城鎮污水處理廠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.北京城市排水集團有限責任公司科技研發中心,北京 100022;2.北京市污水資源化工程技術研究中心,北京 100124;3.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124;4.北京北排水環境發展有限公司,北京 100124)

2020年12月,我國生態環境部發布中東部湖區湖泊營養物基準,明確湖泊總磷(TP)基準為0.029 mg/L。與此同時,為進一步提升水環境質量,國內重點流域、區域的城鎮污水處理廠TP排放標準進一步提高。北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/ 890—2012)A標準要求出水TP<0.2 mg/L,昆明市《城鎮污水處理廠主要水污染物排放限值》(DB5301/T 43—2020)A標準要求出水TP<0.05 mg/L,日趨嚴格的TP排放標準對我國城市污水處理廠除磷效能提出了更高的要求。

隨著磷排放標準日趨嚴格,結合節能降耗的需求,國內外部分污水處理廠對除磷相關功能單元進行了提標改造,包括增設預缺氧池為生物釋磷提供更好的厭氧條件[1-2]、將原有的強化生物除磷系統(EBPR)改造為側流強化生物除磷系統(S2EBPR)[3-5]或在二沉池前后增設除磷藥劑加藥點以利用化學沉降進一步降低出水中磷含量[6-7]等。本研究基于實驗室小試實驗結合實際工程生產實驗,對某再生水廠改良AAO工藝運行過程中除磷效果進行深入分析,分別研究了生物除磷、回流污泥對磷的吸附共沉淀及生物池末端投加除磷藥劑等3種方式對系統整體除磷效果的影響,以期通過污水處理廠生物段運行優化,輔以除磷藥劑投加調控,實現生物除磷與物化吸附、沉降除磷耦合,促進低成本、綠色可持續除磷系統的實現。

1 實驗條件及方法

1.1 實驗條件

本研究以北京市某污水處理廠為實驗基地,工藝流程如圖1所示。該污水處理廠分為4個平行系統,每個系統處理工藝相同,處理水量均為25萬m3/d。運行過程采用兩點進水,其中10%原水進入預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%原水經由初沉池進入厭氧池,并與預缺氧池出水在厭氧池內混合,進行厭氧釋磷,出水依次經過缺氧池、好氧池進入二沉池，好氧池出水內回流比在100%～300%內可調,二沉池剩余污泥回流到初沉池同初沉污泥進行混合發酵后排入泥區。此外,在好氧池出水渠投加硫酸鋁進行化學除磷。進水水質指標與初沉池相關運行參數如表1所示。

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

表1 進水水質指標與初沉池運行參數Table 1 Inlet water quality index and operating parameters of primary sediment pond

1.2 實驗方法

選取其中兩個系統分別設置固定取樣點,在不同初沉池泥位條件下分別進行沿程取樣,實驗周期為6個月,每周進行1次取樣檢測,取樣次數不低于20次,研究初沉池泥位對生物除磷效果的影響。同時開展回流污泥對磷的吸附共沉淀生產性研究和實驗室小試實驗,并分析硫酸鋁對磷的沉降去除效果。

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

參考歐洲標準測試測量組織提出的針對淡水沉積物磷形態分離的標準測試程序(SMT)測定污泥含磷量,泥水混合物TP由水樣sTP和污泥含磷量計算得出[8];總鋁和鋁形態采用電感耦合原子發射光譜(ICP-AES)結合能譜分析(EDS)法進行測定[9];微生物群落采用高通量測序法[10]進行分析;此外,使用Multi 3630便攜式測量儀檢測泥水混合物DO、氧化還原電位(ORP)和pH等數據。

2 結果與討論

2.1 初沉池泥位調控強化生物除磷

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EBPR工藝進行二次強化,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,通過這部分污泥發酵產生VFAs,為后續厭氧池的生物釋磷提供碳源。本研究AAO平行系統初沉池進水sTP為3.1 mg/L,VFAs為23 mg/L,對比系統1(初沉池泥位1.0 m)、系統2(初沉池泥位2.5 m)生物除磷效果,結果見圖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,系統1初沉池出水VFAs為20 mg/L,系統2初沉池出水VFAs為35 mg/L,較系統1提高了75%;出水VFAs的差異導致后續的厭氧池釋磷情況也出現較大差異,其中系統1厭氧池釋磷量為1.10 mg/L,系統2釋磷量為2.60 mg/L,較系統1提高了136%;相比而言,系統2好氧池出水sTP為0.07 mg/L,較系統1低0.04 mg/L,系統2生物除磷效果較系統1提高了7.3百分點。這是因為,初沉池在高泥位下水解酸化作用增強,釋放了微生物可利用的碳源VFAs,促進了厭氧池微生物的生物釋磷作用,進而強化了生物除磷效果。此外,經檢測系統2好氧池MLSS較系統1提高近1 500 mg/L,MLVSS提高約900 mg/L,說明提高初沉池泥位后混合污泥厭氧發酵釋放的碳源既可以強化厭氧生物釋磷作用,又可以促進微生物的生長從而提高生物池MLVSS,加快好氧吸磷,最終通過厭氧/好氧交替作用實現磷的高效去除。

在生物除磷過程中,Accumulibacter菌(以下簡稱A菌)和Tetrasphaera菌(以下簡稱T菌)被認為是兩種最主要的聚磷菌[11-12],對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菌受廢水的性質和運行條件影響較大,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行分析監測,發現維持高泥位的系統2中A菌、T菌相對豐度分別為2.1%、2.0%,維持低泥位的系統1中A菌、T菌相對豐度分別為0.9%、1.7%,其中A菌差異較為明顯,主要是因為A菌一般以VFAs作為碳源,受VFAs含量影響較大,進一步說明提高初沉池泥位釋放的VFAs可以促進聚磷菌的增殖進而提高生物除磷效果。

2.2 生物池末端投加硫酸鋁強化化學除磷

如前文所述,系統2通過提高初沉池泥位強化了生物除磷效果。為此,本研究以系統2為研究對象進行沿程取樣,在生物池末端投加硫酸鋁(以Al2O3有效量計)6 mg/L,檢測初沉池進水、生物池出水、二沉池出水各磷組分含量,結果見圖3。

圖3 系統2進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TP由初沉池進水的5.14 mg/L降至二沉池出水的0.27 mg/L,除磷效率高達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99%,而sTP僅降低了0.02 mg/L。根據化學除磷曲線可知,當sTP在0.10 mg/L左右時,若要進一步降低水中的sTP,所需的除磷藥劑量將成倍增長,可見在目前的硫酸鋁投加量下無法使sTP進一步降低,此時硫酸鋁的主要作用是加速污泥的沉降,提高pTP的去除速率。通過污泥MLSS和MLVSS監測,發現好氧池污泥中無機物質并沒有大量增加,MLVSS/MLSS在75%以上,且污泥的30 min沉降比(SV30)在20%左右,說明污泥性質穩定。

通過磷組分數據計算,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可通過化學藥劑進一步去除,但sNRP的處理較為困難,因為sNRP主要是一些腐殖物質,僅靠化學除磷無法完全去除[14],且所需的除磷藥劑量遠高于污水處理廠設計值,不僅會導致運行成本升高,且過量的除磷藥劑對生物池微生物活性以及出水水質安全均會造成不利影響,所以若要去除這部分磷,后續可考慮采用回流污泥吸附除磷工藝。

2.3 回流污泥吸附強化除磷

回流污泥會攜帶部分未反應完的硫酸鋁及硫酸鋁水解產物進入到前端生物處理階段,進而對磷產生吸附共沉淀作用[15]。為考察回流污泥對磷的吸附性能,取100 mL二沉池剩余污泥,經檢測回流污泥初始sTP為0.15 mg/L左右,通過外加磷酸鹽使污泥sTP達到6.00 mg/L,混合攪拌并在0、3、15、30 min取樣測定sTP含量,同時監測ORP的變化,結果見圖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,說明吸附過程中未發生好氧吸磷作用對實驗結果造成干擾,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。回流污泥在混合前3 min可對sTP快速吸附,15 min后吸附趨于穩定,經計算回流污泥對sTP的飽和吸附容量可達0.88 mg/g(以單位MLSS的sTP吸附量計),回流污泥含磷量從最初的3.15%增加至3.48%。

以系統2作為研究對象,考察在厭氧條件下調節進水比為10%、20%、100%時回流污泥對磷的去除效果。為防止進水COD過高,與回流污泥混合后發生厭氧釋磷反應干擾實驗結果,進水采用人工配水,取二沉池出水添加磷酸鹽和活性污泥進行配水,使配水sTP為3 mg/L左右、懸浮固體(SS)質量濃度為100 mg/L左右,回流污泥在100%的回流比下與進水混合,混合0、3、15、30 min取樣測定sTP含量,同時監測ORP的變化,結果見圖5。

圖5 進水比對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,不同進水比下,隨著混合時間的延長,sTP均呈現出先快速降低后逐漸穩定的規律,且ORP均在100 mV下,說明吸附過程中未發生好氧吸磷作用,sTP均是被回流污泥通過厭氧吸附去除。經計算,隨著進水比由10%提高至20%、100%,回流污泥對sTP的吸附容量從0.03 mg/g提高到0.08、0.26 mg/g,可見回流污泥對sTP的吸附容量仍存在一定空間。通過檢測發現,回流污泥中的總鋁水平在30～35 mg/g(以單位MLSS的鋁含量計),且鋁形態分析結果表明回流污泥中存在未反應完全的硫酸鋁以及其水解產物Al(OH)3,這對維持回流污泥的除磷能力發揮了至關重要的作用。國內外均有使用含鋁污泥作為吸附除磷材料的報道[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2.396 mg/g。通過運行調控充分發揮除磷藥劑效能不僅可以降低化學藥劑使用量,同時對出水及污泥中金屬離子含量的降低有非常大的價值。對這部分含鋁污泥的再利用可以在一定程度上解決化學除磷藥劑成本和污泥處理費用高的問題,具有很好的開發利用潛力。

3 結 論

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

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

(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,已經達到化學除磷極限,此時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sTP的飽和吸附容量可達0.88 mg/g,后續應針對回流污泥吸附容量、污泥濃度、排泥、除磷藥劑投加等因素開展進一步研究,為實際運行的精準調控提供科學依據。