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经验污泥产率采用式(1)计算。
本研究对调研范围内污水处理厂经验污泥产率进行了统计分析,以常州市QT污水处理厂为对象,考察了经验污泥产率与进水水质、环境温度、运行参数等因素的相关性,分析了经验污泥产率的季节性波动原因。其中,QT污水处理厂于2010年改造投运,设计处理能力为2万m³/d,生物处理采用AAO工艺,出水执行GB18918—2002一级A标准,服务范围内排水体制为分流制,污水处理厂进水中生活污水比例为100%。
2污泥产率变化规律
调研范围内106座污水处理厂经验污泥产率平均值为1.62tDS/万m³,其中80%置信区间内污泥产率为0.91~2.41tDS/万m³,平均值为1.57tDS/万m³。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。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(图1)。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%。
3污泥产率影响因素
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。经验污泥产率受多种因素综合影响,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、混合液悬浮固体含量和污泥龄等)。
(1)进水水质
污水处理过程中,大部分悬浮固体通过吸附或沉淀作用产生污泥,德国废水工程协会推荐悬浮固体的污泥转化率取值0.6,日本推荐取值0.9~1.0,而我国推荐取值0.5~0.7;进水中的有机物被微生物摄取后,约有1/3发生分解代谢转化成二氧化碳和水,约有2/3发生合成代谢,产生剩余活性污泥[5]。因此,污泥产量受进水悬浮固体和有机物含量影响较大。本研究对2012年1月~2014年12月常州QT污水处理厂污泥产率与进水水质的关系进行分析发现,经验污泥产率与进水悬浮固体(SS)浓度和五日生化需氧量(BOD5)呈现显著的正相关性(图2和图3)。
常州QT污水处理厂是典型的进水以生活污水为主的污水处理厂,进水SS和BOD5均呈现出显著的季节规律性(图4),冬春季进水SS和BOD5浓度较高,而夏秋季进水SS和BOD5较低,这可能是污泥产率呈季节性波动的主要原因。此外,研究还发现,该厂污水处理单元混凝剂投加量与进水SS呈正相关性(图5),进水SS较高时一般会投加更多混凝剂,产生更多的化学污泥,这进一步增大了污泥产率随SS浓度的波动幅度。
2014年调研范围中的106座污水处理厂进水COD浓度平均值为333mg/L,BOD5浓度平均值为137mg/L,进水有机物浓度整体不高;进水SS浓度平均值为213mg/L,其中10%的污水处理厂月均进水SS浓度高达368~546mg/L,导致污泥产率明显上升。因此,控制进入合流制管网的悬浮固体含量、强化污水处理厂预处理阶段泥沙分离效果,对于污泥源头减量具有重要意义,在工程设计、建设和运行管理中应予以高度重视。
(2)环境温度
常州QT污水处理厂经验污泥产率与水温相关性如图6所示,两者呈负相关关系,水温越高,则污泥产率越低,与刘占孟等研究结论类似。其原因可能有两个方面:一方面,温度会影响微生物的同化作用和异化作用,谭学军等研究不同温度下AAO工艺剩余污泥产率时发现,污泥合成产率系数受温度影响不大,而污泥衰减系数随温度的升高而增大,导致污泥表观产率系数随温度的升高而降低;另一方面,本研究探讨温度对污泥产率的影响规律时,未能排除水质波动的影响,通常在夏季由于降雨较多而导致污水有机物浓度较低,冬季反之,这也是导致经验污泥产率呈现出与温度负相关的潜在原因。
2012年1月~2014年12月QT污水处理厂污泥产率随水温季节波动规律如图7所示,夏季温度较高,污泥产率较低;冬季温度较低,污泥产率则相对较高。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原因之一。
(3)运行参数
本研究发现,QT污水处理厂经验污泥产率与生化反应池混合液悬浮固体浓度(MLSS)呈正相关关系(图8),MLSS越高,污泥产率也相应越高。此外,该厂生化池MLSS呈季节性规律波动,污泥产率波动规律与MLSS相一致,且略微滞后于MLSS波动(图9),这表明污泥产率波动可能是被动的受MLSS变化影响。进一步分析原因发现,冬季水温较低,硝化菌代谢活性较差,为了保证硝化效果,污水处理厂通常会在冬季提高生化反应池MLSS浓度,而夏季正好相反。一方面,MLSS越高微生物量越多,产生的污泥量越多,导致冬季污泥产率高而夏季污泥产率低;另一方面,污水处理厂一般会在秋季逐渐减少排泥量以提高冬季生化池MLSS浓度,在春季逐渐增加排泥量以减少夏季生化池MLSS浓度,而经验污泥产率的统计以排泥量为依据,因此春季污泥产率高而秋季污泥产率低,这可能是污泥产率季节波动的另一重要原因。
值得注意的是,污水处理厂还会在冬季适当增加污泥龄以提高低温条件硝化效果,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泥龄关系不大,而衰减系数随污泥龄的延长而增大。本研究中,冬季经验污泥产率反而更高,这可能是因为污泥产率受进水水质、环境温度、生化反应池活性污泥浓度等因素综合作用,污泥龄对污泥产率的影响与其他因素相比较弱的缘故。
4结论
(1)重点流域污水处理厂经验污泥产率平均值为1.62tDS/万m³,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,冬春季污泥产率较高,夏秋季污泥产率相对较低。
(2)经验污泥产率与进水有机物含量和悬浮固体浓度呈显著正相关性,冬春季进水SS和BOD5浓度较高,而夏秋季进水SS和BOD5浓度较低,这可能是污泥产率呈现季节性波动的主要原因。
(3)经验污泥产率与水温呈负相关性,我国大部分区域温度季节变化显著,污泥产率随水温变化相应产生波动,这可能是污泥产率呈现季节规律性的原因之一。
(4)为保证低温硝化效果,污水处理厂通常会在冬季提高生化反应池MLSS浓度,微生物量越多产生的污泥量相应越多,这可能是冬季污泥产率较高的另一原因。
原标题为《城市污水厂污泥产率季节变化与影响因素分析》
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