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[1].
已有研究表明[2, 3]，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行條件下污泥泥質(zhì)差異[4]，會影響到污泥的脫水性能[5]. 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工藝全年運行基本參數(shù)、 污泥產(chǎn)量、 污泥有機質(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-1. 一期、 二期二沉池污泥統(tǒng)一離心機械脫水，采用德國產(chǎn)Westfalia離心式濃縮脫水一體機(型號UCA755-00-12)，絮凝劑為巴斯夫8165 ，陽離子度為60%. 三期A2/O-MBR工藝于2012年4月20日開始試運行，設(shè)計處理能力為15萬m3 ·d-1，單獨采用奧地利ANDRITZ離心脫水機(型號D6LXC 30 C HP)進行污泥脫水，絮凝劑為巴斯夫8165 . 具體工藝介紹及主要運行參數(shù)，如文獻[6]所述. 污水處理廠實際運行中，一期、 二期脫水機房離心機6用4備，三期脫水機房離心機4用2備，保證離心機輪流維修的同時，整體脫水效率不受影響，并且2013年，該廠脫水機房并未進行長時間藥劑實驗. 因此，本研究所分析數(shù)據(jù)基本不存在停機維護、 調(diào)試運行所產(chǎn)生的非正常影響.
1.3 數(shù)據(jù)分析
冗余分析是一種直接梯度分析方法，能從統(tǒng)計學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、 進水SS、 進水COD、 污泥負荷、 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SPSS 18.0計算，RDA分析和作圖采用Canoco 5.0.
2 結(jié)果與討論
2.1 污泥脫水效果
2013年該污水處理廠脫水污泥含水率變化情況如圖 1所示. A2/O工藝和A2/O-MBR工藝的污泥脫水效果均呈現(xiàn)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. 如表 1所示，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%.
圖 1 2013年脫水污泥含水率變化情況
通過SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進行描述性統(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(表 1). 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[7]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重惡化. 此外，Al-Halbouni等[8]對德國一座處理能力為80000人口當量的污水處理廠調(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.
表 1 2013年脫水污泥含水率描述性統(tǒng)計分析
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. 污水處理廠2013年兩種工藝污泥脫水所需絮凝劑的消耗情況如圖 2所示. 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.
圖 2 2013年絮凝劑消耗量變化情況
如表 2所示，全年A2/O工藝與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-1和(8.70±7.25) kg ·t-1. 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)分別達到38.08、 0.594. 根據(jù)水廠2013年運營報告，MBR脫水機泥餅產(chǎn)量波動很大，其中，在11月底進行了配電室停電清掃，脫水機停機，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，固體負荷是影響污泥離心脫水機運行狀態(tài)的重要參數(shù). 因此，這可能是導致MBR脫水機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[9]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用電消耗，如圖 3所示，兩種污水處理工藝離心脫水機全年 用電消耗并未表現(xiàn)出季節(jié)性變化特征. 如表 3所 示，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耗電比較嚴重，并且在冬季波動更為明顯. 如前所述，冬季MBR脫水機泥餅產(chǎn)量的波動可能是導致藥劑消耗、 電耗波動的原因.
表 2 2013年污泥脫水絮凝劑消耗量描述性統(tǒng)計分析 /kg ·t-1
表 3 2013年污泥脫水電耗描述性統(tǒng)計分析 /kW ·h ·t-1
圖 3 2013年污泥脫水電耗情況
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本身運行方式不同有關(guān)，A2/O-MBR工藝離心脫水機扭矩設(shè)定在30%左右，根據(jù)設(shè)定扭矩，離心機差速自動調(diào)節(jié)，二者無線性關(guān)系，通過設(shè)定上限為11 r ·min-1，來避免離心機扭矩過大. 而一二期A2/O工藝所用離心機，扭矩控制在22%以上，差速在2.3 r ·min-1左右. 可見，兩種離心機的運行扭矩、 差速明顯不同.
為進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用電成本進行分析，其中按照絮凝劑(以干粉計)價格23.5元 ·kg-1，用電價格0.698元 ·(kW ·h)-1計算，結(jié)果如圖 4所示. A2/O工藝的污泥脫水絮凝劑成本(以DS計，下同)為175.00元 ·t-1，用電成本為84.86元 ·t-1; A2/O-MBR工藝的污泥脫水絮凝劑成本為204.76元 ·t-1，用電成本為231.61元 ·t-1. A2/O-MBR工藝污泥脫水的絮凝劑成本和脫水機電耗成本相對較高.
圖 4 2013年污泥脫水絮凝劑、 電耗成本
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[10~12]，而污泥泥質(zhì)的變化與進水水質(zhì)、 污水處理過程相關(guān). 通過冗余分析(RDA)可以幫助揭示進水水量、 水質(zhì)、 污泥負荷、 污泥齡等水質(zhì)參數(shù)和工藝運行條件對污泥泥質(zhì)特征和脫水性能的影響.
表 4為RDA分析的進水水質(zhì)以及工藝運行條件等變量共同進行污泥泥質(zhì)、 脫水性能解釋時各自的重要性和顯著性結(jié)果(499次變換的Monte Carlo 檢驗). 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、 進水COD、 進水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、 污泥負荷的重要性較低，而A2/O-MBR工藝中污泥負荷、 污泥齡重要性較低.
綜合考慮，將污泥負荷變量剔除后再次作RDA分析，結(jié)果如圖 5所示. RDA排序圖中實心箭頭代表物種(響應(yīng)變量)，空心箭頭代表環(huán)境變量(解釋變量)，物種變量與物種變量間、 物種變量與環(huán)境變量間的夾角余弦值代表了各變量之間的相關(guān)性. 因此，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)濟有效，值得進一步探討.
表 4 各個變量解釋的重要性和顯著性檢驗結(jié)果
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. 如圖 5 (a)所示，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)、 脫水性能有較強的負相關(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. 圖 5 (b)、 5(c)分別為一期倒置A2/O工藝和二期A2/O工藝RDA分析結(jié)果，其中，污泥脫水性能仍然與水溫季節(jié)性因素呈一定負相關(guān)關(guān)系. 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.
圖 5 進水水質(zhì)、 工藝參數(shù)與污泥脫水特征要素的RDA分析結(jié)果
上述分析表明，不同工藝污泥脫水性能受水溫季節(jié)性因素影響最為突出，而A2/O-MBR工藝中污泥有機質(zhì)受水溫影響顯著. 圖 6所示為2013年污泥有機質(zhì)變化情況. 與脫水污泥含水率相似，兩種工藝污泥有機質(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質(zhì)含量低. 戴曉虎等[13]調(diào)研了我國南方某城市七座污水處理廠不同季節(jié)污泥有機質(zhì)含量情況，同樣得到在7~8月，污泥有機質(zhì)含量最低的結(jié)果. 污泥有機質(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，Wilén等[14]通過對瑞典一座大型污水處理廠(800000人口當量)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質(zhì)的季節(jié)性變化特征相一致. 而已有研究證明[15, 16]，污泥中EPS含量及其組成對污泥脫水性能有明顯影響. Novak等[16]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[17]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)處理對污泥EPS中蛋白質(zhì)、 多糖的降解，進而改變EPS對水的束縛特性.
圖 6 2013年污泥有機質(zhì)變化情況
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行條件的影響(如污泥齡). Al-Halbouni等[8]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)會導致污泥中EPS含量的增加，進而導致污泥沉降性能和脫水性能的變差. 盡管這一結(jié)論尚有待進一步的實驗研究和論證，但這將有利于人們深入認識污泥脫水性能差異的本質(zhì)原因，進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工藝與A2/O-MBR工藝污泥脫水絮凝劑投加量平均為(7.42±2.96) kg ·t-1、 (8.70±7.25) kg ·t-1.
(3)A2/O-MBR工藝的污泥機械脫水電耗為331.82 kW ·h ·t-1，相對高于A2/O工藝(121.57 kW ·h ·t-1). 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行參數(shù)有一定聯(lián)系.（來源及作者：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 劉吉寶 魏源送 楊敏 郁達偉 北京城市排水集團有限責任公司 李亞明 ）
