污泥脱水效能的分析及研究

1、污泥脱水效能的分析及研究污泥脱水是污泥减量的主要手段，具减量效果不但影响污泥运输贮存，脱水后污泥含水率也影响污泥后续处理处置.目前污水处理厂污泥机械脱水后含水率在80%fc右，仍不能满足污泥后续填埋、焚烧、堆肥等处置要求1.已有研究表明2,3,污泥脱水性能与污泥泥质有密切联系，因此不同污水处理工艺及运行条件下污泥泥质差异4,会影响到污泥的脱水性能5.通常，污水处理厂污泥脱水所需的絮凝剂投配率为3%。8%。，但由于污泥泥质的波动，为保障稳定的污泥脱水效能，需要相应地调整絮凝剂的投配率.然而，目前污水处理厂絮凝剂投配率的调整仍然是依据现场操作人员的经验判断，通常冬季污泥较难脱水，则相应地提高絮凝剂

2、的投配率.这种调整絮凝剂投配率的经验模式缺乏科学的投加策略，不能高效利用絮凝剂.因此，亟需通过调研和实验研究，明确不同污水处理工艺及其运行条件下，污泥脱水效能以及絮凝剂投配率的变化特征，从而优化污泥脱水工艺，但这方面的工作目前仍鲜有报道.因此，本文以北京市某大型污水处理厂的A2/O工艺和A2/O-MBR工艺污泥脱水过程为研究对象，分析不同污水处理工艺全年的污泥产量、污泥有机质、污泥脱水的絮凝剂消耗量、污泥脱水效果等变化特征，并采用统计学方法，分析不同污水处理工艺的污泥泥质、脱水效能及其影响因素，以期为今后实现污水处理厂污泥脱水的优化管理提供理论依据.1材料与方法1.1 数据来源本研究采用的A2

3、/O和A2/O-MBRI艺全年运行基本参数、污泥产量、污泥有机质、离心脱水絮凝剂消耗量、脱水效果等数据来自于北京市某大型污水处理厂提供的2013年运行数据.1.2 工艺简介该污水处理厂一期、二期均采用A2/O生物处理工艺，其中一期为倒置A2/O工艺，设计总处理水量为40万m3d-1.一期、二期二沉池污泥统一离心机械脱水，采用德国产Westfalia离心式浓缩脱水一体机（型号UCA755-00-12）,絮凝剂为巴斯夫8165,阳离子度为60%.三期A2/O-MBR!艺于2012年4月20日开始试运行，设计处理能力为15万m3d-1,单独采用奥地利ANDRIT鸡心脱水机（型号D6LXC30CHP泄

4、行污泥脱水，絮凝剂为巴斯夫8165.具体工艺介绍及主要运行参数，如文献6所述.污水处理厂实际运行中，一期、二期脱水机房离心机6用4备，三期脱水机房离心机4用2备，保证离心机轮流维修的同时，整体脱水效率不受影响，并且2013年，该厂脱水机房并未进行长时间药剂实验.因此，本研究所分析数据基本不存在停机维护、调试运行所产生的非正常影响.1.3 数据分析冗余分析是一种直接梯度分析方法，能从统计学角度评价一个或一组变量与另一组变量之间的关系.本研究RD粉析将脱水污泥特性（含水率、有机质、泥饼产量）及絮凝剂投配率作为响应变量（共4个），解释变量包括处理水量、水温、进水SS进水COD污泥负荷、污泥龄、曝气池

5、（膜池）污泥MLSS污泥SVI共8个变量.均值、方差、变异系数等描述性统计分析采用SPSS18.0计算，RDA分析和作图采用Canoco5.0.2结果与讨论2.1 污泥脱水效果2013年该污水处理厂脱水污泥含水率变化情况如图1所示.A2/O工艺和A2/O-MBRT艺的污泥脱水效果均呈现季节性变化特征，69月，污泥比秋末、冬季、初春更容易脱水.该时段北京处于汛期，具有降雨量偏多，同时水温较高的季节性特征，这可能影响了污泥的泥质和脱水性能.如表1所示，A2/O工艺和A2/O-MBRT艺的脱水污泥含水率年均值分别为(82.56士1.35)%和(81.92士1.64)%,而在15月，两种污水处理工艺的

6、脱水污泥含水率都超过了83%.相UMtiw犷3<*屈堂片看至弓一工£看E2O-E弓等.司营口工翼,工=un=n=q后再耨由西内内1百图12013年脱水污泥含水率变化情况通过SPSSI8.0对数据进行描述性统计分析，计算得到不同季节和全年脱水污泥含水率的方差和变异系数，可以定量地描述不同污水处理工艺不同季节污泥脱水效果的波动情况(表1).A2/O-MBR工艺的污泥脱水效果在不同季节间波动较为明显.两种污水处理工艺的污泥都在夏季更容易脱水，脱水污泥含水率基本接近80%而冬季、初春时节，脱水污泥的含水率明显增高，达到(83.49±1.49)%.这说明不同污水处理工艺污泥脱水

7、性能都受到季节性影响更为显著.生物处理过程产生的污泥脱水性能受季节性变化影响，已有相关的研究报道.Wang等7通过实验研究发现，温度季节变化对MBR亏泥脱水性能的影响显著，低温下污泥CST的增大表明其脱水性能的严重恶化此外，Al-Halbouni等8对德国一座处理能力为80000人口当量的污水处理厂调查也得到类似结果，冬季污水处理厂污泥过滤性能较夏季更差.冬末,看(Q>0174-23)亶、秋初(Q4-24-Q903)秋末.冬初85247231)全年均值何方差变异系数均值方差变异系敷均值嫡方差芟异系数均值帆方差变异系激A2/083961.39C.0U82.6114

8、50.015S2.561820.016AVOJdBR83.492.22(J.01B80751.160.01331.630.860.01131.92Z,700.020表12013年脱水污泥含水率描述性统计分析2.2 絮凝剂消耗由于污泥脱水性能的季节性变化，为保证脱水效果，污水处理厂污泥脱水絮凝剂的消耗也表现相应的季节性特征.污水处理厂2013年两种工艺污泥脱水所需絮凝剂的消耗情况如图2所示.与脱水污泥含水率的变化情况类似，冬季污泥脱水絮凝剂的消耗量较高，而夏季污泥脱水絮凝剂的消耗量相对较少.;与*会室E-XX哥EIB.E再早一工一片N二一.N房¥.6一%日莒反禹图22013年絮凝剂消耗

9、量变化情况如表2所示，全年A2/O工艺与A2/O-MBRT艺中污泥脱水絮凝剂的平均投配率(以DS计，下同)分别为(7.42±2.96)kg-t-1和(8.70士7.25)kgt-1.A2/O工艺脱水污泥絮凝剂的投配率波动相对较小，而A2/O-MBRX艺脱水污泥絮凝剂的投配率波动大，特别在冬季，絮凝剂的投配率不但高，波动也更为明显，在1012月末，絮凝剂投配率的方差和变异系数分别达到38.08、0.594,根据水厂2013年运营报告，MBR兑水机泥饼产量波动很大，其中，在11月底进行了配电室停电清扫，脱水机停机，使得近几天的产泥量较低,此外，8、9、10、12月中下旬出现几次泥饼产量骤

10、增的情况，固体负荷是影响污泥离心脱水机运行状态的重要参数.因此，这可能是导致MBR兑水机药剂量在秋末冬初波动大的原因,在数据较为稳定的夏季和秋初，两种工艺下污泥脱水絮凝剂消耗差别不大.但是，孙宝盛等9在实验室对比研究了MBRC艺和传统活性污泥法污泥过滤阻力差异，结果表明，MBRE艺污泥混合液的过滤阻力达到了传统活性污泥法过滤阻力的23倍.2.3 能耗分析污泥脱水过程能耗主要是离心脱水机用电消耗，如图3所示，两种污水处理工艺离心脱水机全年用电消耗并未表现出季节性变化特征,如表3所示，两种工艺的污泥脱水电耗描述性统计分析结果表明，A2/O-MBRE艺污泥离心脱水单位电耗的方差和变异系数分别为277

11、65.21、0.502,A2/O工艺为1671.91、0.336,A2/O-MBRE艺污泥脱水所用离心机耗电比较严重，并且在冬季波动更为明显,如前所述，冬季MBR兑水机泥饼产量的波动可能是导致药剂消耗、电耗波动的原因.污水处理工艺冬末、6(01-01-04-23)g.秋初(04少40923)秋末、M(09-24*12-31)全年均值方差变异系数均值方差变异系数均值方差变异系数均值方差变异系效10.087.610.2745785.10033353522102787.428,630.396南口山日R10.1317.060.4036.595.500.356103B380B0.594S.7020.97

12、0.526表22013年污泥脱水絮凝剂消耗量描述性统计分析/kgt-1污水处理工艺冬末、均值春夏*秋初（。务24-09-23）秋末、方差变异系数均值方差费异系数均值冬初99-2472Q1）方差变异系数均值全年方差雷A708258221.700.130132901530.420.29414929878.620.199121.571671,910.3A704JBR314.5922615.180.478306.0913223310.3763912451021280582331.8227765.2105表32013年污泥脱水电耗描述性统计分析/kWht-1图32013年污泥脱水电耗情况A2/O-MBR

13、C艺全年污泥离心脱水单位电耗在全年不同阶段电耗均较高.这可能与不同离心机本身运行方式不同有关，A2/O-MBR：艺离心脱水机扭矩设定在30施右，根据设定扭矩，离心机差速自动调节，二者无线性关系，通过设定上限为11rmin-1,来避免离心机扭矩过大.而一二期A2/O工艺所用离心机，扭矩控制在22%乂上，差速在2.3r,min-1左右.可见，两种离心机的运彳丁扭矩、差速明显不同.为进一步分析污水处理厂污泥脱水成本，采用单位干重污泥脱水絮凝剂成本和脱水机用电成本进行分析，其中按照絮凝剂（以干粉计）价格23.5元kg-1,用电价格0.698元（kWh）-1计算，结果如图4所示.A2/O工艺的污泥脱水絮

14、凝剂成本（以DS计，下同）为175.00元t-1,用电成本为84.86元t-1;A2/O-MBR工艺的污泥脱水絮凝剂成本为204.76元t1，用电成本为231.61元4-1.A2/O-MBRC艺污泥脱水的絮凝剂成本和脱水机电耗成本相对较高图42013年污泥脱水絮凝剂、电耗成本2.4 污泥脱水性能影响因素分析污泥脱水性能与其泥质特征有密切联系1012,而污泥泥质的变化与进水水质、污水处理过程相关.通过冗余分析（RDA）可以帮助揭示进水水量、水质、污泥负荷、污泥龄等水质参数和工艺运行条件对污泥泥质特征和脱水性能的影响.表4为RD粉析的进水水质以及工艺运行条件等变量共同进行污泥泥质、脱水性能解释时各

15、自的重要性和显著性结果（499次变换的MonteCarlo检验）.显著性检验表明各解释变量是否对污泥泥质、脱水性能产生密切相关，重要性检验体现该变量对污泥泥质、脱水性能影响大小.RDA分析结果表明，水温、污泥SVI、曝气池/膜池MLSS进水COD进水SS在不同污水处理工艺中都具有99%置信度，对污泥泥质、脱水性能密切相关；污泥龄只在A2/O工艺中具有显著性，而处理水量只在A2/O-MBRT艺中显著相关；污泥负荷在所有工艺中都不具有显著性.就重要性而言，A2/O工艺中水温、处理水量、污泥负荷的重要性较低，而A2/O-MBRT艺中污泥负荷、污泥龄重要性较低.综合考虑，将污泥负荷变量剔除后再次作RD

16、砌析，结果如图5所示.RDA排序图中实心箭头代表物种（响应变量），空心箭头代表环境变量(解释变量)，物种变量与物种变量间、物种变量与环境变量间的夹角余弦值代表了各变量之间的相关性.因此，物种变量间相关关系表明，A2/O-MBRT艺和A2/O工艺的脱水污泥含水率、污泥有机质含量以及絮凝剂投配率三者之间呈正相关关系，一方面说明污泥有机质含量是影响污泥脱水性能的关键因素之一，同时说明虽然絮凝剂投加量增加，污泥仍然较难脱水.因此，在污泥泥质变化、脱水性能变差的情况下，采用提高絮凝剂投加量的控制策略是否经济有效，值得进一步探讨.污水处理工艺筑计量水温污泥呼对曝气池膜也MLSS处理水量进水COD进水SS污

17、泥负荷污泥龄一期倒置有，0_1_岂重要性,%1.92.34.40.6473.11.1124显着水平(嗨隐)00020002"0.00201360.0020.006*0.030.002二期哈。工艺重要性.%2.0374.4Q.7483.2264.6显著水平尸检蜷：。口口400020.00201240.0020.00200120.006',二期七心制日心|_艺重要性格116584.53.13.02.70.70.7显著水平(验)0.002"0.002"0.002"O.QO20.002"0004"01120.1141方表示在o.o1显

18、著性水平上显著表4各个变量解释的重要性和显著性检验结果不同污水处理工艺下，各环境变量与物种变量间的相关关系差异较大.如图5(a)所示，对于A2/O-MBRT艺，RDA析结果表明，影响污泥泥质和脱水性能的主要因素为处理水量、水温、膜池MLSS以及污泥容积指数(SVI).其中，处理水量、水温与污泥泥质、脱水性能有较强的负相关关系，处理水量和水温属于季节性变化因素，这说明污泥泥质和脱水性能受季节因素影响非常显著.膜池污泥MLSS污泥SVI与污泥脱水性能呈正相关关系，说明A2/O-MBRX艺中膜池污泥的沉降性能直接关系到后续污泥脱水的难易.图5(b)、5（c）分别为一期倒置A2/O工艺和二期A2/O工

19、艺RD粉析结果，其中，污泥脱水性能仍然与水温季节性因素呈一定负相关关系.止匕外，A2/O工艺中曝气池污泥龄也影响了污泥的脱水性能，污泥龄的延长可能会府修VIttOlLHS诧,有机物的二小厢1名杜理永宛耕利机构-O.fiV4jjfjtcnu貌惠谷姓去靠率萱曜句拄配率ftrSSVI有利于后续污泥脱水.“br的A<¥1.MI4U-Tit*凝制控出率(J)-KlA-XJ.MiaH.处理*讹瘠产a畔袋M上鼎电咙M-O.Kflil图5进水水质、工艺参数与污泥脱水特征要素的RD砌析结果上述分析表明，不同工艺污泥脱水性能受水温季节性因素影响最为突出，而A2/O-MBRT艺中污泥有机质受水温影响

20、显著.图6所示为2013年污泥有机质变化情况.与脱水污泥含水率相似，两种工艺污泥有机质含量变化呈现明显的季节性变化特征，夏季和秋初污泥有机质含量低.戴晓虎等13调研了我国南方某城市七座污水处理厂不同季节污泥有机质含量情况，同样得到在78月，污泥有机质含量最低的结果.污泥有机质含量对污泥脱水性能的影响，可能与污泥中胞外聚合物（EPS）的变化有关.因为，EPS是污泥有机质的重要组成成分，已有大量研究报道了污泥EPS对污泥脱水fi能的影响.例如，Wil等14通过对瑞典一座大型污水处理厂（800000人口当量）的调查研究表明，污泥中EPS胞外聚合物）的含量呈现明显的季节性变化特征，污泥中EPS含量与温

21、度呈显著负相关（rp=-0.71,P<0.001）,即冬季污泥EPS含量高于夏季.这与本研究中污泥有机质的季节性变化特征相一致.而已有研究证明15,16,污泥中EPS含量及其组成对污泥脱水性能有明显影响.Novak等16通过研究污泥分别在厌氧和好氧消化时，蛋白质、多糖的释放及其对后续污泥脱水性能和絮凝剂消耗的影响发现，不同处理方式下释放的蛋白质、多糖浓度都与后续污泥脱水絮凝剂的消耗呈显著正相关（R2>0.9）.Neyens等17综述了预处理过程（热处理、酸碱处理、Fenton氧化）对污泥脱水性能的影响，结果揭示污泥脱水性能的改善主要是通过预处理对污泥EPS中蛋白质、多糖的降解，进而改变EPS寸水的束缚特性.片三1一旦&三士禽R-sm寻SMK一区岩苓二舄m，一中E_CE号一下口猿田HTO嵇Msia口mi郎叫图62013年污