初沉池泥位變化對生物除磷影響規(guī)律

王 剛，李魁曉,*，時玉龍，吳 月，許 騏，張達飛，蔣奇海

(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；3.北京市科學技術研究院資源環(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)

磷作為水體富營養(yǎng)化的主要限制因子備受水環(huán)境治理行業(yè)的關注[1]，2020年12月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《湖泊營養(yǎng)物基準—中東部湖區(qū)(總磷、總氮、葉綠素a)》(2020年版)，其中規(guī)定TP標準為0.029 mg/L。與此同時，我國重點流域、區(qū)域的城鎮(zhèn)污水處理廠TP排放標準進一步提高。例如，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)A標準要求TP<0.2 mg/L，雄安新區(qū)《大清河流域水污染物排放標準》(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標準要求TP<0.05 mg/L。日趨嚴格的TP排放標準對我國城鎮(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量少、運行成本低、易于磷回收等優(yōu)點[2-3]。但生物除磷的穩(wěn)定性較差，對碳源的依賴性較強[4-5]，生物脫氮與除磷過程對碳源的競爭會進一步加劇體系的碳源不足問題[6-8]，而外加碳源又會導致運行成本升高，所以目前大部分污水處理廠仍以化學除磷為主。此外，為保障出水磷穩(wěn)定達標，除磷藥劑一般是過量投加，導致藥劑成本升高，且過量的金屬鹽藥劑會增加出水及污泥中的金屬離子含量，對后續(xù)受納水環(huán)境的生態(tài)安全具有較大影響。所以污水處理廠應該發(fā)揮生物除磷潛力，減少藥劑使用量，而其中一個重要手段就是污水處理廠內碳源開發(fā)。國內外研究學者對污泥水解酸化產揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)促進生物除磷作用開展了諸多相關研究[9-12]。在具有初沉池的污水處理廠中，60%的顆粒態(tài)有機物可通過沉淀去除。這些顆粒態(tài)有機物加上初沉池中的脂肪、蛋白質等構成了大量的有機碳源，如果將這些慢速降解有機碳源的一部分轉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，有些污水處理廠設立初沉污泥發(fā)酵池，利用發(fā)酵池上清液補充原水中VFAs含量，在沒有污泥發(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，通過這部分污泥層發(fā)酵產生VFAs，補充生物除磷所需的碳源。本研究聚焦于初沉池泥位調控與生物除磷的關系，通過實驗室小試與現(xiàn)場生產性試驗相結合，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VFAs對生物除磷效果的影響，以期為污水處理廠通過內碳源開發(fā)穩(wěn)定生物除磷效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況及試驗方法

1.1 工程概況

本研究所選污水處理廠進水為城市生活污水，處理能力為100萬m3/d，分為4個平行系列，每個系列處理能力為25萬m3/d，均為改良AAO工藝，以其中兩個系列為研究對象，主要是一系列和四系列。工藝流程如圖1所示，采用兩點進水，其中10%的原水進入預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)初沉池進入?yún)捬醭?，并與預缺氧池出水在厭氧池內混合，進行厭氧釋磷。內回流比為100%～300%，剩余污泥回流到初沉池同初沉污泥進行混合發(fā)酵后排入泥區(qū)。此外，在曝氣池出水渠投加硫酸鋁進行化學除磷。進水水質指標與初沉池相關運行參數(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 進水水質指標與初沉池運行參數(shù)Tab.1 Water Quality Indices of Influent and Operation Parameters of Primary Sedimentation Tank

1.2 試驗方法

在不同泥位條件下對初沉池、曝氣池和二沉池進行沿程取樣(水廠通過排泥控制初沉池泥位)，取樣點位包括初沉池進水口、厭氧池進出水口、缺氧池進水口、好氧池進出水口和二沉池出水口，試驗周期為6個月，每周進行1次取樣檢測，取樣次數(shù)不低于20次，取樣點位為同一系列、同一位置。試驗過程中需要檢測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)量關系為TP=STP+PTP、STP=SRP+SNRP。其中,TP的檢測使用鉬酸銨分光光度法，水樣首先用過硫酸鉀高溫消解，然后分別加入抗壞血酸和鉬酸銨進行顯色反應，最后檢測吸光度，并通過除磷曲線換算成磷濃度，具體操作過程可參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[13]；STP的檢測首先將水樣通過0.45 μm濾膜過濾，之后的操作過程同TP；PTP由TP與STP的差值得出；SRP的檢測過程與STP相似，但不需要進行高溫消解，其他過程一致；SNRP由STP和SRP的差值得出。水質指標除磷外仍需檢測溶解態(tài)化學需氧量(soluble chemical oxygen demand，SCOD)和VFAs；使用WTW便攜式儀表(Multi 3630)監(jiān)測DO、ORP和pH的變化。

2 結果與討論

2.1 初沉池泥位變化對微生物厭氧釋磷的影響

在進行現(xiàn)場生產性試驗之前，首先進行不同初沉池泥位條件下初沉出水對微生物厭氧釋磷的影響實驗室小試試驗。選取2組初沉池進行取樣，泥位為2.5 m時VFAs產量為43.38 mg/L，SCODCr質量濃度為204 mg/L，SRT為5 d，泥位為1.0 m時VFAs產量為8.65 mg/L，SCODCr質量濃度為87 mg/L，SRT為3 d。預缺氧池出水SCODCr質量濃度為49 mg/L。每組初沉池各取出水500 mL與預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)攪拌器進行試驗，充分混勻攪拌，轉速為500 r/min，DO質量濃度控制在0.2 mg/L以下，全程監(jiān)測DO和ORP變化，試驗時間為50 min，每25 min取樣測SCODCr、STP和VFAs。結果如圖2所示。

隨著試驗的進行，磷含量呈升高趨勢，VFAs呈下降趨勢(微生物利用碳源)，1.0 m泥位下混合液未檢測出VFAs，主要是因為初始VFAs含量較低，混合過程中已被完全消耗，SCODCr質量濃度下降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。試驗證明，提高初沉池泥位會促進初沉污泥的水解酸化，加速VFAs的釋放，促進了厭氧池生物釋磷，此外，試驗從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間(HRT)為0.5 h的設計較為合理。

2.2 初沉池泥位變化對沿程磷含量的影響

通過實驗室小試試驗證明了提高初沉池泥位可以促進厭氧釋磷，提高生物除磷效果，但釋磷情況可能受實際工況影響較大，需要進行現(xiàn)場生產性取樣分析。取一系列和四系列初沉池、曝氣池和二沉池水樣進行水質檢測，每周取樣1次，連續(xù)6個月，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質量濃度為44.0 mg/L。結果如圖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

在初沉池進水中STP質量濃度為4.4 mg/L、VFAs質量濃度為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)，說明提高初沉池泥位在厭氧段確實促進了磷的釋放；對比好氧池進出水STP的差異，四系列較一系列多吸收了3.29 mg/L的磷，說明提高初沉池泥位在好氧段促進了磷的吸收。最終通過厭氧-好氧交替作用實現(xiàn)磷的高效去除，四系列好氧池出水STP質量濃度為0.06 mg/L，僅為一系列的1/2，去除率提高了50%，可達到99%。此外，通過SCODCr的變化也可以說明提高初沉池泥位確實促進了碳源釋放，初沉池泥位為2.5 m條件下，厭氧池進水SCODCr質量濃度較1.0 m泥位時提高了近20 mg/L。

2.3 初沉池泥位變化對活性磷去除的影響

通過現(xiàn)場生產性取樣分析證明了提高初沉池泥位可以促進VFAs的釋放，提高生物除磷效果，但對何種磷的去除貢獻最大則需要進一步分析。取一、四系列初沉池進水和二沉池出水進行磷組分的檢測，包括TP、STP、PTP、SRP和SNRP，結果如圖4和圖5所示。

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

圖5 四系列二級工藝段進出水磷組分變化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)。通過比較初沉池進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無明顯變化。說明提高初沉池泥位釋放的VFAs主要是促進系統(tǒng)內SRP的去除，PTP的增加則可以通過膜過濾等工藝實現(xiàn)近乎100%的去除，但SNRP的處理較為困難，因為跟腐殖質相關的SNRP生物可用性較低，化學除磷也無明顯效果，說明SNRP是影響出水TP進一步下降的主要限制因素，后續(xù)工藝可考慮吸附除磷。

3 結論

(1)提高初沉池泥位可促進厭氧釋磷，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)場生產性取樣分析證實了初沉池高泥位下混合污泥水解酸化可以促進生物除磷效果，初沉池泥位為2.5 m時，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質量濃度可降至0.06 mg/L，STP去除率可達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無明顯變化，說明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性。