王 剛，李魁曉,*，時(shí)玉龍，吳 月，許 騏，張達(dá)飛，蔣奇海

(1.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，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.北京市科學(xué)技術(shù)研究院資源環(huán)境研究所，北京 100098；4.北京北排水環(huán)境發(fā)展有限公司，北京 100124)

磷作為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子備受水環(huán)境治理行業(yè)的關(guān)注[1]，2020年12月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)—中東部湖區(qū)(總磷、總氮、葉綠素a)》(2020年版)，其中規(guī)定TP標(biāo)準(zhǔn)為0.029 mg/L。與此同時(shí)，我國(guó)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。例如，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)A標(biāo)準(zhǔn)要求TP<0.2 mg/L，雄安新區(qū)《大清河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/2795—2018)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》(DB 5301/T 43—2020)A標(biāo)準(zhǔn)要求TP<0.05 mg/L。日趨嚴(yán)格的TP排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠除磷效能提出了更高的要求。

生物除磷具有污泥產(chǎn)量少、運(yùn)行成本低、易于磷回收等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但生物除磷的穩(wěn)定性較差，對(duì)碳源的依賴性較強(qiáng)[4-5]，生物脫氮與除磷過(guò)程對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)進(jìn)一步加劇體系的碳源不足問(wèn)題[6-8]，而外加碳源又會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本升高，所以目前大部分污水處理廠仍以化學(xué)除磷為主。此外，為保障出水磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，除磷藥劑一般是過(guò)量投加，導(dǎo)致藥劑成本升高，且過(guò)量的金屬鹽藥劑會(huì)增加出水及污泥中的金屬離子含量，對(duì)后續(xù)受納水環(huán)境的生態(tài)安全具有較大影響。所以污水處理廠應(yīng)該發(fā)揮生物除磷潛力，減少藥劑使用量，而其中一個(gè)重要手段就是污水處理廠內(nèi)碳源開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)污泥水解酸化產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)促進(jìn)生物除磷作用開(kāi)展了諸多相關(guān)研究[9-12]。在具有初沉池的污水處理廠中，60%的顆粒態(tài)有機(jī)物可通過(guò)沉淀去除。這些顆粒態(tài)有機(jī)物加上初沉池中的脂肪、蛋白質(zhì)等構(gòu)成了大量的有機(jī)碳源，如果將這些慢速降解有機(jī)碳源的一部分轉(zhuǎn)化為快速降解碳源再投加到污水中，可使生物除磷效率顯著提高。因此，有些污水處理廠設(shè)立初沉污泥發(fā)酵池，利用發(fā)酵池上清液補(bǔ)充原水中VFAs含量，在沒(méi)有污泥發(fā)酵池的條件下也可以在初沉池中維持一定的污泥層厚度，通過(guò)這部分污泥層發(fā)酵產(chǎn)生VFAs，補(bǔ)充生物除磷所需的碳源。本研究聚焦于初沉池泥位調(diào)控與生物除磷的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)相結(jié)合，分析了初沉池不同泥位條件下初沉、剩余混合污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs對(duì)生物除磷效果的影響，以期為污水處理廠通過(guò)內(nèi)碳源開(kāi)發(fā)穩(wěn)定生物除磷效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況及試驗(yàn)方法

1.1 工程概況

本研究所選污水處理廠進(jìn)水為城市生活污水，處理能力為100萬(wàn)m3/d，分為4個(gè)平行系列，每個(gè)系列處理能力為25萬(wàn)m3/d，均為改良AAO工藝，以其中兩個(gè)系列為研究對(duì)象，主要是一系列和四系列。工藝流程如圖1所示，采用兩點(diǎn)進(jìn)水，其中10%的原水進(jìn)入預(yù)缺氧池并與回流污泥混合，去除污泥回流液中的硝酸鹽氮和溶解氧，外回流比為100%。剩余90%的原水經(jīng)初沉池進(jìn)入?yún)捬醭兀⑴c預(yù)缺氧池出水在厭氧池內(nèi)混合，進(jìn)行厭氧釋磷。內(nèi)回流比為100%～300%，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，在曝氣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 Flow of the Modified AAO Process in an Urban WWTP

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)與初沉池運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Water Quality Indices of Influent and Operation Parameters of Primary Sedimentation Tank

1.2 試驗(yàn)方法

在不同泥位條件下對(duì)初沉池、曝氣池和二沉池進(jìn)行沿程取樣(水廠通過(guò)排泥控制初沉池泥位)，取樣點(diǎn)位包括初沉池進(jìn)水口、厭氧池進(jìn)出水口、缺氧池進(jìn)水口、好氧池進(jìn)出水口和二沉池出水口，試驗(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，取樣點(diǎn)位為同一系列、同一位置。試驗(yàn)過(guò)程中需要檢測(cè)TP、溶解態(tài)TP(soluble total phosphorus，STP)、可溶性活性磷酸鹽(soluble reactive phosphorus，SRP)、顆粒態(tài)TP(particulate total phosphorus，PTP)和溶解態(tài)非活性磷(soluble non-reactive phosphorus，SNRP)，且這 5種磷的數(shù)量關(guān)系為T(mén)P=STP+PTP、STP=SRP+SNRP。其中,TP的檢測(cè)使用鉬酸銨分光光度法，水樣首先用過(guò)硫酸鉀高溫消解，然后分別加入抗壞血酸和鉬酸銨進(jìn)行顯色反應(yīng)，最后檢測(cè)吸光度，并通過(guò)除磷曲線換算成磷濃度，具體操作過(guò)程可參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)[13]；STP的檢測(cè)首先將水樣通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾，之后的操作過(guò)程同TP；PTP由TP與STP的差值得出；SRP的檢測(cè)過(guò)程與STP相似，但不需要進(jìn)行高溫消解，其他過(guò)程一致；SNRP由STP和SRP的差值得出。水質(zhì)指標(biāo)除磷外仍需檢測(cè)溶解態(tài)化學(xué)需氧量(soluble chemical oxygen demand，SCOD)和VFAs；使用WTW便攜式儀表(Multi 3630)監(jiān)測(cè)DO、ORP和pH的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 初沉池泥位變化對(duì)微生物厭氧釋磷的影響

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行不同初沉池泥位條件下初沉出水對(duì)微生物厭氧釋磷的影響實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)。選取2組初沉池進(jìn)行取樣，泥位為2.5 m時(shí)VFAs產(chǎn)量為43.38 mg/L，SCODCr質(zhì)量濃度為204 mg/L，SRT為5 d，泥位為1.0 m時(shí)VFAs產(chǎn)量為8.65 mg/L，SCODCr質(zhì)量濃度為87 mg/L，SRT為3 d。預(yù)缺氧池出水SCODCr質(zhì)量濃度為49 mg/L。每組初沉池各取出水500 mL與預(yù)缺氧池泥水混合物按1∶1混合均勻，觀察釋磷效果。使用六聯(lián)攪拌器進(jìn)行試驗(yàn)，充分混勻攪拌，轉(zhuǎn)速為500 r/min，DO質(zhì)量濃度控制在0.2 mg/L以下，全程監(jiān)測(cè)DO和ORP變化，試驗(yàn)時(shí)間為50 min，每25 min取樣測(cè)SCODCr、STP和VFAs。結(jié)果如圖2所示。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，磷含量呈升高趨勢(shì)，VFAs呈下降趨勢(shì)(微生物利用碳源)，1.0 m泥位下混合液未檢測(cè)出VFAs，主要是因?yàn)槌跏糣FAs含量較低，混合過(guò)程中已被完全消耗，SCODCr質(zhì)量濃度下降8.5 mg/L，厭氧釋磷量為0.88 mg/L；2.5 m泥位條件下厭氧釋磷效果明顯，釋磷量為2.40 mg/L，SCODCr質(zhì)量濃度下降16.0 mg/L。兩者釋磷速率也有明顯差別，2.5 m泥位條件下的釋磷速率約是1.0 m泥位下的2.7倍。試驗(yàn)證明，提高初沉池泥位會(huì)促進(jìn)初沉污泥的水解酸化，加速VFAs的釋放，促進(jìn)了厭氧池生物釋磷，此外，試驗(yàn)從25 min以后，釋磷程度減弱，趨于穩(wěn)定。所以該污水處理廠厭氧池水力停留時(shí)間(HRT)為0.5 h的設(shè)計(jì)較為合理。

2.2 初沉池泥位變化對(duì)沿程磷含量的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)證明了提高初沉池泥位可以促進(jìn)厭氧釋磷，提高生物除磷效果，但釋磷情況可能受實(shí)際工況影響較大，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性取樣分析。取一系列和四系列初沉池、曝氣池和二沉池水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，每周取樣1次，連續(xù)6個(gè)月，分析不同初沉池泥位條件下各工藝段磷含量、SCODCr和VFAs的變化。其中一系列初沉池泥位穩(wěn)定維持在1.0 m左右，SRT為3 d，出水VFAs質(zhì)量濃度為17.8 mg/L，四系列初沉池泥位維持在2.5 m左右，SRT為5 d，出水VFAs質(zhì)量濃度為44.0 mg/L。結(jié)果如圖3所示。

圖3 各工藝段磷含量和SCODCr的變化Fig.3 Variation of Phosphorus Content and SCODCr in Each Process

在初沉池進(jìn)水中STP質(zhì)量濃度為4.4 mg/L、VFAs質(zhì)量濃度為13.0 mg/L的前提下，四系列在厭氧段釋放了3.95 mg/L的磷，一系列釋放了0.69 mg/L的磷，差異較大(3.26 mg/L)，說(shuō)明提高初沉池泥位在厭氧段確實(shí)促進(jìn)了磷的釋放；對(duì)比好氧池進(jìn)出水STP的差異，四系列較一系列多吸收了3.29 mg/L的磷，說(shuō)明提高初沉池泥位在好氧段促進(jìn)了磷的吸收。最終通過(guò)厭氧-好氧交替作用實(shí)現(xiàn)磷的高效去除，四系列好氧池出水STP質(zhì)量濃度為0.06 mg/L，僅為一系列的1/2，去除率提高了50%，可達(dá)到99%。此外，通過(guò)SCODCr的變化也可以說(shuō)明提高初沉池泥位確實(shí)促進(jìn)了碳源釋放，初沉池泥位為2.5 m條件下，厭氧池進(jìn)水SCODCr質(zhì)量濃度較1.0 m泥位時(shí)提高了近20 mg/L。

2.3 初沉池泥位變化對(duì)活性磷去除的影響

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性取樣分析證明了提高初沉池泥位可以促進(jìn)VFAs的釋放，提高生物除磷效果，但對(duì)何種磷的去除貢獻(xiàn)最大則需要進(jìn)一步分析。取一、四系列初沉池進(jìn)水和二沉池出水進(jìn)行磷組分的檢測(cè)，包括TP、STP、PTP、SRP和SNRP，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 一系列二級(jí)工藝段進(jìn)出水磷組分變化Fig.4 Variation of Phosphorus Fractions in Influent and Effluent of Series Ⅰ Secondary Treatment Process

圖5 四系列二級(jí)工藝段進(jìn)出水磷組分變化Fig.5 Variation of Phosphorus Fractions in Influent and Effluent of Series Ⅳ Secondary Treatment Process

一系列中，在初沉池泥位為1.0 m的條件下，TP質(zhì)量濃度降低了4.34 mg/L，去除率約為98%，其中SRP的去除量最高(3.59 mg/L)，其次為SNRP(0.65 mg/L)和 PTP(0.10 mg/L)；四系列中，在初沉池泥位為2.5 m的條件下，TP質(zhì)量濃度降低了4.71 mg/L，去除率約為98%，同樣是SRP的去除量最高(3.76 mg/L)，其次為SNRP(0.72 mg/L)和PTP(0.23 mg/L)。通過(guò)比較初沉池進(jìn)水和二沉池出水的磷組分變化，發(fā)現(xiàn)提高初沉池泥位后系統(tǒng)內(nèi)磷的組成發(fā)生了改變，其中四系列二沉池出水SRP較一系列占比減少了20%，PTP占比增加了20%，SNRP無(wú)明顯變化。說(shuō)明提高初沉池泥位釋放的VFAs主要是促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)SRP的去除，PTP的增加則可以通過(guò)膜過(guò)濾等工藝實(shí)現(xiàn)近乎100%的去除，但SNRP的處理較為困難，因?yàn)楦迟|(zhì)相關(guān)的SNRP生物可用性較低，化學(xué)除磷也無(wú)明顯效果，說(shuō)明SNRP是影響出水TP進(jìn)一步下降的主要限制因素，后續(xù)工藝可考慮吸附除磷。

3 結(jié)論

(1)提高初沉池泥位可促進(jìn)厭氧釋磷，2.5 m泥位條件下厭氧釋磷量為2.40 mg/L，1.0 m泥位條件下厭氧釋磷量為0.88 mg/L，且釋磷速率也有明顯差別，前者的釋磷速率是后者的2.7倍。

(2)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性取樣分析證實(shí)了初沉池高泥位下混合污泥水解酸化可以促進(jìn)生物除磷效果，初沉池泥位為2.5 m時(shí)，四系列厭氧段較一系列釋磷量增加了3.26 mg/L，后續(xù)好氧段吸磷量同步提升了3.29 mg/L，出水STP質(zhì)量濃度可降至0.06 mg/L，STP去除率可達(dá)99%。

(3)改變初沉池泥位后，二沉池出水磷組分也隨之發(fā)生變化，SRP占比減少了20%，而PTP占比增加了20%，SNRP無(wú)明顯變化，說(shuō)明SNRP是決定出水TP含量的主要因素，將影響后續(xù)極限低磷濃度的可達(dá)性。