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有密切聯系，因此不同污水處理工藝及運行條件下污泥泥質差異[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‰，但由于污泥泥質的波動，為保障穩定的污泥脫水效能，需要相應地調整絮凝劑的投配率. 然而，目前污水處理廠絮凝劑投配率的調整仍然是依據現場操作人員的經驗判斷，通常冬季污泥較難脫水，則相應地提高絮凝劑的投配率. 這種調整絮凝劑投配率的經驗模式缺乏科學的投加策略，不能高效利用絮凝劑. 因此，亟需通過調研和實驗研究，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量、 污泥有機質、 污泥脫水的絮凝劑消耗量、 污泥脫水效果等變化特征，并采用統計學方法，分析不同污水處理工藝的污泥泥質、 脫水效能及其影響因素，以期為今后實現污水處理廠污泥脫水的優化管理提供理論依據.
1 材料與方法
1.1 數據來源
本研究采用的A2/O和A2/O-MBR工藝全年運行基本參數、 污泥產量、 污泥有機質、 離心脫水絮凝劑消耗量、 脫水效果等數據來自于北京市某大型污水處理廠提供的2013年運行數據.
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，設計總處理水量為40萬m3 ·d-1. 一期、 二期二沉池污泥統一離心機械脫水，采用德國產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，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，本研究所分析數據基本不存在停機維護、 調試運行所產生的非正常影響.
1.3 數據分析
冗余分析是一種直接梯度分析方法，能從統計學角度評價一個或一組變量與另一組變量之間的關系. 本研究RDA分析將脫水污泥特性(含水率、 有機質、 泥餅產量)及絮凝劑投配率作為響應變量(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、 變異系數等描述性統計分析采用SPSS 18.0計算，RDA分析和作圖采用Canoco 5.0.
2 結果與討論
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季節性變化特征，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性特征，這可能影響了污泥的泥質和脫水性能. 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對數據進行描述性統計分析，計算得到不同季節和全年脫水污泥含水率的方差和變異系數，可以定量地描述不同污水處理工藝不同季節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，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性影響更為顯著. 生物處理過程產生的污泥脫水性能受季節性變化影響，已有相關的研究報道. Wang等[7]通過實驗研究發現，溫度季節變化對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查也得到類似結果，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計分析
2.2 絮凝劑消耗
由于污泥脫水性能的季節性變化，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相應的季節性特征. 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分別達到38.08、 0.594. 根據水廠2013年運營報告，MBR脫水機泥餅產量波動很大，其中，在11月底進行了配電室停電清掃，脫水機停機，使得近幾天的產泥量較低. 此外，8、 9、 10、 12月中下旬出現幾次泥餅產量驟增的情況，固體負荷是影響污泥離心脫水機運行狀態的重要參數. 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. 在數據較為穩定的夏季和秋初，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工藝和傳統活性污泥法污泥過濾阻力差異，結果表明，MBR工藝污泥混合液的過濾阻力達到了傳統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 用電消耗并未表現出季節性變化特征. 如表 3所 示，兩種工藝的污泥脫水電耗描述性統計分析結果表明，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計分析 /kg ·t-1
表 3 2013年污泥脫水電耗描述性統計分析 /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，A2/O-MBR工藝離心脫水機扭矩設定在30%左右，根據設定扭矩，離心機差速自動調節，二者無線性關系，通過設定上限為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特征有密切聯系[10~12]，而污泥泥質的變化與進水水質、 污水處理過程相關. 通過冗余分析(RDA)可以幫助揭示進水水量、 水質、 污泥負荷、 污泥齡等水質參數和工藝運行條件對污泥泥質特征和脫水性能的影響.
表 4為RDA分析的進水水質以及工藝運行條件等變量共同進行污泥泥質、 脫水性能解釋時各自的重要性和顯著性結果(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、 脫水性能產生密切相關，重要性檢驗體現該變量對污泥泥質、 脫水性能影響大小. RDA分析結果表明，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、 脫水性能密切相關; 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; 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，結果如圖 5所示. RDA排序圖中實心箭頭代表物種(響應變量)，空心箭頭代表環境變量(解釋變量)，物種變量與物種變量間、 物種變量與環境變量間的夾角余弦值代表了各變量之間的相關性. 因此，物種變量間相關關系表明，A2/O-MBR工藝和A2/O工藝的脫水污泥含水率、 污泥有機質含量以及絮凝劑投配率三者之間呈正相關關系，一方面說明污泥有機質含量是影響污泥脫水性能的關鍵因素之一，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果
不同污水處理工藝下，各環境變量與物種變量間的相關關系差異較大. 如圖 5 (a)所示，對于A2/O-MBR工藝，RDA分析結果表明，影響污泥泥質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(SVI). 其中，處理水量、 水溫與污泥泥質、 脫水性能有較強的負相關關系，處理水量和水溫屬于季節性變化因素，這說明污泥泥質和脫水性能受季節因素影響非常顯著. 膜池污泥MLSS、 污泥SVI與污泥脫水性能呈正相關關系，說明A2/O-MBR工藝中膜池污泥的沉降性能直接關系到后續污泥脫水的難易. 圖 5 (b)、 5(c)分別為一期倒置A2/O工藝和二期A2/O工藝RDA分析結果，其中，污泥脫水性能仍然與水溫季節性因素呈一定負相關關系. 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污泥脫水.
圖 5 進水水質、 工藝參數與污泥脫水特征要素的RDA分析結果
上述分析表明，不同工藝污泥脫水性能受水溫季節性因素影響最為突出，而A2/O-MBR工藝中污泥有機質受水溫影響顯著. 圖 6所示為2013年污泥有機質變化情況. 與脫水污泥含水率相似，兩種工藝污泥有機質含量變化呈現明顯的季節性變化特征，夏季和秋初污泥有機質含量低. 戴曉虎等[13]調研了我國南方某城市七座污水處理廠不同季節污泥有機質含量情況，同樣得到在7~8月，污泥有機質含量最低的結果. 污泥有機質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. 因為，EPS是污泥有機質的重要組成成分，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)的調查研究表明，污泥中EPS(胞外聚合物)的含量呈現明顯的季節性變化特征，污泥中EPS含量與溫度呈顯著負相關(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的季節性變化特征相一致. 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、 多糖的釋放及其對后續污泥脫水性能和絮凝劑消耗的影響發現，不同處理方式下釋放的蛋白質、 多糖濃度都與后續污泥脫水絮凝劑的消耗呈顯著正相關(R2>0.9). Neyens等[17]綜述了預處理過程(熱處理、 酸堿處理、 Fenton氧化)對污泥脫水性能的影響，結果揭示污泥脫水性能的改善主要是通過預處理對污泥EPS中蛋白質、 多糖的降解，進而改變EPS對水的束縛特性.
圖 6 2013年污泥有機質變化情況
污泥中EPS含量及其組成季節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條件下，活性污泥中微生物代謝變化導致產生的EPS含量及組成發生差異，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膜污染的聯系，實驗結果表明，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原因，進而提出適于污泥特性的污泥脫水調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 結論
(1)A2/O和A2/O-MBR工藝的污泥脫水性能均呈現明顯的季節性變化特征，冬季較難脫水.
(2)污泥脫水絮凝劑投配率季節性變化明顯，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)污泥有機質含量呈顯著季節性變化是影響污泥脫水性能的關鍵因素之一，其次，A2/O工藝中，污泥脫水性能也與污泥齡等運行參數有一定聯系.（來源及作者：中國科學院生態環境研究中心 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 ）
