污泥脱水是污泥减量的主要手段，其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%左右，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.

本研究采用的A²/O和A²/O-MBR工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.

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m³ ·d^-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 (BASF 8165)，阳离子度为60%. 三期A²/O-MBR工艺于2012年4月20日开始试运行，设计处理能力为15万m³ ·d^-1，单独采用奥地利ANDRITZ离心脱水机(型号D6LXC 30 C HP)进行污泥脱水，絮凝剂为巴斯夫8165 (BASF 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.

冗余分析(redundancy analysis，RDA)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RDA分析将脱水污泥特性(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(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SPSS 18.0计算，RDA分析和作图采用Canoco 5.0.

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-MBR工艺的污泥脱水效果均呈现季节性变化特征，6~9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-MBR工艺的脱水污泥含水率年均值分别为(82.56±1.35)%和(81.92±1.64)%，而在1~5月，两种污水处理工艺的脱水污泥含水率都超过了83%.

图 1

Fig. 1

图 1 2013年脱水污泥含水率变化情况 Fig. 1 Variation of moisture content of dewatered sludge in 2013

通过SPSS 18.0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污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.

表 1(Table 1)

表 1 2013年脱水污泥含水率描述性统计分析 Table 1 Descriptive statistical analysis of moisture content of dewatered sludge in 2013 污水处理工艺 冬末、 春(01-01~04-23) 夏、 秋初(04-24~09-23) 秋末、 冬初(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 变异系数 A2/O 83.14 1.88 0.017 81.96 1.39 0.014 82.81 1.45 0.015 82.56 1.82 0.016 A2/O-MBR 83.49 2.22 0.018 80.79 1.16 0.013 81.88 0.86 0.011 81.92 2.70 0.020

表 1 2013年脱水污泥含水率描述性统计分析 Table 1 Descriptive statistical analysis of moisture content of dewatered sludge in 2013

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.

图 2

Fig. 2

图 2 2013年絮凝剂消耗量变化情况 Fig. 2 Variation of flocculant consumption in sludge dewatering in 2013

如表 2所示，全年A²/O工艺与A²/O-MBR工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±7.25) kg ·t^-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-MBR工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10~12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脱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脱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MBR工艺和传统活性污泥法污泥过滤阻力差异，结果表明，MBR工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2~3倍.

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-MBR工艺污泥离心脱水单位电耗的方差和变异系数分别为27765.21、 0.502，A²/O工艺为1671.91、 0.336，A²/O-MBR工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脱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.

表 2(Table 2)

表 2 2013年污泥脱水絮凝剂消耗量描述性统计分析 /kg ·t-1 Table 2 Descriptive statistical analysis of flocculant consumption in sludge dewatering in 2013/kg ·t-1 污水处理工艺 冬末、 春(01-01~04-23) 夏、 秋初(04-24~09-23) 秋末、 冬初(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 变异系数 A2/O 10.08 7.61 0.274 6.78 5.10 0.333 5.35 2.21 0.278 7.42 8.63 0.396 A2/O-MBR 10.13 17.06 0.408 6.59 5.50 0.356 10.38 38.08 0.594 8.70 20.97 0.526

表 2 2013年污泥脱水絮凝剂消耗量描述性统计分析/kg ·t-1 Table 2 Descriptive statistical analysis of flocculant consumption in sludge dewatering in 2013/kg ·t-1

表 3(Table 3)

表 3 2013年污泥脱水电耗描述性统计分析 /kW ·h ·t-1 Table 3 Descriptive statistical analysis of energy consumption in sludge dewatering in 2013/kW ·h ·t-1 污水处理工艺 冬末、 春(01-01~04-23) 夏、 秋初(04-24~09-23) 秋末、 冬初(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 变异系数 A2/O 82.58 221.70 0.180 132.90 1530.42 0.294 149.29 878.62 0.199 121.57 1671.91 0.336 A2/O-MBR 314.59 22615.18 0.478 306.09 13228.31 0.376 391.24 51821.28 0.582 331.82 27765.21 0.502

表 3 2013年污泥脱水电耗描述性统计分析 /kW ·h ·t-1 Table 3 Descriptive statistical analysis of energy consumption in sludge dewatering in 2013/kW ·h ·t-1

图 3

Fig. 3

图 3 2013年污泥脱水电耗情况 Fig. 3 Energy consumption of sludge dewatering in 2013

A²/O-MBR工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工艺离心脱水机扭矩设定在30%左右，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11 r ·min^-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%以上，差速在2.3 r ·min^-1左右. 可见，两种离心机的运行扭矩、 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 ·(kW ·h)^-1计算，结果如图 4所示. A²/O工艺的污泥脱水絮凝剂成本(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 ·t^-1，用电成本为231.61元 ·t^-1. A²/O-MBR工艺污泥脱水的絮凝剂成本和脱水机电耗成本相对较高.

图 4

Fig. 4

图 4 2013年污泥脱水絮凝剂、 电耗成本 Fig. 4 Cost of flocculant and energy consumption in sludge dewatering in 2013

污泥脱水性能与其泥质特征有密切联系^[10~12]，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RDA分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、 脱水性能解释时各自的重要性和显著性结果(499次变换的Monte Carlo 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-MBR工艺中显著相关； 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-MBR工艺中污泥负荷、 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RDA分析，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-MBR工艺和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.

表 4(Table 4)

表 4 各个变量解释的重要性和显著性检验结果 1) Table 4 Importance and significance levels of each variable 污水处理工艺 统计量 水温 污泥SVI 曝气池/膜池MLSS 处理水量 进水COD 进水SS 污泥负荷 污泥龄 一期倒置A2/O工艺 重要性/% 1.9 2.8 4.4 0.6 4.7 3.1 1.1 12.4 显著水平(P检验) 0.002** 0.002** 0.002** 0.136 0.002** 0.006** 0.03 0.002** 二期A2/O工艺 重要性/% 2.0 3.7 4.4 0.7 4.8 3.2 2.6 4.6 显著水平(P检验) 0.004** 0.002** 0.002** 0.124 0.002** 0.002** 0.012 0.006** 三期A2/O-MBR工艺 重要性/% 11.6 5.8 4.5 3.1 3.0 2.7 0.7 0.7 显著水平(P检验) 0.002** 0.002** 0.002** 0.002** 0.002** 0.004** 0.112 0.114 1)**表示在0.01显著性水平上显著

表 4 各个变量解释的重要性和显著性检验结果 1) Table 4 Importance and significance levels of each variable

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-MBR工艺，RDA分析结果表明，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-MBR工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工艺RDA分析结果，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. 此外，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有利于后续污泥脱水.

图 5

Fig. 5

图 5 进水水质、 工艺参数与污泥脱水特征要素的RDA分析结果 Fig. 5 RDA results of influents,process parameters and characteristic variables of sludge dewatering

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-MBR工艺中污泥有机质受水温影响显著. 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7~8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对污泥脱水性能的影响. 例如，Wilén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含量与温度呈显著负相关(r_p=-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对水的束缚特性.

图 6

Fig. 6

图 6 2013年污泥有机质变化情况 Fig. 6 Variation of sludge organic matter in 2013

污泥中EPS含量及其组成季节性变化的原因目前尚不明确，这种变化极有可能是不同季节条件下，活性污泥中微生物代谢变化导致产生的EPS含量及组成发生差异，同时，也可能受到污水处理过程运行条件的影响(如污泥龄). Al-Halbouni等^[8]曾研究了不同污泥龄下污泥EPS与脱水性能以及MBR膜污染的联系，实验结果表明，相对较长的SRT(40d)，缩短SRT(23d)会导致污泥中EPS含量的增加，进而导致污泥沉降性能和脱水性能的变差. 尽管这一结论尚有待进一步的实验研究和论证，但这将有利于人们深入认识污泥脱水性能差异的本质原因，进而提出适于污泥特性的污泥脱水调控策略和絮凝剂投加策略，提高污水处理厂絮凝剂的利用效率. 因此，建议有条件的污水处理厂，为了实现高效低耗污泥脱水，有必要定期测试污泥中EPS及其组成含量.

(1)A²/O和A²/O-MBR工艺的污泥脱水性能均呈现明显的季节性变化特征，冬季较难脱水.

(2)污泥脱水絮凝剂投配率季节性变化明显，冬季絮凝剂投配率明显高于夏季. 全年A²/O工艺与A²/O-MBR工艺污泥脱水絮凝剂投加量平均为(7.42±2.96) kg ·t^-1、 (8.70±7.25) kg ·t^-1.

(3)A²/O-MBR工艺的污泥机械脱水电耗为331.82 kW ·h ·t^-1，相对高于A²/O工艺(121.57 kW ·h ·t^-1). 综合考虑用电成本和絮凝剂消耗成本，A²/O-MBR工艺的污泥脱水成本较高.

(4)污泥有机质含量呈显著季节性变化是影响污泥脱水性能的关键因素之一，其次，A²/O工艺中，污泥脱水性能也与污泥龄等运行参数有一定联系.