初沉池泥位变化对生物除磷影响规律

王 刚，李魁晓,*，时玉龙，吴 月，许 骐，张达飞，蒋奇海

(1.北京城市排水集团有限责任公司，北京 100022；2.北京市污水资源化工程技术研究中心，北京 100124；3.北京市科学技术研究院资源环境研究所，北京 100098；4.北京北排水环境发展有限公司，北京 100124)

磷作为水体富营养化的主要限制因子备受水环境治理行业的关注[1]，2020年12月，生态环境部发布《湖泊营养物基准—中东部湖区(总磷、总氮、叶绿素a)》(2020年版)，其中规定TP标准为0.029 mg/L。与此同时，我国重点流域、区域的城镇污水处理厂TP排放标准进一步提高。例如，北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)A标准要求TP<0.2 mg/L，雄安新区《大清河流域水污染物排放标准》(DB 13/2795—2018)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》(DB 5301/T 43—2020)A标准要求TP<0.05 mg/L。日趋严格的TP排放标准对我国城镇污水处理厂除磷效能提出了更高的要求。

生物除磷具有污泥产量少、运行成本低、易于磷回收等优点[2-3]。但生物除磷的稳定性较差，对碳源的依赖性较强[4-5]，生物脱氮与除磷过程对碳源的竞争会进一步加剧体系的碳源不足问题[6-8]，而外加碳源又会导致运行成本升高，所以目前大部分污水处理厂仍以化学除磷为主。此外，为保障出水磷稳定达标，除磷药剂一般是过量投加，导致药剂成本升高，且过量的金属盐药剂会增加出水及污泥中的金属离子含量，对后续受纳水环境的生态安全具有较大影响。所以污水处理厂应该发挥生物除磷潜力，减少药剂使用量，而其中一个重要手段就是污水处理厂内碳源开发。国内外研究学者对污泥水解酸化产挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFAs)促进生物除磷作用开展了诸多相关研究[9-12]。在具有初沉池的污水处理厂中，60%的颗粒态有机物可通过沉淀去除。这些颗粒态有机物加上初沉池中的脂肪、蛋白质等构成了大量的有机碳源，如果将这些慢速降解有机碳源的一部分转化为快速降解碳源再投加到污水中，可使生物除磷效率显著提高。因此，有些污水处理厂设立初沉污泥发酵池，利用发酵池上清液补充原水中VFAs含量，在没有污泥发酵池的条件下也可以在初沉池中维持一定的污泥层厚度，通过这部分污泥层发酵产生VFAs，补充生物除磷所需的碳源。本研究聚焦于初沉池泥位调控与生物除磷的关系，通过实验室小试与现场生产性试验相结合，分析了初沉池不同泥位条件下初沉、剩余混合污泥厌氧发酵产VFAs对生物除磷效果的影响，以期为污水处理厂通过内碳源开发稳定生物除磷效果提供数据支撑。

1 工程概况及试验方法

1.1 工程概况

本研究所选污水处理厂进水为城市生活污水，处理能力为100万m3/d，分为4个平行系列，每个系列处理能力为25万m3/d，均为改良AAO工艺，以其中两个系列为研究对象，主要是一系列和四系列。工艺流程如图1所示，采用两点进水，其中10%的原水进入预缺氧池并与回流污泥混合，去除污泥回流液中的硝酸盐氮和溶解氧，外回流比为100%。剩余90%的原水经初沉池进入厌氧池，并与预缺氧池出水在厌氧池内混合，进行厌氧释磷。内回流比为100%～300%，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，在曝气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 Flow of the Modified AAO Process in an Urban WWTP

表1 进水水质指标与初沉池运行参数Tab.1 Water Quality Indices of Influent and Operation Parameters of Primary Sedimentation Tank

1.2 试验方法

在不同泥位条件下对初沉池、曝气池和二沉池进行沿程取样(水厂通过排泥控制初沉池泥位)，取样点位包括初沉池进水口、厌氧池进出水口、缺氧池进水口、好氧池进出水口和二沉池出水口，试验周期为6个月，每周进行1次取样检测，取样次数不低于20次，取样点位为同一系列、同一位置。试验过程中需要检测TP、溶解态TP(soluble total phosphorus，STP)、可溶性活性磷酸盐(soluble reactive phosphorus，SRP)、颗粒态TP(particulate total phosphorus，PTP)和溶解态非活性磷(soluble non-reactive phosphorus，SNRP)，且这 5种磷的数量关系为TP=STP+PTP、STP=SRP+SNRP。其中,TP的检测使用钼酸铵分光光度法，水样首先用过硫酸钾高温消解，然后分别加入抗坏血酸和钼酸铵进行显色反应，最后检测吸光度，并通过除磷曲线换算成磷浓度，具体操作过程可参考《水和废水监测分析方法》(第4版)[13]；STP的检测首先将水样通过0.45 μm滤膜过滤，之后的操作过程同TP；PTP由TP与STP的差值得出；SRP的检测过程与STP相似，但不需要进行高温消解，其他过程一致；SNRP由STP和SRP的差值得出。水质指标除磷外仍需检测溶解态化学需氧量(soluble chemical oxygen demand，SCOD)和VFAs；使用WTW便携式仪表(Multi 3630)监测DO、ORP和pH的变化。

2 结果与讨论

2.1 初沉池泥位变化对微生物厌氧释磷的影响

在进行现场生产性试验之前，首先进行不同初沉池泥位条件下初沉出水对微生物厌氧释磷的影响实验室小试试验。选取2组初沉池进行取样，泥位为2.5 m时VFAs产量为43.38 mg/L，SCODCr质量浓度为204 mg/L，SRT为5 d，泥位为1.0 m时VFAs产量为8.65 mg/L，SCODCr质量浓度为87 mg/L，SRT为3 d。预缺氧池出水SCODCr质量浓度为49 mg/L。每组初沉池各取出水500 mL与预缺氧池泥水混合物按1∶1混合均匀，观察释磷效果。使用六联搅拌器进行试验，充分混匀搅拌，转速为500 r/min，DO质量浓度控制在0.2 mg/L以下，全程监测DO和ORP变化，试验时间为50 min，每25 min取样测SCODCr、STP和VFAs。结果如图2所示。

随着试验的进行，磷含量呈升高趋势，VFAs呈下降趋势(微生物利用碳源)，1.0 m泥位下混合液未检测出VFAs，主要是因为初始VFAs含量较低，混合过程中已被完全消耗，SCODCr质量浓度下降8.5 mg/L，厌氧释磷量为0.88 mg/L；2.5 m泥位条件下厌氧释磷效果明显，释磷量为2.40 mg/L，SCODCr质量浓度下降16.0 mg/L。两者释磷速率也有明显差别，2.5 m泥位条件下的释磷速率约是1.0 m泥位下的2.7倍。试验证明，提高初沉池泥位会促进初沉污泥的水解酸化，加速VFAs的释放，促进了厌氧池生物释磷，此外，试验从25 min以后，释磷程度减弱，趋于稳定。所以该污水处理厂厌氧池水力停留时间(HRT)为0.5 h的设计较为合理。

2.2 初沉池泥位变化对沿程磷含量的影响

通过实验室小试试验证明了提高初沉池泥位可以促进厌氧释磷，提高生物除磷效果，但释磷情况可能受实际工况影响较大，需要进行现场生产性取样分析。取一系列和四系列初沉池、曝气池和二沉池水样进行水质检测，每周取样1次，连续6个月，分析不同初沉池泥位条件下各工艺段磷含量、SCODCr和VFAs的变化。其中一系列初沉池泥位稳定维持在1.0 m左右，SRT为3 d，出水VFAs质量浓度为17.8 mg/L，四系列初沉池泥位维持在2.5 m左右，SRT为5 d，出水VFAs质量浓度为44.0 mg/L。结果如图3所示。

图3 各工艺段磷含量和SCODCr的变化Fig.3 Variation of Phosphorus Content and SCODCr in Each Process

在初沉池进水中STP质量浓度为4.4 mg/L、VFAs质量浓度为13.0 mg/L的前提下，四系列在厌氧段释放了3.95 mg/L的磷，一系列释放了0.69 mg/L的磷，差异较大(3.26 mg/L)，说明提高初沉池泥位在厌氧段确实促进了磷的释放；对比好氧池进出水STP的差异，四系列较一系列多吸收了3.29 mg/L的磷，说明提高初沉池泥位在好氧段促进了磷的吸收。最终通过厌氧-好氧交替作用实现磷的高效去除，四系列好氧池出水STP质量浓度为0.06 mg/L，仅为一系列的1/2，去除率提高了50%，可达到99%。此外，通过SCODCr的变化也可以说明提高初沉池泥位确实促进了碳源释放，初沉池泥位为2.5 m条件下，厌氧池进水SCODCr质量浓度较1.0 m泥位时提高了近20 mg/L。

2.3 初沉池泥位变化对活性磷去除的影响

通过现场生产性取样分析证明了提高初沉池泥位可以促进VFAs的释放，提高生物除磷效果，但对何种磷的去除贡献最大则需要进一步分析。取一、四系列初沉池进水和二沉池出水进行磷组分的检测，包括TP、STP、PTP、SRP和SNRP，结果如图4和图5所示。

图4 一系列二级工艺段进出水磷组分变化Fig.4 Variation of Phosphorus Fractions in Influent and Effluent of Series Ⅰ Secondary Treatment Process

图5 四系列二级工艺段进出水磷组分变化Fig.5 Variation of Phosphorus Fractions in Influent and Effluent of Series Ⅳ Secondary Treatment Process

一系列中，在初沉池泥位为1.0 m的条件下，TP质量浓度降低了4.34 mg/L，去除率约为98%，其中SRP的去除量最高(3.59 mg/L)，其次为SNRP(0.65 mg/L)和 PTP(0.10 mg/L)；四系列中，在初沉池泥位为2.5 m的条件下，TP质量浓度降低了4.71 mg/L，去除率约为98%，同样是SRP的去除量最高(3.76 mg/L)，其次为SNRP(0.72 mg/L)和PTP(0.23 mg/L)。通过比较初沉池进水和二沉池出水的磷组分变化，发现提高初沉池泥位后系统内磷的组成发生了改变，其中四系列二沉池出水SRP较一系列占比减少了20%，PTP占比增加了20%，SNRP无明显变化。说明提高初沉池泥位释放的VFAs主要是促进系统内SRP的去除，PTP的增加则可以通过膜过滤等工艺实现近乎100%的去除，但SNRP的处理较为困难，因为跟腐殖质相关的SNRP生物可用性较低，化学除磷也无明显效果，说明SNRP是影响出水TP进一步下降的主要限制因素，后续工艺可考虑吸附除磷。

3 结论

(1)提高初沉池泥位可促进厌氧释磷，2.5 m泥位条件下厌氧释磷量为2.40 mg/L，1.0 m泥位条件下厌氧释磷量为0.88 mg/L，且释磷速率也有明显差别，前者的释磷速率是后者的2.7倍。

(2)现场生产性取样分析证实了初沉池高泥位下混合污泥水解酸化可以促进生物除磷效果，初沉池泥位为2.5 m时，四系列厌氧段较一系列释磷量增加了3.26 mg/L，后续好氧段吸磷量同步提升了3.29 mg/L，出水STP质量浓度可降至0.06 mg/L，STP去除率可达99%。

(3)改变初沉池泥位后，二沉池出水磷组分也随之发生变化，SRP占比减少了20%，而PTP占比增加了20%，SNRP无明显变化，说明SNRP是决定出水TP含量的主要因素，将影响后续极限低磷浓度的可达性。