计分析,如表2所示。其中,部分污水处理厂生物处理单元采用了1种以上工艺,而不同工艺污水处理量和污泥产量并未单独核算,因此本研究未对这些污水处理厂的污泥产率进行归类分析。

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表2 不同污水处理工艺污泥产率

由表2可知,采用氧化沟工艺的污水处理厂(38个)污泥产率相对较高,平均为1.62tDS/万m³;采用AAO/AO工艺的污水处理厂(35个)污泥产率次之,平均为1.36tDS/万m³;采用SBR工艺污水处理厂(12个)和MBR工艺的污水处理厂(2个)污泥产率相对较低,分别为1.22tDS/万m³和1.08tDS/万m³。

张辰等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污泥龄关系不大,而衰减系数随污泥龄的延长而增大。一般而言氧化沟工艺污泥龄长于AAO/AO工艺,污泥产率相对较低。然而,本调研中采用氧化沟工艺的污水处理厂平均经验污泥产率却略高于采用AAO/AO工艺的污水处理厂,这可能是由于经验污泥产率除受污泥龄和处理工艺影响外,还受进水水质等因素影响。本调研中某污水处理厂采用AAO工艺,设计污水处理量为280万m³/d,而污泥产率仅为1.14tDS/万m³;另一污水处理厂采用AO工艺,设计污水处理量为170万m³/d,而污泥产率仅为0.76tDS/万m³。这两座污水处理厂处理规模较大,而污泥产率偏低,拉低了采用AAO/AO工艺的污水处理厂污泥产率的平均值。

2.5 排放标准

调研范围内污水处理厂中,出水执行一级A、一级B和二级标准的污水处理厂数量、规模以及污泥产量见表3。执行一级A和一级B排放标准的污水处理厂经验污泥产率分别为1.49tDS/万m³和1.45tDS/万m³,执行一级A排放标准的污水处理厂污泥产率更高。究其原因,一级A排放标准对出水氮磷提出了更严格的要求,而我国污水处理厂普遍存在碳源不足问题,为确保氮磷的同步稳定达标,通常需要将碳源优先用于生物脱氮,而在生物除磷之后投加混凝剂辅以化学除磷,二沉池出水后投加铝盐或铁盐进行化学除磷时,污泥产生量通常增加20%~35%。此外,在内部碳源不能满足生物脱氮要求时,执行一级A排放标准的污水处理厂通常需要辅以外加碳源,从而导致污泥产率升高。与一级A和一级B标准相比,二级标准对污水中有机物、悬浮固体、总磷等污染物的去除率要求较低,去除污染物过程中产生的污泥量也相应较低,执行二级排放标准的污水处理厂经验污泥产率显著低于执行一级A和一级B排放标准的污水处理厂。

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表3 执行不同排放标准的污水处理厂污泥产率

2.6 规模差异

本研究根据《城市污水处理工程项目建设标准》(建标[2001]77号)对调研范围内污水处理厂规模进行了分类,不同规模污水处理厂污泥产率见表4。总体而言,规模较大的污水处理厂(Ⅰ类和Ⅱ类)经验污泥产率低于规模较小的污水处理厂(Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类),其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类污水处理厂污泥产率分别为1.14、1.35、1.73tDS/万m³,污泥产率随着规模的增加而呈现出减少趋势。Ⅴ类污水处理厂数量占调研污水处理厂总数的40%,但负荷率整体较低,不同厂污泥产率差异较大,平均污泥产率为1.60tDS/万m³。

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表4不同规模污水处理厂污泥产率

3 讨论

本研究发现对于进水以生活污水为主的污水处理厂,其水量水质、运行参数、污泥产率等一般呈现出较为显著的规律性。但调研范围中大部分污水处理厂进水中掺杂有不同比例的工业废水,受工业废水影响进水水量和水质波动较大,影响了污泥产率变化规律的总结。例如,海宁某污水处理厂进水中印染和制革废水比例高达70%以上,每年春节前后工厂停产期间污水量急剧下降,污泥产量也相应降低;同时,受当地产业政策和环保要求影响,部分工厂陆续停产,水量和水质均波动较大,污泥产率并没有呈现出明显的季节规律性。

目前,我国污泥产量统计普遍存在以下2个主要误差来源:①车吨位偏差。调研范围内大部分污水处理厂没有污泥称重计量设施,生产报表中污泥产量按车吨位进行估算,每车次污泥量误差可达10%~20%;②污泥含水率偏差。仅有少部分污水处理厂定期检测污泥含水率,其他污水处理厂带式压滤或者离心脱水污泥含水率一般按照80%进行估算,实际含水率偏差可达3%~5%,绝干污泥质量相差可达15%左右。综上所述,我国部分污水处理厂污泥产量计量累积误差可达20%~40%,严重影响了污泥产率统计分析的精确性。此外,污水处理厂运行报表中的污泥产量大多为外运污泥的量,当污泥出路受阻时部分污泥会在污水处理厂内滞留,没有污泥外运时报表中相应时间污泥产量通常记为0,报表数据无法真实反映实时污泥产量,影响污泥产率分析。

此外,调研范围中大部分污水处理厂缺乏对于初沉污泥、剩余污泥、化学污泥产量和含水率的单独计量,报表中只是笼统统计脱水污泥产量,不利于基于污水处理厂运行情况率定剩余污泥表观产率系数、合成产率系数、衰减系数等相关参数。此外,进水中惰性悬浮固体及难降解有机悬浮固体对污泥产率的影响较大,但鲜有污水处理厂对进水中悬浮固体的组分及比例进行监测,不仅影响污泥产量的精确计算,还影响污水处理系统的运行管理。

4 结论

①我国城镇污水处理厂经验污泥产率平均值为1.62tDS/万m³,BOD5污泥产率平均值为1.34kgDS/kgBOD5,其中合肥、昆明、天津等3座城市污泥产率相对较低,其余城市污泥产率较高。

②不同月份污泥产率波动较大,且呈现出了显著的季节规律性,冬季和春季污泥产率较高,夏季和秋季污泥产率相对较低。

③采用AAO/AO和氧化沟生物处理工艺的污水处理厂污泥产率显著高于采用SBR和MBR工艺的污水处理厂;出水执行一级A和一级B标准的污水处理厂污泥产率高于执行二级标准的污水处理厂,规模较大的污水处理厂经验污泥产率低于规模较小的污水处理厂。

(逍遥客)

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