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        城市污水廠污泥產(chǎn)率季節(jié)變化與影響因素分析

        2018-07-09 13:20:24
        凈水技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:懸浮固體處理廠產(chǎn)率

        王 磊

        (上海市政工程設(shè)計(jì)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(jì))[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(jì)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(jì)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(yùn)行管理。

        污泥產(chǎn)量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算。由于進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)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(dòng)。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(yùn)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(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)與科學(xué)運(yùn)行提供參考。

        1 研究方法

        本研究調(diào)研時(shí)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(jì)污水處理能力為1 519萬m3/d,實(shí)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(yùn)行日報(bào)表。

        表1 污水處理廠分布

        經(jīng)驗(yàn)污泥產(chǎn)率采用式(1)計(jì)算。

        (1)

        其中:Y—經(jīng)驗(yàn)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(yàn)污泥產(chǎn)率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,以常州市QT污水處理廠為對象,考察了經(jīng)驗(yàn)污泥產(chǎn)率與進(jìn)水水質(zhì)、環(huán)境溫度、運(yùn)行參數(shù)等因素的相關(guān)性,分析了經(jīng)驗(yàn)污泥產(chǎn)率的季節(jié)性波動(dòng)原因。其中,QT污水處理廠于2010年改造投運(yùn),設(shè)計(jì)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(yàn)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(dòng)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(jī)物過程中自身的增殖作用。經(jīng)驗(yàn)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(jī)物含量等)和生物處理系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(jī)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(yàn)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jī)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(qiáng)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(jì)、建設(shè)和運(yùn)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(yàn)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(gè)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(shí)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(shí),未能排除水質(zhì)波動(dòng)的影響,通常在夏季由于降雨較多而導(dǎo)致污水有機(jī)物濃度較低,冬季反之,這也是導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)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(dòng)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(yùn)行參數(shù)

        本研究發(fā)現(xiàn),QT污水處理廠經(jīng)驗(yàn)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(dòng),污泥產(chǎn)率波動(dòng)規(guī)律與MLSS相一致,且略微滯后于MLSS波動(dòng)(圖9),這表明污泥產(chǎn)率波動(dòng)可能是被動(dòng)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(yàn)污泥產(chǎn)率的統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(yàn)污泥產(chǎn)率反而更高,這可能是因?yàn)槲勰喈a(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(diǎn)流域污水處理廠經(jīng)驗(yàn)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(dòng)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(yàn)污泥產(chǎn)率與進(jìn)水有機(jī)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(dòng)的主要原因。

        (3)經(jīng)驗(yàn)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(dòng),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。

        [1]張辰,王逸賢,譚學(xué)軍,等.城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)研究[J].給水排水,2017,43(9): 137-140.

        [2]于麗昕,王洪臣.關(guān)于活性污泥工藝中剩余污泥量計(jì)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(chǎn)率計(jì)算公式探討[J].中國給水排水,2015,31(18): 68-72.

        [4]室外排水設(shè)計(jì)規(guī)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(chǎn)率的影響研究[J].中國給水排水,2015,31(19): 84-88.

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

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

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