城镇污水处理厂3种除磷方式耦合除磷效果研究*

王 刚 李魁晓# 许 骐 毕若彤 王 慰 张新勃 王佳伟

(1.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心,北京 100022;2.北京市污水资源化工程技术研究中心,北京 100124;3.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100124;4.北京北排水环境发展有限公司,北京 100124)

2020年12月,我国生态环境部发布中东部湖区湖泊营养物基准,明确湖泊总磷(TP)基准为0.029 mg/L。与此同时,为进一步提升水环境质量,国内重点流域、区域的城镇污水处理厂TP排放标准进一步提高。北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/ 890—2012)A标准要求出水TP<0.2 mg/L,昆明市《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》(DB5301/T 43—2020)A标准要求出水TP<0.05 mg/L,日趋严格的TP排放标准对我国城市污水处理厂除磷效能提出了更高的要求。

随着磷排放标准日趋严格,结合节能降耗的需求,国内外部分污水处理厂对除磷相关功能单元进行了提标改造,包括增设预缺氧池为生物释磷提供更好的厌氧条件[1-2]、将原有的强化生物除磷系统(EBPR)改造为侧流强化生物除磷系统(S2EBPR)[3-5]或在二沉池前后增设除磷药剂加药点以利用化学沉降进一步降低出水中磷含量[6-7]等。本研究基于实验室小试实验结合实际工程生产实验,对某再生水厂改良AAO工艺运行过程中除磷效果进行深入分析,分别研究了生物除磷、回流污泥对磷的吸附共沉淀及生物池末端投加除磷药剂等3种方式对系统整体除磷效果的影响,以期通过污水处理厂生物段运行优化,辅以除磷药剂投加调控,实现生物除磷与物化吸附、沉降除磷耦合,促进低成本、绿色可持续除磷系统的实现。

1 实验条件及方法

1.1 实验条件

本研究以北京市某污水处理厂为实验基地,工艺流程如图1所示。该污水处理厂分为4个平行系统,每个系统处理工艺相同,处理水量均为25万m3/d。运行过程采用两点进水,其中10%原水进入预缺氧池与回流污泥混合,去除污泥回流液中的硝酸盐氮和溶解氧(DO),污泥回流比为100%;剩余90%原水经由初沉池进入厌氧池,并与预缺氧池出水在厌氧池内混合,进行厌氧释磷,出水依次经过缺氧池、好氧池进入二沉池，好氧池出水内回流比在100%～300%内可调,二沉池剩余污泥回流到初沉池同初沉污泥进行混合发酵后排入泥区。此外,在好氧池出水渠投加硫酸铝进行化学除磷。进水水质指标与初沉池相关运行参数如表1所示。

图1 某城镇污水处理厂改良AAO工艺流程Fig.1 Process of the modified AAO in a municipal wastewater treatment plant

表1 进水水质指标与初沉池运行参数Table 1 Inlet water quality index and operating parameters of primary sediment pond

1.2 实验方法

选取其中两个系统分别设置固定取样点,在不同初沉池泥位条件下分别进行沿程取样,实验周期为6个月,每周进行1次取样检测,取样次数不低于20次,研究初沉池泥位对生物除磷效果的影响。同时开展回流污泥对磷的吸附共沉淀生产性研究和实验室小试实验,并分析硫酸铝对磷的沉降去除效果。

参考《水和废水监测分析方法(第四版)》中的方法测定水样磷、溶解态化学需氧量(sCOD)和挥发性脂肪酸(VFAs)含量以及污泥混合液悬浮固体(MLSS)和混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)浓度。其中,水样经过硫酸钾高温消解后测得的磷含量为TP;水样通过0.45 μm滤膜过滤后测得的磷含量为溶解态总磷(sTP);TP与sTP差值即为水样颗粒态总磷(pTP);水样不经高温消解,通过0.45 μm滤膜过滤后测得的磷含量为溶解态活性磷酸盐(sRP);sTP与sRP的差值即为溶解态非活性磷(sNRP)。

参考欧洲标准测试测量组织提出的针对淡水沉积物磷形态分离的标准测试程序(SMT)测定污泥含磷量,泥水混合物TP由水样sTP和污泥含磷量计算得出[8];总铝和铝形态采用电感耦合原子发射光谱(ICP-AES)结合能谱分析(EDS)法进行测定[9];微生物群落采用高通量测序法[10]进行分析;此外,使用Multi 3630便携式测量仪检测泥水混合物DO、氧化还原电位(ORP)和pH等数据。

2 结果与讨论

2.1 初沉池泥位调控强化生物除磷

具有初沉池的污水处理厂可以采用提高初沉池泥位的方式对EBPR工艺进行二次强化,此方式不需要额外投加碳源,而是在初沉池中维持较高的污泥层厚度,通过这部分污泥发酵产生VFAs,为后续厌氧池的生物释磷提供碳源。本研究AAO平行系统初沉池进水sTP为3.1 mg/L,VFAs为23 mg/L,对比系统1(初沉池泥位1.0 m)、系统2(初沉池泥位2.5 m)生物除磷效果,结果见图2。

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

由图2可见,系统1初沉池出水VFAs为20 mg/L,系统2初沉池出水VFAs为35 mg/L,较系统1提高了75%;出水VFAs的差异导致后续的厌氧池释磷情况也出现较大差异,其中系统1厌氧池释磷量为1.10 mg/L,系统2释磷量为2.60 mg/L,较系统1提高了136%;相比而言,系统2好氧池出水sTP为0.07 mg/L,较系统1低0.04 mg/L,系统2生物除磷效果较系统1提高了7.3百分点。这是因为,初沉池在高泥位下水解酸化作用增强,释放了微生物可利用的碳源VFAs,促进了厌氧池微生物的生物释磷作用,进而强化了生物除磷效果。此外,经检测系统2好氧池MLSS较系统1提高近1 500 mg/L,MLVSS提高约900 mg/L,说明提高初沉池泥位后混合污泥厌氧发酵释放的碳源既可以强化厌氧生物释磷作用,又可以促进微生物的生长从而提高生物池MLVSS,加快好氧吸磷,最终通过厌氧/好氧交替作用实现磷的高效去除。

在生物除磷过程中,Accumulibacter菌(以下简称A菌)和Tetrasphaera菌(以下简称T菌)被认为是两种最主要的聚磷菌[11-12],对废水中磷的去除具有非常重要的作用。在不同的污水处理厂中,A菌和T菌受废水的性质和运行条件影响较大,丰度也存在较大差异[13]。本研究就初沉池高低泥位下两种聚磷菌的丰度变化进行分析监测,发现维持高泥位的系统2中A菌、T菌相对丰度分别为2.1%、2.0%,维持低泥位的系统1中A菌、T菌相对丰度分别为0.9%、1.7%,其中A菌差异较为明显,主要是因为A菌一般以VFAs作为碳源,受VFAs含量影响较大,进一步说明提高初沉池泥位释放的VFAs可以促进聚磷菌的增殖进而提高生物除磷效果。

2.2 生物池末端投加硫酸铝强化化学除磷

如前文所述,系统2通过提高初沉池泥位强化了生物除磷效果。为此,本研究以系统2为研究对象进行沿程取样,在生物池末端投加硫酸铝(以Al2O3有效量计)6 mg/L,检测初沉池进水、生物池出水、二沉池出水各磷组分含量,结果见图3。

图3 系统2进出水中不同磷组分的变化Fig.3 Variation of different phosphorus fractions in influent and effluent of system 2

由图3可知,改良AAO工艺中,在3种除磷方式耦合作用下,系统TP由初沉池进水的5.14 mg/L降至二沉池出水的0.27 mg/L,除磷效率高达95%。好氧池出水TP为156.40 mg/L,其中pTP为156.30 mg/L、sTP为0.10 mg/L。投加硫酸铝后,二沉池出水pTP降低了156.12 mg/L,去除率高达99%,而sTP仅降低了0.02 mg/L。根据化学除磷曲线可知,当sTP在0.10 mg/L左右时,若要进一步降低水中的sTP,所需的除磷药剂量将成倍增长,可见在目前的硫酸铝投加量下无法使sTP进一步降低,此时硫酸铝的主要作用是加速污泥的沉降,提高pTP的去除速率。通过污泥MLSS和MLVSS监测,发现好氧池污泥中无机物质并没有大量增加,MLVSS/MLSS在75%以上,且污泥的30 min沉降比(SV30)在20%左右,说明污泥性质稳定。

通过磷组分数据计算,可知好氧池出水中sRP、sNRP在sTP中的占比分别为70%、30%左右,其中sRP可通过化学药剂进一步去除,但sNRP的处理较为困难,因为sNRP主要是一些腐殖物质,仅靠化学除磷无法完全去除[14],且所需的除磷药剂量远高于污水处理厂设计值,不仅会导致运行成本升高,且过量的除磷药剂对生物池微生物活性以及出水水质安全均会造成不利影响,所以若要去除这部分磷,后续可考虑采用回流污泥吸附除磷工艺。

2.3 回流污泥吸附强化除磷

回流污泥会携带部分未反应完的硫酸铝及硫酸铝水解产物进入到前端生物处理阶段,进而对磷产生吸附共沉淀作用[15]。为考察回流污泥对磷的吸附性能,取100 mL二沉池剩余污泥,经检测回流污泥初始sTP为0.15 mg/L左右,通过外加磷酸盐使污泥sTP达到6.00 mg/L,混合搅拌并在0、3、15、30 min取样测定sTP含量,同时监测ORP的变化,结果见图4。

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

由图4可知,吸附过程中回流污泥ORP均在15 mV下,鉴于好氧条件下ORP接近或高于100 mV,说明吸附过程中未发生好氧吸磷作用对实验结果造成干扰,回流污泥在低碳源条件下具有较好的吸附共沉淀除磷能力。回流污泥在混合前3 min可对sTP快速吸附,15 min后吸附趋于稳定,经计算回流污泥对sTP的饱和吸附容量可达0.88 mg/g(以单位MLSS的sTP吸附量计),回流污泥含磷量从最初的3.15%增加至3.48%。

以系统2作为研究对象,考察在厌氧条件下调节进水比为10%、20%、100%时回流污泥对磷的去除效果。为防止进水COD过高,与回流污泥混合后发生厌氧释磷反应干扰实验结果,进水采用人工配水,取二沉池出水添加磷酸盐和活性污泥进行配水,使配水sTP为3 mg/L左右、悬浮固体(SS)质量浓度为100 mg/L左右,回流污泥在100%的回流比下与进水混合,混合0、3、15、30 min取样测定sTP含量,同时监测ORP的变化,结果见图5。

图5 进水比对回流污泥吸附除磷效果的影响Fig.5 The effect of influent ratio on phosphorus removal by return sludge adsorption

由图5可知,不同进水比下,随着混合时间的延长,sTP均呈现出先快速降低后逐渐稳定的规律,且ORP均在100 mV下,说明吸附过程中未发生好氧吸磷作用,sTP均是被回流污泥通过厌氧吸附去除。经计算,随着进水比由10%提高至20%、100%,回流污泥对sTP的吸附容量从0.03 mg/g提高到0.08、0.26 mg/g,可见回流污泥对sTP的吸附容量仍存在一定空间。通过检测发现,回流污泥中的总铝水平在30～35 mg/g(以单位MLSS的铝含量计),且铝形态分析结果表明回流污泥中存在未反应完全的硫酸铝以及其水解产物Al(OH)3,这对维持回流污泥的除磷能力发挥了至关重要的作用。国内外均有使用含铝污泥作为吸附除磷材料的报道[16-17],有研究表明在初始TP为15 mg/L的情况下,回流污泥最大吸附量可高达2.396 mg/g。通过运行调控充分发挥除磷药剂效能不仅可以降低化学药剂使用量,同时对出水及污泥中金属离子含量的降低有非常大的价值。对这部分含铝污泥的再利用可以在一定程度上解决化学除磷药剂成本和污泥处理费用高的问题,具有很好的开发利用潜力。

3 结 论

(1) 3种除磷方式耦合作用下,系统TP由初沉池进水的5.14 mg/L降至二沉池出水的0.27 mg/L,除磷效率高达95%。

(2) 初沉池在高泥位下水解酸化作用增强,释放了微生物可利用的碳源VFAs,可以促进厌氧池微生物的生物释磷作用,进而强化了生物除磷效果。

(3) 好氧池出水投加6 mg/L的硫酸铝后,二沉池出水pTP降低了156.12 mg/L,去除率高达99%,而sTP仅降低了0.02 mg/L,这缘于好氧池出水sTP浓度较低,已经达到化学除磷极限,此时投加除磷药剂的功能是加速污泥的沉降使pTP被加速去除。

(4) 回流污泥具有较好的吸附共沉淀除磷能力,在6 mg/L的硫酸铝投加量下,回流污泥对sTP的饱和吸附容量可达0.88 mg/g,后续应针对回流污泥吸附容量、污泥浓度、排泥、除磷药剂投加等因素开展进一步研究,为实际运行的精准调控提供科学依据。