陳敏敏，劉 杰，李莉娜，邱立莉，楊偉偉，敬 紅

（1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012；2.中城院（北京）環(huán)境科技股份有限公司，北京 100120）

隨著我國城鎮(zhèn)污水處理設施建設的逐步完善，我國污水集中處理能力顯著提高，目前我國市縣污水處理規(guī)模達2.47 億m3/d，污水年處理總量為716.96 億m3，已基本滿足市縣居民生活排水的要求〔1-2〕。隨著污水處理提質(zhì)增效新要求的提出，城鎮(zhèn)污水處理設施建設運行向泥水并重、再生利用轉(zhuǎn)變，今后污泥的處理處置將成為城鎮(zhèn)污水處理設施建設運行和監(jiān)督管理的重點。同時，在雙碳目標戰(zhàn)略背景下，污水處理活動的溫室氣體排放量不容忽視。污水處理排放的甲烷和氧化亞氮分別占全社會排放總量的4.9%和5.6%，污泥的產(chǎn)生及后續(xù)處理處置過程同時具有碳排放和碳減排效應，是實現(xiàn)污水處理碳中和工作的著力點〔3-6〕。掌握污水處理過程中影響污泥產(chǎn)生的影響因素，對于從源頭上實現(xiàn)污泥減量化具有重要意義。目前我國在污泥處置方面的研究多集中在污泥處理系統(tǒng)設計、污泥產(chǎn)量或產(chǎn)率系數(shù)計算方法、計算公式等方面〔7-11〕。本研究基于我國城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)生情況統(tǒng)計及監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析污泥產(chǎn)率系數(shù)總體特征，研究進水水質(zhì)、設計規(guī)模、處理工藝和地區(qū)分布等不同因素對污泥產(chǎn)率系數(shù)的影響，以期在宏觀層面得到影響污泥產(chǎn)生的主要因素，為污泥源頭減量提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1 研究對象和方法

本研究中數(shù)據(jù)來源為2020 年生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計以及開展自行監(jiān)測、執(zhí)法監(jiān)測的城鎮(zhèn)污水處理廠，研究對象選取4 959 家主體工藝采用一種活性污泥法的污水處理廠，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)查污水處理廠的運行報表。所研究污水處理廠分布在全國31 個地區(qū)，總設計處理能力、污水實際處理量、干污泥產(chǎn)生量均約占全國總量的70%，能較好地反映全國城鎮(zhèn)污水處理廠的總體水平。城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)量主要受服務范圍內(nèi)排水體制、進水水質(zhì)、污水及污泥處理工藝等多因素的影響〔12〕。本研究中的污泥主要來自城鎮(zhèn)污水處理過程中產(chǎn)生的初沉池、二沉池污泥，不包括柵渣、浮渣和沉砂。采用兩個研究指標，一是經(jīng)驗污泥產(chǎn)率系數(shù)（YQ），二是以去除COD 導致的污泥增殖來計算的污泥產(chǎn)率系數(shù)（YCOD），從實際處理污水量和單位體積污水有機污染物去除量兩個角度來分析污泥的產(chǎn)生情況。其中YQ為處理每萬立方米污水的干污泥產(chǎn)生量，YCOD為去除單位質(zhì)量COD 的干污泥產(chǎn)生量。YQ、YCOD的計算見式（1）、式（2）。

式中：YQ——經(jīng)驗污泥產(chǎn)率系數(shù)，10-4t/m3；

YCOD——以去除COD 導致的污泥增殖來計算的污泥產(chǎn)率系數(shù)，kg/kg；

M——脫水污泥實際產(chǎn)量，t；

ω——脫水污泥含水率，%；

Q——污水實際處理量，104m3；

ΔCOD——COD 的去除量，t。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體分析

對4 959 家城鎮(zhèn)污水處理廠的YQ、YCOD進行分析，結(jié)果見表1。

表1 污泥產(chǎn)率系數(shù)分布特征Table 1 Distribution characteristics of sludge yield coefficients

由表1 可以看出，不同城鎮(zhèn)污水處理廠的YQ、YCOD變化幅度較大，因部分污水處理廠數(shù)值較高，總體呈正偏態(tài)分布。本研究的4 959家污水處理廠的YQ平均為1.33×10-4t/m3，范圍為（0.49～4.17）×10-4t/m3，其中80%置信區(qū)間內(nèi)YQ平均為1.25×10-4t/m3；YCOD平均為0.81 kg/kg，范圍為0.18～2.25 kg/kg，其中80%置信區(qū)間內(nèi)的YCOD平均為0.78 kg/kg。研究表明，2015—2017 年YCOD的全國總體平均值分別為0.69、0.62、0.77 kg/kg〔13-16〕，本研究中的YCOD總體平均值為0.66 kg/kg，因此YQ、YCOD與其他研究結(jié)果進行對比，數(shù)值具有較好的可比性，在一定的合理范圍內(nèi)。

2.2 進水水質(zhì)影響分析

將城鎮(zhèn)污水處理廠的進水平均COD分為7類，分析不同進水COD區(qū)間的污水處理廠YQ、YCOD，結(jié)果見表2。

表2 不同COD 區(qū)間下污泥產(chǎn)率系數(shù)分布Table 2 Distribution of sludge yield coefficients under different COD ranges

由表2 可知，城鎮(zhèn)污水處理廠進水COD 升高，對應濃度區(qū)間的YQ逐漸變大，YCOD逐漸變小。本研究中進水COD 平均為210.0 mg/L，中位值為181.5 mg/L，YQ、YCOD的平均值對應的COD 區(qū)間范圍均為150～250 mg/L，與進水COD 平均值所在區(qū)間具有較好的符合性。

本研究的各污水處理廠實際YCOD平均值、總體平均值比理論研究值〔17-18〕偏高，在一定程度上反映出了我國城鎮(zhèn)污水處理廠進水有機物濃度偏低的特點，如本研究平均進水COD 為我國相關(guān)管理要求進水COD 的60%～80%〔19〕。當污水處理廠進水污染物濃度較低時，水質(zhì)達標率會較高，但污染物去除量則較低，而隨著進水COD 由≤150 mg/L 逐步提高至＞400 mg/L，COD 去除率提高14.4%，單位污染物去除量也會較高，YCOD平均值則逐漸變小。污泥產(chǎn)生量受多種因素綜合影響，其主要來源于微生物降解有機物的自身增殖和污水中吸附沉淀的懸浮固體。此外，為達到更嚴格的氮磷排放限值要求，需外加碳源提升脫氮除磷的效果，生物除磷形成的聚合磷酸鹽以及化學除磷添加的藥劑也會使污泥產(chǎn)量增加，本研究中的YQ平均值隨著進水污染物濃度的增加而逐漸變大也與污泥產(chǎn)生來源相對應。

2.3 設計處理規(guī)模影響分析

按照設計處理規(guī)模的不同將城鎮(zhèn)污水處理廠分為5 類，不同規(guī)模的污水處理廠YQ、YCOD見表3。

表3 不同設計處理規(guī)模下污泥產(chǎn)率系數(shù)分布Table 3 Distribution of sludge yield coefficients under different design treatment scales

由表3 可知，目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠以中小規(guī)模為主，設計處理規(guī)模低于1×105m3/d 的城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量占比為95.3%；而設計處理規(guī)模為1×104～2×105m3/d 的城鎮(zhèn)污水處理廠為當前我國城鎮(zhèn)污水處理的主體，污水實際處理量占比為72.1%。

設計處理規(guī)?！?×104、＞1×104～1×105、＞1×105～2×105、＞2×105～5×105、＞5×105m3/d 的5 類城鎮(zhèn)污水處理廠YQ與平均值比較，相對偏差分別為-3.6%、2.8%、11.8%、15.3%、1.1%；除＞5×105m3/d 規(guī)模的污水處理廠外，其他污水處理廠YQ均隨設計處理規(guī)模的增加而提高。5 類城鎮(zhèn)污水處理廠的YCOD與平均值比較，相對偏差分別為11.5%、-4.3%、-18.8%、-19.6%、-25.1%，YCOD隨設計處理規(guī)模的增加而降低。規(guī)模為＞1×104～1×105m3/d 的污水處理廠YQ、YCOD與平均值較為接近，相對偏差分別為2.8%、-4.3%，該類規(guī)模的城鎮(zhèn)污水處理廠對污泥總體產(chǎn)生量影響較大，這與該類城鎮(zhèn)污水處理廠總體處理規(guī)模、污水處理量占比大有關(guān)。規(guī)模為≤1×104、＞5×105m3/d 的兩類污水處理廠的YQ與平均值接近，但YCOD分別為5 類規(guī)模的最大值和最小值。大型污水處理廠在污水收集及運行管理上具有優(yōu)勢，污泥產(chǎn)率系數(shù)較低，污泥的產(chǎn)生總量減少；同時因全國存在大量設計處理規(guī)模較小污水處理廠，其易受污水收集、進水濃度變化、運行管理等多因素的影響，雖然YQ較平均值偏低，但YCOD較高。

2.4 處理工藝影響分析

目前，我國城鎮(zhèn)污水處理廠廣泛應用活性污泥法作為主要處理工藝，采用該類工藝的污水處理廠數(shù)量占全國污水處理廠總數(shù)的81.6%〔20〕。本研究的污水處理廠大多采用A2/O 工藝、氧化溝類、普通活性污泥法、A/O 工藝，采用這4 種工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量占比為85.5%，此外還有部分污水處理廠采用了SBR 類、MBR 類、A/O2工藝和AB 法。以上8 種活性污泥法處理工藝的污泥產(chǎn)率系數(shù)分布情況見表4。

表4 不同處理工藝下污泥產(chǎn)率系數(shù)分布Table 4 Distribution of sludge yield coefficients under different treatment processes

由表4 可知，A2/O 工藝、氧化溝類、普通活性污泥法、A/O 4種工藝的YQ、YCOD均與平均值接近，相對偏差范圍分別為-1.8%～1.9%、-2.3%～5.8%；SBR類、MBR類因其工藝特點使污泥產(chǎn)率較低，YQ分別比平均值低2.8%、6.0%，YCOD與平均值的相對偏差分別為-4.9%、0.1%。本研究中，A/O2工藝、AB法YQ與平均值的相對偏差分別為3.4%、15.7%，YCOD與平均值的相對偏差分別為13.4%、-11.1%，與其他工藝類型比較相對偏差較大，這是因為其應用較少，受污水處理廠的實際情況影響較大；采用氧化溝類、普通活性污泥法的污水處理廠進水平均COD分別為200.7、214.7 mg/L，采用AB法的兩家污水處理廠進水COD＞500 mg/L，導致AB法類污水處理廠進水平均COD相對較高，為276.9 mg/L；從結(jié)果看，氧化溝類污水處理廠YCOD略高于普通活性污泥法污水處理廠，同時AB法污水處理廠YCOD相較于其他工藝低，說明YCOD除受處理工藝不同影響外，還與進水污染物濃度相關(guān)。

2.5 區(qū)域分布影響分析

按照全國地理分區(qū)分析不同地區(qū)污水處理廠的YQ、YCOD情況，結(jié)果見表5。

表5 不同地理區(qū)域污泥產(chǎn)率系數(shù)分布Table 5 Distribution of sludge yield coefficientsin different geographical regions

由表5 可知，各地區(qū)的YQ與平均值相對偏差為-16.4%（華南地區(qū)）～16.8%（西北地區(qū)）；華東地區(qū)、華中地區(qū)的YQ與平均值接近，相對偏差分別是2.9%、-2.6%；各地區(qū)YQ與進水COD 呈正相關(guān)；YCOD地區(qū)分布情況與YQ情況相反，YCOD與進水COD 基本呈負相關(guān)，各地區(qū)YCOD與平均值的相對偏差范圍為-20.5%（西北地區(qū)）～14.0%（華南地區(qū)）；華東、西南地區(qū)YCOD與平均值接近，相對偏差分別為3.4%、-0.2%。結(jié)合各地區(qū)水資源總量分布情況〔21〕，可以看出進水有機物濃度的高低是造成污泥產(chǎn)率系數(shù)差異的主要因素。

2.6 方差分析

采用多因素方差分析〔22-23〕來判斷城鎮(zhèn)污水處理廠進水COD、處理規(guī)模、處理工藝和區(qū)域分布4個因素分類分別對YQ、YCOD的顯著性影響情況，分析結(jié)果見表6、表7。

表6 不同影響因素對YQ的顯著性影響分析結(jié)果Table 6 Analysis results of significant influence of different effect factors on YQ

表7 不同影響因素對YCOD的顯著性影響分析結(jié)果Table 7 Analysis results of significant influence of different effect factors on YCOD

由表6 可知，當顯著性水平為0.05 時，進水COD、處理工藝兩個單一因素對YQ影響顯著；多個因素相互影響時，進水COD×設計處理規(guī)?！撂幚砉に?、進水COD×處理工藝×地理分區(qū)涉及到的3 個因素，進水COD×設計處理規(guī)?！撂幚砉に嚒恋乩矸謪^(qū)涉及到的4 個因素的協(xié)同影響顯著性均小于0.05，可以看出COD 進水濃度與處理工藝兩個因素協(xié)同可顯著影響YQ。由表7可知，對于YCOD，進水COD、設計處理規(guī)模兩個單一因素的影響顯著，多因素共同作用影響不顯著。由此可見，不同設計處理規(guī)模的污水處理廠保持穩(wěn)定的進水濃度、選擇適合的處理工藝和設計處理規(guī)模，有利于降低污水處理廠污泥的產(chǎn)生量，其中進水有機物濃度為主要的影響因素。

3 結(jié)論

我國城鎮(zhèn)污水處理廠的YQ平均為1.33×10-4t/m3，YCOD平均為0.81 kg/kg，不同城鎮(zhèn)污水處理廠的YQ、YCOD差異較大，總體呈正偏態(tài)分布。

總體來看，YQ平均值與進水COD、設計處理規(guī)模正相關(guān)，YCOD平均值與進水COD、設計處理規(guī)模負相關(guān)。YQ、YCOD平均值對應的COD 區(qū)間范圍為150～250 mg/L，與COD 平均值（210.0 mg/L）所在區(qū)間一致。規(guī)模為1×104～1×105m3/d的污水處理廠YQ、YCOD與平均值最為接近，相對偏差分別為2.8%、-4.3%。

從處理工藝來看，A2/O 工藝、氧化溝類、普通活性污泥法、A/O 工藝4 種活性污泥處理工藝的YQ、YCOD與平均值接近，相對偏差范圍分別為-1.8%～1.9%、-2.3%～5.8%。從地理分區(qū)來看，各地區(qū)的YQ、YCOD與平均值的相對偏差范圍處于-20.5%～16.8%，華東和華中地區(qū)的YQ，華東、西南地區(qū)YCOD與平均值基本持平。

通過多因素方差分析，YQ受進水COD 與處理工藝兩個因素協(xié)同作用影響顯著，YCOD受進水COD、設計處理規(guī)模兩個單一因素影響顯著，其中進水COD對YQ和YCOD均產(chǎn)生顯著影響。

該研究僅對我國運行的采用一種活性污泥法的城鎮(zhèn)污水處理廠污泥產(chǎn)率系數(shù)現(xiàn)狀開展總體分析，鑒于獲取數(shù)據(jù)的局限性，建議后續(xù)同類研究開展對進水中無機懸浮固體、揮發(fā)性懸浮固體及總懸浮固體的分布特征，以及污泥穩(wěn)定化處理等因素對污泥產(chǎn)率系數(shù)的影響分析及研討，得到我國污泥產(chǎn)率系數(shù)的全面影響因素，以期為從源頭上減少污泥產(chǎn)生提供參考。