我國城鎮污水處理廠污泥產率系數現狀及影響因素分析

陳敏敏，劉 杰，李莉娜，邱立莉，楊偉偉，敬 紅

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

隨著我國城鎮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〕。隨著污水處理提質增效新要求的提出，城鎮污水處理設施建設運行向泥水并重、再生利用轉變，今后污泥的處理處置將成為城鎮污水處理設施建設運行和監督管理的重點。同時，在雙碳目標戰略背景下，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%，污泥的產生及后續處理處置過程同時具有碳排放和碳減排效應，是實現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生的影響因素，對于從源頭上實現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設計、污泥產量或產率系數計算方法、計算公式等方面〔7-11〕。本研究基于我國城鎮污水處理廠污泥產生情況統計及監測數據，分析污泥產率系數總體特征，研究進水水質、設計規模、處理工藝和地區分布等不同因素對污泥產率系數的影響，以期在宏觀層面得到影響污泥產生的主要因素，為污泥源頭減量提供基礎數據支持。

1 研究對象和方法

本研究中數據來源為2020 年生態環境統計以及開展自行監測、執法監測的城鎮污水處理廠，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、污泥產量和污泥含水率等數據均來自所調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，總設計處理能力、污水實際處理量、干污泥產生量均約占全國總量的70%，能較好地反映全國城鎮污水處理廠的總體水平。城鎮污水處理廠污泥產量主要受服務范圍內排水體制、進水水質、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污水處理過程中產生的初沉池、二沉池污泥，不包括柵渣、浮渣和沉砂。采用兩個研究指標，一是經驗污泥產率系數（YQ），二是以去除COD 導致的污泥增殖來計算的污泥產率系數（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生情況。其中YQ為處理每萬立方米污水的干污泥產生量，YCOD為去除單位質量COD 的干污泥產生量。YQ、YCOD的計算見式（1）、式（2）。

式中：YQ——經驗污泥產率系數，10-4t/m3；

YCOD——以去除COD 導致的污泥增殖來計算的污泥產率系數，kg/kg；

M——脫水污泥實際產量，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 結果與討論

2.1 總體分析

對4 959 家城鎮污水處理廠的YQ、YCOD進行分析，結果見表1。

表1 污泥產率系數分布特征Table 1 Distribution characteristics of sludge yield coefficients

由表1 可以看出，不同城鎮污水處理廠的YQ、YCOD變化幅度較大，因部分污水處理廠數值較高，總體呈正偏態分布。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%置信區間內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%置信區間內的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與其他研究結果進行對比，數值具有較好的可比性，在一定的合理范圍內。

2.2 進水水質影響分析

將城鎮污水處理廠的進水平均COD分為7類，分析不同進水COD區間的污水處理廠YQ、YCOD，結果見表2。

表2 不同COD 區間下污泥產率系數分布Table 2 Distribution of sludge yield coefficients under different COD ranges

由表2 可知，城鎮污水處理廠進水COD 升高，對應濃度區間的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 區間范圍均為150～250 mg/L，與進水COD 平均值所在區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生來源相對應。

2.3 設計處理規模影響分析

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

表3 不同設計處理規模下污泥產率系數分布Table 3 Distribution of sludge yield coefficients under different design treatment scales

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

設計處理規模≤1×104、＞1×104～1×105、＞1×105～2×105、＞2×105～5×105、＞5×105m3/d 的5 類城鎮污水處理廠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 規模的污水處理廠外，其他污水處理廠YQ均隨設計處理規模的增加而提高。5 類城鎮污水處理廠的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隨設計處理規模的增加而降低。規模為＞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%，該類規模的城鎮污水處理廠對污泥總體產生量影響較大，這與該類城鎮污水處理廠總體處理規模、污水處理量占比大有關。規模為≤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勢，污泥產率系數較低，污泥的產生總量減少；同時因全國存在大量設計處理規模較小污水處理廠，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量占全國污水處理廠總數的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 種工藝的城鎮污水處理廠數量占比為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率系數分布情況見表4。

表4 不同處理工藝下污泥產率系數分布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。

2.5 區域分布影響分析

按照全國地理分區分析不同地區污水處理廠的YQ、YCOD情況，結果見表5。

表5 不同地理區域污泥產率系數分布Table 5 Distribution of sludge yield coefficientsin different geographical regions

由表5 可知，各地區的YQ與平均值相對偏差為-16.4%（華南地區）～16.8%（西北地區）；華東地區、華中地區的YQ與平均值接近，相對偏差分別是2.9%、-2.6%；各地區YQ與進水COD 呈正相關；YCOD地區分布情況與YQ情況相反，YCOD與進水COD 基本呈負相關，各地區YCOD與平均值的相對偏差范圍為-20.5%（西北地區）～14.0%（華南地區）；華東、西南地區YCOD與平均值接近，相對偏差分別為3.4%、-0.2%。結合各地區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率系數差異的主要因素。

2.6 方差分析

采用多因素方差分析〔22-23〕來判斷城鎮污水處理廠進水COD、處理規模、處理工藝和區域分布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?！撂幚砉に?、進水COD×處理工藝×地理分區涉及到的3 個因素，進水COD×設計處理規?！撂幚砉に嚒恋乩矸謪^涉及到的4 個因素的協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同可顯著影響YQ。由表7可知，對于YCOD，進水COD、設計處理規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，不同設計處理規模的污水處理廠保持穩定的進水濃度、選擇適合的處理工藝和設計處理規模，有利于降低污水處理廠污泥的產生量，其中進水有機物濃度為主要的影響因素。

3 結論

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

總體來看，YQ平均值與進水COD、設計處理規模正相關，YCOD平均值與進水COD、設計處理規模負相關。YQ、YCOD平均值對應的COD 區間范圍為150～250 mg/L，與COD 平均值（210.0 mg/L）所在區間一致。規模為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%。從地理分區來看，各地區的YQ、YCOD與平均值的相對偏差范圍處于-20.5%～16.8%，華東和華中地區的YQ，華東、西南地區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同作用影響顯著，YCOD受進水COD、設計處理規模兩個單一因素影響顯著，其中進水COD對YQ和YCOD均產生顯著影響。

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