城鎮(zhèn)污水處理廠3種除磷方式耦合除磷效果研究*

王 剛 李魁曉# 許 騏 畢若彤 王 慰 張新勃 王佳偉

(1.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司科技研發(fā)中心,北京 100022;2.北京市污水資源化工程技術(shù)研究中心,北京 100124;3.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124;4.北京北排水環(huán)境發(fā)展有限公司,北京 100124)

2020年12月,我國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布中東部湖區(qū)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn),明確湖泊總磷(TP)基準(zhǔn)為0.029 mg/L。與此同時(shí),為進(jìn)一步提升水環(huán)境質(zhì)量,國(guó)內(nèi)重點(diǎn)流域、區(qū)域的城鎮(zhèn)污水處理廠TP排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高。北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/ 890—2012)A標(biāo)準(zhǔn)要求出水TP<0.2 mg/L,昆明市《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》(DB5301/T 43—2020)A標(biāo)準(zhǔn)要求出水TP<0.05 mg/L,日趨嚴(yán)格的TP排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)城市污水處理廠除磷效能提出了更高的要求。

隨著磷排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,結(jié)合節(jié)能降耗的需求,國(guó)內(nèi)外部分污水處理廠對(duì)除磷相關(guān)功能單元進(jìn)行了提標(biāo)改造,包括增設(shè)預(yù)缺氧池為生物釋磷提供更好的厭氧條件[1-2]、將原有的強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)(EBPR)改造為側(cè)流強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)(S2EBPR)[3-5]或在二沉池前后增設(shè)除磷藥劑加藥點(diǎn)以利用化學(xué)沉降進(jìn)一步降低出水中磷含量[6-7]等。本研究基于實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際工程生產(chǎn)實(shí)驗(yàn),對(duì)某再生水廠改良AAO工藝運(yùn)行過(guò)程中除磷效果進(jìn)行深入分析,分別研究了生物除磷、回流污泥對(duì)磷的吸附共沉淀及生物池末端投加除磷藥劑等3種方式對(duì)系統(tǒng)整體除磷效果的影響,以期通過(guò)污水處理廠生物段運(yùn)行優(yōu)化,輔以除磷藥劑投加調(diào)控,實(shí)現(xiàn)生物除磷與物化吸附、沉降除磷耦合,促進(jìn)低成本、綠色可持續(xù)除磷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本研究以北京市某污水處理廠為實(shí)驗(yàn)基地,工藝流程如圖1所示。該污水處理廠分為4個(gè)平行系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)處理工藝相同,處理水量均為25萬(wàn)m3/d。運(yùn)行過(guò)程采用兩點(diǎn)進(jìn)水,其中10%原水進(jìn)入預(yù)缺氧池與回流污泥混合,去除污泥回流液中的硝酸鹽氮和溶解氧(DO),污泥回流比為100%;剩余90%原水經(jīng)由初沉池進(jìn)入?yún)捬醭?并與預(yù)缺氧池出水在厭氧池內(nèi)混合,進(jìn)行厭氧釋磷,出水依次經(jīng)過(guò)缺氧池、好氧池進(jìn)入二沉池，好氧池出水內(nèi)回流比在100%～300%內(nèi)可調(diào),二沉池剩余污泥回流到初沉池同初沉污泥進(jìn)行混合發(fā)酵后排入泥區(qū)。此外,在好氧池出水渠投加硫酸鋁進(jìn)行化學(xué)除磷。進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)與初沉池相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

圖1 某城鎮(zhèn)污水處理廠改良AAO工藝流程Fig.1 Process of the modified AAO in a municipal wastewater treatment plant

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)與初沉池運(yùn)行參數(shù)Table 1 Inlet water quality index and operating parameters of primary sediment pond

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取其中兩個(gè)系統(tǒng)分別設(shè)置固定取樣點(diǎn),在不同初沉池泥位條件下分別進(jìn)行沿程取樣,實(shí)驗(yàn)周期為6個(gè)月,每周進(jìn)行1次取樣檢測(cè),取樣次數(shù)不低于20次,研究初沉池泥位對(duì)生物除磷效果的影響。同時(shí)開(kāi)展回流污泥對(duì)磷的吸附共沉淀生產(chǎn)性研究和實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn),并分析硫酸鋁對(duì)磷的沉降去除效果。

參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》中的方法測(cè)定水樣磷、溶解態(tài)化學(xué)需氧量(sCOD)和揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)含量以及污泥混合液懸浮固體(MLSS)和混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)濃度。其中,水樣經(jīng)過(guò)硫酸鉀高溫消解后測(cè)得的磷含量為TP;水樣通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)得的磷含量為溶解態(tài)總磷(sTP);TP與sTP差值即為水樣顆粒態(tài)總磷(pTP);水樣不經(jīng)高溫消解,通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)得的磷含量為溶解態(tài)活性磷酸鹽(sRP);sTP與sRP的差值即為溶解態(tài)非活性磷(sNRP)。

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量組織提出的針對(duì)淡水沉積物磷形態(tài)分離的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序(SMT)測(cè)定污泥含磷量,泥水混合物TP由水樣sTP和污泥含磷量計(jì)算得出[8];總鋁和鋁形態(tài)采用電感耦合原子發(fā)射光譜(ICP-AES)結(jié)合能譜分析(EDS)法進(jìn)行測(cè)定[9];微生物群落采用高通量測(cè)序法[10]進(jìn)行分析;此外,使用Multi 3630便攜式測(cè)量?jī)x檢測(cè)泥水混合物DO、氧化還原電位(ORP)和pH等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 初沉池泥位調(diào)控強(qiáng)化生物除磷

具有初沉池的污水處理廠可以采用提高初沉池泥位的方式對(duì)EBPR工藝進(jìn)行二次強(qiáng)化,此方式不需要額外投加碳源,而是在初沉池中維持較高的污泥層厚度,通過(guò)這部分污泥發(fā)酵產(chǎn)生VFAs,為后續(xù)厭氧池的生物釋磷提供碳源。本研究AAO平行系統(tǒng)初沉池進(jìn)水sTP為3.1 mg/L,VFAs為23 mg/L,對(duì)比系統(tǒng)1(初沉池泥位1.0 m)、系統(tǒng)2(初沉池泥位2.5 m)生物除磷效果,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 初沉池不同泥位條件下生物除磷效果Fig.2 Biological phosphorus removal under different sludge depths in primary sediment pond

由圖2可見(jiàn),系統(tǒng)1初沉池出水VFAs為20 mg/L,系統(tǒng)2初沉池出水VFAs為35 mg/L,較系統(tǒng)1提高了75%;出水VFAs的差異導(dǎo)致后續(xù)的厭氧池釋磷情況也出現(xiàn)較大差異,其中系統(tǒng)1厭氧池釋磷量為1.10 mg/L,系統(tǒng)2釋磷量為2.60 mg/L,較系統(tǒng)1提高了136%;相比而言,系統(tǒng)2好氧池出水sTP為0.07 mg/L,較系統(tǒng)1低0.04 mg/L,系統(tǒng)2生物除磷效果較系統(tǒng)1提高了7.3百分點(diǎn)。這是因?yàn)?初沉池在高泥位下水解酸化作用增強(qiáng),釋放了微生物可利用的碳源VFAs,促進(jìn)了厭氧池微生物的生物釋磷作用,進(jìn)而強(qiáng)化了生物除磷效果。此外,經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)2好氧池MLSS較系統(tǒng)1提高近1 500 mg/L,MLVSS提高約900 mg/L,說(shuō)明提高初沉池泥位后混合污泥厭氧發(fā)酵釋放的碳源既可以強(qiáng)化厭氧生物釋磷作用,又可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)從而提高生物池MLVSS,加快好氧吸磷,最終通過(guò)厭氧/好氧交替作用實(shí)現(xiàn)磷的高效去除。

在生物除磷過(guò)程中,Accumulibacter菌(以下簡(jiǎn)稱A菌)和Tetrasphaera菌(以下簡(jiǎn)稱T菌)被認(rèn)為是兩種最主要的聚磷菌[11-12],對(duì)廢水中磷的去除具有非常重要的作用。在不同的污水處理廠中,A菌和T菌受廢水的性質(zhì)和運(yùn)行條件影響較大,豐度也存在較大差異[13]。本研究就初沉池高低泥位下兩種聚磷菌的豐度變化進(jìn)行分析監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)維持高泥位的系統(tǒng)2中A菌、T菌相對(duì)豐度分別為2.1%、2.0%,維持低泥位的系統(tǒng)1中A菌、T菌相對(duì)豐度分別為0.9%、1.7%,其中A菌差異較為明顯,主要是因?yàn)锳菌一般以VFAs作為碳源,受VFAs含量影響較大,進(jìn)一步說(shuō)明提高初沉池泥位釋放的VFAs可以促進(jìn)聚磷菌的增殖進(jìn)而提高生物除磷效果。

2.2 生物池末端投加硫酸鋁強(qiáng)化化學(xué)除磷

如前文所述,系統(tǒng)2通過(guò)提高初沉池泥位強(qiáng)化了生物除磷效果。為此,本研究以系統(tǒng)2為研究對(duì)象進(jìn)行沿程取樣,在生物池末端投加硫酸鋁(以Al2O3有效量計(jì))6 mg/L,檢測(cè)初沉池進(jìn)水、生物池出水、二沉池出水各磷組分含量,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)2進(jìn)出水中不同磷組分的變化Fig.3 Variation of different phosphorus fractions in influent and effluent of system 2

由圖3可知,改良AAO工藝中,在3種除磷方式耦合作用下,系統(tǒng)TP由初沉池進(jìn)水的5.14 mg/L降至二沉池出水的0.27 mg/L,除磷效率高達(dá)95%。好氧池出水TP為156.40 mg/L,其中pTP為156.30 mg/L、sTP為0.10 mg/L。投加硫酸鋁后,二沉池出水pTP降低了156.12 mg/L,去除率高達(dá)99%,而sTP僅降低了0.02 mg/L。根據(jù)化學(xué)除磷曲線可知,當(dāng)sTP在0.10 mg/L左右時(shí),若要進(jìn)一步降低水中的sTP,所需的除磷藥劑量將成倍增長(zhǎng),可見(jiàn)在目前的硫酸鋁投加量下無(wú)法使sTP進(jìn)一步降低,此時(shí)硫酸鋁的主要作用是加速污泥的沉降,提高pTP的去除速率。通過(guò)污泥MLSS和MLVSS監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)好氧池污泥中無(wú)機(jī)物質(zhì)并沒(méi)有大量增加,MLVSS/MLSS在75%以上,且污泥的30 min沉降比(SV30)在20%左右,說(shuō)明污泥性質(zhì)穩(wěn)定。

通過(guò)磷組分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算,可知好氧池出水中sRP、sNRP在sTP中的占比分別為70%、30%左右,其中sRP可通過(guò)化學(xué)藥劑進(jìn)一步去除,但sNRP的處理較為困難,因?yàn)閟NRP主要是一些腐殖物質(zhì),僅靠化學(xué)除磷無(wú)法完全去除[14],且所需的除磷藥劑量遠(yuǎn)高于污水處理廠設(shè)計(jì)值,不僅會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本升高,且過(guò)量的除磷藥劑對(duì)生物池微生物活性以及出水水質(zhì)安全均會(huì)造成不利影響,所以若要去除這部分磷,后續(xù)可考慮采用回流污泥吸附除磷工藝。

2.3 回流污泥吸附強(qiáng)化除磷

回流污泥會(huì)攜帶部分未反應(yīng)完的硫酸鋁及硫酸鋁水解產(chǎn)物進(jìn)入到前端生物處理階段,進(jìn)而對(duì)磷產(chǎn)生吸附共沉淀作用[15]。為考察回流污泥對(duì)磷的吸附性能,取100 mL二沉池剩余污泥,經(jīng)檢測(cè)回流污泥初始sTP為0.15 mg/L左右,通過(guò)外加磷酸鹽使污泥sTP達(dá)到6.00 mg/L,混合攪拌并在0、3、15、30 min取樣測(cè)定sTP含量,同時(shí)監(jiān)測(cè)ORP的變化,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 回流污泥吸附除磷效果Fig.4 The effect of phosphorus removal by return sludge adsorption

由圖4可知,吸附過(guò)程中回流污泥ORP均在15 mV下,鑒于好氧條件下ORP接近或高于100 mV,說(shuō)明吸附過(guò)程中未發(fā)生好氧吸磷作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾,回流污泥在低碳源條件下具有較好的吸附共沉淀除磷能力?；亓魑勰嘣诨旌锨? min可對(duì)sTP快速吸附,15 min后吸附趨于穩(wěn)定,經(jīng)計(jì)算回流污泥對(duì)sTP的飽和吸附容量可達(dá)0.88 mg/g(以單位MLSS的sTP吸附量計(jì)),回流污泥含磷量從最初的3.15%增加至3.48%。

以系統(tǒng)2作為研究對(duì)象,考察在厭氧條件下調(diào)節(jié)進(jìn)水比為10%、20%、100%時(shí)回流污泥對(duì)磷的去除效果。為防止進(jìn)水COD過(guò)高,與回流污泥混合后發(fā)生厭氧釋磷反應(yīng)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)水采用人工配水,取二沉池出水添加磷酸鹽和活性污泥進(jìn)行配水,使配水sTP為3 mg/L左右、懸浮固體(SS)質(zhì)量濃度為100 mg/L左右,回流污泥在100%的回流比下與進(jìn)水混合,混合0、3、15、30 min取樣測(cè)定sTP含量,同時(shí)監(jiān)測(cè)ORP的變化,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)水比對(duì)回流污泥吸附除磷效果的影響Fig.5 The effect of influent ratio on phosphorus removal by return sludge adsorption

由圖5可知,不同進(jìn)水比下,隨著混合時(shí)間的延長(zhǎng),sTP均呈現(xiàn)出先快速降低后逐漸穩(wěn)定的規(guī)律,且ORP均在100 mV下,說(shuō)明吸附過(guò)程中未發(fā)生好氧吸磷作用,sTP均是被回流污泥通過(guò)厭氧吸附去除。經(jīng)計(jì)算,隨著進(jìn)水比由10%提高至20%、100%,回流污泥對(duì)sTP的吸附容量從0.03 mg/g提高到0.08、0.26 mg/g,可見(jiàn)回流污泥對(duì)sTP的吸附容量仍存在一定空間。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),回流污泥中的總鋁水平在30～35 mg/g(以單位MLSS的鋁含量計(jì)),且鋁形態(tài)分析結(jié)果表明回流污泥中存在未反應(yīng)完全的硫酸鋁以及其水解產(chǎn)物Al(OH)3,這對(duì)維持回流污泥的除磷能力發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外均有使用含鋁污泥作為吸附除磷材料的報(bào)道[16-17],有研究表明在初始TP為15 mg/L的情況下,回流污泥最大吸附量可高達(dá)2.396 mg/g。通過(guò)運(yùn)行調(diào)控充分發(fā)揮除磷藥劑效能不僅可以降低化學(xué)藥劑使用量,同時(shí)對(duì)出水及污泥中金屬離子含量的降低有非常大的價(jià)值。對(duì)這部分含鋁污泥的再利用可以在一定程度上解決化學(xué)除磷藥劑成本和污泥處理費(fèi)用高的問(wèn)題,具有很好的開(kāi)發(fā)利用潛力。

3 結(jié) 論

(1) 3種除磷方式耦合作用下,系統(tǒng)TP由初沉池進(jìn)水的5.14 mg/L降至二沉池出水的0.27 mg/L,除磷效率高達(dá)95%。

(2) 初沉池在高泥位下水解酸化作用增強(qiáng),釋放了微生物可利用的碳源VFAs,可以促進(jìn)厭氧池微生物的生物釋磷作用,進(jìn)而強(qiáng)化了生物除磷效果。

(3) 好氧池出水投加6 mg/L的硫酸鋁后,二沉池出水pTP降低了156.12 mg/L,去除率高達(dá)99%,而sTP僅降低了0.02 mg/L,這緣于好氧池出水sTP濃度較低,已經(jīng)達(dá)到化學(xué)除磷極限,此時(shí)投加除磷藥劑的功能是加速污泥的沉降使pTP被加速去除。

(4) 回流污泥具有較好的吸附共沉淀除磷能力,在6 mg/L的硫酸鋁投加量下,回流污泥對(duì)sTP的飽和吸附容量可達(dá)0.88 mg/g,后續(xù)應(yīng)針對(duì)回流污泥吸附容量、污泥濃度、排泥、除磷藥劑投加等因素開(kāi)展進(jìn)一步研究,為實(shí)際運(yùn)行的精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。