我国城镇污水处理厂污泥产率系数现状及影响因素分析

陈敏敏，刘 杰，李莉娜，邱立莉，杨伟伟，敬 红

（1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012；2.中城院（北京）环境科技股份有限公司，北京 100120）

随着我国城镇污水处理设施建设的逐步完善，我国污水集中处理能力显著提高，目前我国市县污水处理规模达2.47 亿m3/d，污水年处理总量为716.96 亿m3，已基本满足市县居民生活排水的要求〔1-2〕。随着污水处理提质增效新要求的提出，城镇污水处理设施建设运行向泥水并重、再生利用转变，今后污泥的处理处置将成为城镇污水处理设施建设运行和监督管理的重点。同时，在双碳目标战略背景下，污水处理活动的温室气体排放量不容忽视。污水处理排放的甲烷和氧化亚氮分别占全社会排放总量的4.9%和5.6%，污泥的产生及后续处理处置过程同时具有碳排放和碳减排效应，是实现污水处理碳中和工作的着力点〔3-6〕。掌握污水处理过程中影响污泥产生的影响因素，对于从源头上实现污泥减量化具有重要意义。目前我国在污泥处置方面的研究多集中在污泥处理系统设计、污泥产量或产率系数计算方法、计算公式等方面〔7-11〕。本研究基于我国城镇污水处理厂污泥产生情况统计及监测数据，分析污泥产率系数总体特征，研究进水水质、设计规模、处理工艺和地区分布等不同因素对污泥产率系数的影响，以期在宏观层面得到影响污泥产生的主要因素，为污泥源头减量提供基础数据支持。

1 研究对象和方法

本研究中数据来源为2020 年生态环境统计以及开展自行监测、执法监测的城镇污水处理厂，研究对象选取4 959 家主体工艺采用一种活性污泥法的污水处理厂，污水水量、污水水质、污泥产量和污泥含水率等数据均来自所调查污水处理厂的运行报表。所研究污水处理厂分布在全国31 个地区，总设计处理能力、污水实际处理量、干污泥产生量均约占全国总量的70%，能较好地反映全国城镇污水处理厂的总体水平。城镇污水处理厂污泥产量主要受服务范围内排水体制、进水水质、污水及污泥处理工艺等多因素的影响〔12〕。本研究中的污泥主要来自城镇污水处理过程中产生的初沉池、二沉池污泥，不包括栅渣、浮渣和沉砂。采用两个研究指标，一是经验污泥产率系数（YQ），二是以去除COD 导致的污泥增殖来计算的污泥产率系数（YCOD），从实际处理污水量和单位体积污水有机污染物去除量两个角度来分析污泥的产生情况。其中YQ为处理每万立方米污水的干污泥产生量，YCOD为去除单位质量COD 的干污泥产生量。YQ、YCOD的计算见式（1）、式（2）。

式中：YQ——经验污泥产率系数，10-4t/m3；

YCOD——以去除COD 导致的污泥增殖来计算的污泥产率系数，kg/kg；

M——脱水污泥实际产量，t；

ω——脱水污泥含水率，%；

Q——污水实际处理量，104m3；

ΔCOD——COD 的去除量，t。

2 结果与讨论

2.1 总体分析

对4 959 家城镇污水处理厂的YQ、YCOD进行分析，结果见表1。

表1 污泥产率系数分布特征Table 1 Distribution characteristics of sludge yield coefficients

由表1 可以看出，不同城镇污水处理厂的YQ、YCOD变化幅度较大，因部分污水处理厂数值较高，总体呈正偏态分布。本研究的4 959家污水处理厂的YQ平均为1.33×10-4t/m3，范围为（0.49～4.17）×10-4t/m3，其中80%置信区间内YQ平均为1.25×10-4t/m3；YCOD平均为0.81 kg/kg，范围为0.18～2.25 kg/kg，其中80%置信区间内的YCOD平均为0.78 kg/kg。研究表明，2015—2017 年YCOD的全国总体平均值分别为0.69、0.62、0.77 kg/kg〔13-16〕，本研究中的YCOD总体平均值为0.66 kg/kg，因此YQ、YCOD与其他研究结果进行对比，数值具有较好的可比性，在一定的合理范围内。

2.2 进水水质影响分析

将城镇污水处理厂的进水平均COD分为7类，分析不同进水COD区间的污水处理厂YQ、YCOD，结果见表2。

表2 不同COD 区间下污泥产率系数分布Table 2 Distribution of sludge yield coefficients under different COD ranges

由表2 可知，城镇污水处理厂进水COD 升高，对应浓度区间的YQ逐渐变大，YCOD逐渐变小。本研究中进水COD 平均为210.0 mg/L，中位值为181.5 mg/L，YQ、YCOD的平均值对应的COD 区间范围均为150～250 mg/L，与进水COD 平均值所在区间具有较好的符合性。

本研究的各污水处理厂实际YCOD平均值、总体平均值比理论研究值〔17-18〕偏高，在一定程度上反映出了我国城镇污水处理厂进水有机物浓度偏低的特点，如本研究平均进水COD 为我国相关管理要求进水COD 的60%～80%〔19〕。当污水处理厂进水污染物浓度较低时，水质达标率会较高，但污染物去除量则较低，而随着进水COD 由≤150 mg/L 逐步提高至＞400 mg/L，COD 去除率提高14.4%，单位污染物去除量也会较高，YCOD平均值则逐渐变小。污泥产生量受多种因素综合影响，其主要来源于微生物降解有机物的自身增殖和污水中吸附沉淀的悬浮固体。此外，为达到更严格的氮磷排放限值要求，需外加碳源提升脱氮除磷的效果，生物除磷形成的聚合磷酸盐以及化学除磷添加的药剂也会使污泥产量增加，本研究中的YQ平均值随着进水污染物浓度的增加而逐渐变大也与污泥产生来源相对应。

2.3 设计处理规模影响分析

按照设计处理规模的不同将城镇污水处理厂分为5 类，不同规模的污水处理厂YQ、YCOD见表3。

表3 不同设计处理规模下污泥产率系数分布Table 3 Distribution of sludge yield coefficients under different design treatment scales

由表3 可知，目前我国城镇污水处理厂以中小规模为主，设计处理规模低于1×105m3/d 的城镇污水处理厂数量占比为95.3%；而设计处理规模为1×104～2×105m3/d 的城镇污水处理厂为当前我国城镇污水处理的主体，污水实际处理量占比为72.1%。

设计处理规模≤1×104、＞1×104～1×105、＞1×105～2×105、＞2×105～5×105、＞5×105m3/d 的5 类城镇污水处理厂YQ与平均值比较，相对偏差分别为-3.6%、2.8%、11.8%、15.3%、1.1%；除＞5×105m3/d 规模的污水处理厂外，其他污水处理厂YQ均随设计处理规模的增加而提高。5 类城镇污水处理厂的YCOD与平均值比较，相对偏差分别为11.5%、-4.3%、-18.8%、-19.6%、-25.1%，YCOD随设计处理规模的增加而降低。规模为＞1×104～1×105m3/d 的污水处理厂YQ、YCOD与平均值较为接近，相对偏差分别为2.8%、-4.3%，该类规模的城镇污水处理厂对污泥总体产生量影响较大，这与该类城镇污水处理厂总体处理规模、污水处理量占比大有关。规模为≤1×104、＞5×105m3/d 的两类污水处理厂的YQ与平均值接近，但YCOD分别为5 类规模的最大值和最小值。大型污水处理厂在污水收集及运行管理上具有优势，污泥产率系数较低，污泥的产生总量减少；同时因全国存在大量设计处理规模较小污水处理厂，其易受污水收集、进水浓度变化、运行管理等多因素的影响，虽然YQ较平均值偏低，但YCOD较高。

2.4 处理工艺影响分析

目前，我国城镇污水处理厂广泛应用活性污泥法作为主要处理工艺，采用该类工艺的污水处理厂数量占全国污水处理厂总数的81.6%〔20〕。本研究的污水处理厂大多采用A2/O 工艺、氧化沟类、普通活性污泥法、A/O 工艺，采用这4 种工艺的城镇污水处理厂数量占比为85.5%，此外还有部分污水处理厂采用了SBR 类、MBR 类、A/O2工艺和AB 法。以上8 种活性污泥法处理工艺的污泥产率系数分布情况见表4。

表4 不同处理工艺下污泥产率系数分布Table 4 Distribution of sludge yield coefficients under different treatment processes

由表4 可知，A2/O 工艺、氧化沟类、普通活性污泥法、A/O 4种工艺的YQ、YCOD均与平均值接近，相对偏差范围分别为-1.8%～1.9%、-2.3%～5.8%；SBR类、MBR类因其工艺特点使污泥产率较低，YQ分别比平均值低2.8%、6.0%，YCOD与平均值的相对偏差分别为-4.9%、0.1%。本研究中，A/O2工艺、AB法YQ与平均值的相对偏差分别为3.4%、15.7%，YCOD与平均值的相对偏差分别为13.4%、-11.1%，与其他工艺类型比较相对偏差较大，这是因为其应用较少，受污水处理厂的实际情况影响较大；采用氧化沟类、普通活性污泥法的污水处理厂进水平均COD分别为200.7、214.7 mg/L，采用AB法的两家污水处理厂进水COD＞500 mg/L，导致AB法类污水处理厂进水平均COD相对较高，为276.9 mg/L；从结果看，氧化沟类污水处理厂YCOD略高于普通活性污泥法污水处理厂，同时AB法污水处理厂YCOD相较于其他工艺低，说明YCOD除受处理工艺不同影响外，还与进水污染物浓度相关。

2.5 区域分布影响分析

按照全国地理分区分析不同地区污水处理厂的YQ、YCOD情况，结果见表5。

表5 不同地理区域污泥产率系数分布Table 5 Distribution of sludge yield coefficientsin different geographical regions

由表5 可知，各地区的YQ与平均值相对偏差为-16.4%（华南地区）～16.8%（西北地区）；华东地区、华中地区的YQ与平均值接近，相对偏差分别是2.9%、-2.6%；各地区YQ与进水COD 呈正相关；YCOD地区分布情况与YQ情况相反，YCOD与进水COD 基本呈负相关，各地区YCOD与平均值的相对偏差范围为-20.5%（西北地区）～14.0%（华南地区）；华东、西南地区YCOD与平均值接近，相对偏差分别为3.4%、-0.2%。结合各地区水资源总量分布情况〔21〕，可以看出进水有机物浓度的高低是造成污泥产率系数差异的主要因素。

2.6 方差分析

采用多因素方差分析〔22-23〕来判断城镇污水处理厂进水COD、处理规模、处理工艺和区域分布4个因素分类分别对YQ、YCOD的显著性影响情况，分析结果见表6、表7。

表6 不同影响因素对YQ的显著性影响分析结果Table 6 Analysis results of significant influence of different effect factors on YQ

表7 不同影响因素对YCOD的显著性影响分析结果Table 7 Analysis results of significant influence of different effect factors on YCOD

由表6 可知，当显著性水平为0.05 时，进水COD、处理工艺两个单一因素对YQ影响显著；多个因素相互影响时，进水COD×设计处理规模×处理工艺、进水COD×处理工艺×地理分区涉及到的3 个因素，进水COD×设计处理规模×处理工艺×地理分区涉及到的4 个因素的协同影响显著性均小于0.05，可以看出COD 进水浓度与处理工艺两个因素协同可显著影响YQ。由表7可知，对于YCOD，进水COD、设计处理规模两个单一因素的影响显著，多因素共同作用影响不显著。由此可见，不同设计处理规模的污水处理厂保持稳定的进水浓度、选择适合的处理工艺和设计处理规模，有利于降低污水处理厂污泥的产生量，其中进水有机物浓度为主要的影响因素。

3 结论

我国城镇污水处理厂的YQ平均为1.33×10-4t/m3，YCOD平均为0.81 kg/kg，不同城镇污水处理厂的YQ、YCOD差异较大，总体呈正偏态分布。

总体来看，YQ平均值与进水COD、设计处理规模正相关，YCOD平均值与进水COD、设计处理规模负相关。YQ、YCOD平均值对应的COD 区间范围为150～250 mg/L，与COD 平均值（210.0 mg/L）所在区间一致。规模为1×104～1×105m3/d的污水处理厂YQ、YCOD与平均值最为接近，相对偏差分别为2.8%、-4.3%。

从处理工艺来看，A2/O 工艺、氧化沟类、普通活性污泥法、A/O 工艺4 种活性污泥处理工艺的YQ、YCOD与平均值接近，相对偏差范围分别为-1.8%～1.9%、-2.3%～5.8%。从地理分区来看，各地区的YQ、YCOD与平均值的相对偏差范围处于-20.5%～16.8%，华东和华中地区的YQ，华东、西南地区YCOD与平均值基本持平。

通过多因素方差分析，YQ受进水COD 与处理工艺两个因素协同作用影响显著，YCOD受进水COD、设计处理规模两个单一因素影响显著，其中进水COD对YQ和YCOD均产生显著影响。

该研究仅对我国运行的采用一种活性污泥法的城镇污水处理厂污泥产率系数现状开展总体分析，鉴于获取数据的局限性，建议后续同类研究开展对进水中无机悬浮固体、挥发性悬浮固体及总悬浮固体的分布特征，以及污泥稳定化处理等因素对污泥产率系数的影响分析及研讨，得到我国污泥产率系数的全面影响因素，以期为从源头上减少污泥产生提供参考。