基于磷容量的污水處理廠除磷效能提升控制技術研究

王 剛 李魁曉# 姜大偉 王 慰 許 騏 賀 赟 張新勃

(1.北京城市排水集團有限責任公司,北京 100022;2.北京市污水資源化工程技術研究中心,北京 100124)

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總磷排放標準相應提高。北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB11/ 890—2012)B標準要求出水總磷<0.3 mg/L,雄安新區《大清河流域水污染物排放標準》(DB13/ 2795-2018)要求出水總磷<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標準則要求出水總磷<0.05 mg/L,日趨嚴格的總磷排放標準對我國城鎮污水處理廠的除磷效能提出了更高的要求[1]。

對于已建設運營的城鎮污水處理廠,除磷多采用化學協同生物處理技術[2],但由于生物除磷受進水碳源、厭氧環境和硝態氮等因素影響[3-5],導致污水處理廠的生物除磷效果較難控制,為保障出水總磷穩定達標,目前大部分污水處理廠以化學除磷為主[6],且除磷藥劑一般過量投加以保證出水總磷實時達標排放[7-8],化學除磷藥劑的使用不僅增加了污水處理廠運行成本,而且會導致化學污泥產量增多[9],影響后續污泥的資源化利用。此外,由于藥劑投加量超過理論投加量,進而導致未反應完的除磷藥劑及其水解產物通過污泥回流進入到前端生物處理系統中[10-11],使得污泥具備了較強的除磷能力[12]。目前關于污水處理廠化學除磷的研究多集中在通過前饋、后饋等手段實現藥劑投加的自動控制[13-14],而對于污泥存在的除磷能力以及持續時間缺乏有效的表征指標及檢測方法,進而導致自動加藥系統計算準確度低,系統中藥劑的除磷能力沒有得到充分利用,造成資源浪費。為此,本研究針對污水處理廠污泥的除磷能力表征及影響因素等開展實驗室小試和現場生產性研究,首次提出了污泥“磷容量”的概念對污泥除磷能力進行量化,使污水處理廠可以準確計算出回流污泥中殘余的除磷藥劑量,為實現除磷藥劑投加的精準控制,充分發揮除磷藥劑的使用效能提供科學依據。

1 實驗條件及方法

1.1 實驗條件

本研究以改良AAO小試實驗裝置作為研究對象,實驗裝置有效容積366 L,由預缺氧—厭氧—缺氧—好氧段組成,各工藝段體積比為1∶2∶2∶5(見圖1)。實驗裝置采用分段式進水,進水量為1 098 L/d,30%原水進入預缺氧段與回流污泥混合去除硝態氮,避免對后續生物除磷造成影響,70%原水進入厭氧段進行厭氧釋磷,每格反應池內均含有攪拌裝置,防止泥水分層影響處理效果,實驗裝置水力停留時間為8 h,泥齡為14 d。

圖1 AAO實驗裝置Fig.1 Diagram of AAO device

選取北京市4個采用不同處理工藝的污水處理廠(編號為A～D)進行現場取樣檢測,分析不同除磷藥劑投加量下污泥磷容量的差異,并在C廠開展基于污泥磷容量的除磷藥劑效能提升技術研究,提出調控策略。4個污水處理廠除磷工藝以及除磷藥劑使用信息如表1所示。

表1 污水處理廠除磷工藝及除磷藥劑使用情況Table 1 Treatment technology and application of phosphorus removal agents in sewage treatment plant

1.2 實驗方法

以C廠回流污泥為對象進行磷容量檢測方法研究,具體方法為:取C廠回流污泥1 L置于2 L燒杯中,向回流污泥中添加20 mL、500 mg/L的高濃度磷酸鹽溶液,混合攪拌30 min后測上清液溶解態活性磷酸鹽(sRP),測定攪拌前后sRP降幅,繼續加入20 mL、500 mg/L的高濃度磷酸鹽溶液,重復上述操作,直至回流污泥上清液的sRP濃度不再降低為止,計算污泥的磷容量(以單位污泥混合液懸浮固體(MLSS)的除磷量計)。

1.3 分析項目

參考《水和廢水監測分析方法》,測定水樣中的sRP以及污泥MLSS[15]。其中,水樣需先經0.45 μm濾膜過濾后測定sRP。

參考歐洲標準化委員會推薦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[16];總鋁采用電感耦合原子發射光譜(ICP-AES)法進行測定[17];沉淀物晶型分析采用X射線衍射儀(XRD)[18]。每次取樣檢測均設置平行樣,實驗結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 污泥磷容量檢測方法研究

由于污水處理廠除磷藥劑多為過量投加,導致回流污泥具有較強的除磷能力。前期研究發現,投加除磷藥劑的污水處理廠回流污泥與進水在1∶1比例混合條件下可去除50%左右的磷酸鹽[19]。本研究以C廠回流污泥為研究對象,驗證回流污泥的除磷能力并確定磷容量的檢測方法,結果如圖2所示。

圖2 污泥磷容量檢測Fig.2 Detection of sludge phosphorus storage capacity

根據檢測結果,污泥初始上清液sRP為0.1 mg/L,添加20 mL、500 mg/L的磷酸鹽溶液后sRP增至10 mg/L左右,攪拌30 min 后sRP降至1.5 mg/L,繼續投加20 mL、500 mg/L磷酸鹽溶液,sRP增至11.5 mg/L左右,攪拌30 min后sRP降至6.3 mg/L,以此類推,在第90 min投加磷酸鹽溶液后sRP不再降低,說明污泥除磷能力飽和,經計算污泥磷容量為2.24 mg/g。檢測前后,測定污泥含磷量由33.14 mg/g增至39.21 mg/g,說明污泥中剩余的除磷藥劑發揮了作用,進一步證明了回流污泥磷容量的存在。

2.2 除磷藥劑種類及投加量對污泥磷容量的影響

污水處理廠常用的除磷藥劑為硫酸鋁和PAC,故對比兩種除磷藥劑對污泥磷容量的影響。因污水處理廠回流污泥中含有除磷藥劑,會對磷容量的測定產生影響,為保證結果的準確性,使用AAO小試裝置連續排泥,運行過程中不額外投加除磷藥劑,一個泥齡周期內污泥中有效的除磷藥劑即可排出系統外。經檢測,AAO處理后污泥的磷容量較小(約0.3 mg/g),不會對后續實驗結果造成干擾。

取2 L燒杯加入1 L排藥后的活性污泥,調節MLSS約為4 000 mg/L,分別加入硫酸鋁和PAC,除磷藥劑投加量分別為0、5、10、15、20 mg/L(以Al2O3計),攪拌10 min后進行磷容量檢測,得到不同除磷藥劑投加量下的污泥磷容量,結果如圖3所示。

圖3 除磷藥劑投加量與污泥磷容量相關性Fig.3 The correlation between phosphorus removal agent dosage and sludge phosphorus storage capacity

由圖3可知,污泥磷容量與除磷藥劑投加量線性正相關,除磷藥劑投加量越高,污泥磷容量越大。硫酸鋁的擬合線斜率為0.272 4,R2為0.992 2,PAC的擬合線斜率為0.187 4,R2為0.994 5,可見相同藥劑投加量下硫酸鋁的磷容量要高于PAC,分析原因主要是PAC屬于聚合態,不需要預先水解,會先與水中的磷酸鹽反應,而硫酸鋁需要先進行水解生成Al(OH)3等,這部分水解產物大部分會先進入到污泥中,然后才發揮除磷作用,所以在進行污泥磷容量檢測時硫酸鋁除磷藥劑的磷容量高于PAC。兩種除磷藥劑擬合線的R2均接近于1,說明可以通過擬合公式計算污泥當前磷容量下殘余的除磷藥劑折合的投加量。

基于上述研究結果,對4個污水處理廠回流污泥磷容量進行檢測,結果見圖4。同步檢測污泥中總鋁含量和含鋁沉淀物組成,并根據實驗室得到的線性擬合線核算污泥中殘余的除磷藥劑量。

圖4 不同污水處理廠污泥磷容量Fig.4 Phosphorus storage capacity of sludge in different sewage treatment plant

A廠不加除磷藥劑,污泥磷容量為0.32 mg/g,污泥含總鋁5.62 mg/g;B廠污泥磷容量為1.05 mg/g,污泥含總鋁26.6 mg/g,污泥中殘余的PAC折合投加量為4.11 mg/L;C廠污泥磷容量為2.34 mg/g,污泥含總鋁35.0 mg/g,污泥中殘余硫酸鋁折合投加量為7.53 mg/L;D廠污泥磷容量為3.25 mg/g,污泥含總鋁59.8 mg/g,污泥中殘余PAC折合投加量為15.85 mg/L。可以看出,污泥磷容量與總鋁含量成正比,即磷容量越大,殘余的除磷藥劑越多,進而總鋁含量越高。通過線性擬合曲線計算出3個污水處理廠污泥中殘余藥劑折合的投加量均高于實際的藥劑投加量,說明即使停止加藥,殘余的除磷藥劑也可以維持1～2 d的除磷效果,污水處理廠可通過調整運行策略進一步利用污泥中殘余的除磷藥劑,進而提高藥劑使用效率。

采用XRD對B廠、D廠磷容量檢測前后污泥中的沉淀產物進行晶形檢測,確定沉淀物組成和變化。根據XRD分析結果,污泥中含鋁沉淀產物主要為AlPO4,質量分數超過90%,此外還有一些Al(OH)3、AlH6(PO4)3·2H2O和Al(H2PO4)3等,說明回流污泥的除磷過程主要是鋁鹽沉淀反應,污泥中殘余的除磷藥劑與磷酸根反應生成了AlPO4,最終實現了磷酸鹽的去除,這也從側面反映出污水處理廠的除磷藥劑存在過量投加的情況,根據上述研究結果,污水處理廠可以針對性地制定調控策略。

2.3 基于污泥磷容量的除磷效能提升研究

根據上述研究,污泥磷容量與除磷藥劑投加量成正比,且回流污泥中剩余部分除磷藥劑,為充分發揮這部分除磷藥劑的效能,需制定調控策略,以C廠為研究對象進行現場調試,測試兩種調控方法(一是增大污泥外回流比,二是剩余污泥回流到前端初沉池)的除磷效能提升情況。

第一種調控方法下,調控前C廠污泥外回流比為90%,連續運行時的平均污泥磷容量為1.95 mg/g,污泥殘余除磷藥劑折合投加量為6.10 mg/L,具有一定除磷能力。回流污泥與進水混合后溶解氧為0～0.5 mg/L,處于厭氧或缺氧狀態,不會出現生物好氧吸磷現象,避免了對實驗結果的影響。

提高外回流比分別為100%、110%后進行現場取樣,檢測污泥磷容量,并對回流污泥與進水混合前后的sRP含量進行檢測,計算去除率,以進水sRP去除率的增幅表征除磷效能提升量,結果如圖5所示。

圖5 不同污泥外回流比下的除磷效能提升情況Fig.5 Phosphorus removal efficiency improvement under different sludge reflux ratio

由圖5可見,隨著外回流比的增大,sRP去除率也隨之升高。90%外回流比下sRP去除率為62.0%,100%外回流比下sRP去除率為69.8%,110%外回流比下sRP去除率為73.5%。110%的外回流比較90%外回流比除磷效能提升11.5百分點。考慮到外回流比對生物池污泥濃度以及二沉池泥位的影響,建議將外回流比提高至110%,既能提高藥劑使用效率,又可以避免對后續工藝產生較大影響。

根據第二種調控方法,C廠有兩個平行的AAO處理線,兩條線路進水水量均為24.75萬m3/d,剩余污泥排放量均為2 584 m3/d。其中一條線路剩余污泥回流到初沉池進水廊道,另一條線路剩余污泥直接排放到泥區,對比兩條線路對進水sRP的去除效果,同時分析剩余污泥回流對系統排泥的影響。結果表明:若將剩余污泥回流到初沉池,則混合前后進水sRP從3.43 mg/L下降至3.08 mg/L,降幅達0.35 mg/L,計算可知除磷效能提升10.20百分點。此外,剩余污泥回流初沉池可以實現污泥減量化,這是因為含有除磷藥劑的剩余污泥進入初沉池后起到混凝沉淀作用,對初沉污泥進行了改質,使污泥進一步濃縮,含水率降低,從而減少整體排泥量30%左右。

3 結 論

(1) 通過檢測及擬合計算得到污水處理廠污泥磷容量為0.32～3.25 mg/g,污泥中殘余的除磷藥劑量折合投加量為0～15.85 mg/L,設計的磷容量檢測方法不僅解決了污水處理廠污泥除磷能力無法準確表征的問題,而且可對化學除磷藥劑的優化投加提供指導。

(2) 除磷藥劑的種類與用量是影響污泥磷容量的關鍵因素,使用硫酸鋁除磷藥劑的污泥磷容量較PAC高,且藥劑投加量越多,磷容量越大,呈正相關關系,除磷藥劑的預水解程度是導致磷容量產生差異的主要原因。

(3) 基于污泥的磷容量,污水處理廠可以采用改變污泥外回流比或將剩余污泥回流到初沉池的方式提高除磷藥劑使用效率,除磷效能均可提高10百分點以上。此外,剩余污泥回流初沉池可以減少約30%的排泥量,對污泥的減量化和無害化處理具有重要意義。