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磷元素及懸浮物對(duì)再生水磷濃度的影響

來(lái)源:建樹(shù)環(huán)保 2025-04-12 17:00:06 224

再生水中磷濃度已經(jīng)成為影響再生水景觀(guān)回用安全的關(guān)鍵因素。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,各地根據(jù)區(qū)域受納水體水質(zhì)情況對(duì)再生水中磷濃度出臺(tái)了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。其中,北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/890—2012)B標(biāo)準(zhǔn)要求出水總磷<0.3mg/L,雄安新區(qū)《大清河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2795—2018)要求出水總磷<0.05mg/L。2020年12月,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布中東部湖區(qū)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn),其中總磷基準(zhǔn)為0.029mg/L。有研究表明,為了解決由于磷元素超標(biāo)引起的藻華問(wèn)題,污水處理廠(chǎng)出水總磷濃度必須控制在0.05mg/L以下,但目前水廠(chǎng)的處理工藝較難達(dá)到此目標(biāo),所以需要針對(duì)再生水中磷的極限去除開(kāi)展相關(guān)研究,從而進(jìn)一步降低進(jìn)入水環(huán)境的磷濃度。

城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中的總磷主要包含溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷(pTP),溶解態(tài)磷占70%左右(包括溶解性正磷酸鹽、聚磷酸鹽和溶解性有機(jī)磷),顆粒態(tài)磷占30%左右。其中,聚磷酸鹽和有機(jī)磷稱(chēng)為溶解性非活性磷(sNRP),含量一般較低,大部分聚磷酸鹽在污水到達(dá)處理廠(chǎng)之前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}。而對(duì)于有機(jī)磷,微生物首先通過(guò)堿性磷酸酶將污水中的有機(jī)磷水解為正磷酸鹽,而后以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi),實(shí)現(xiàn)生物去除,但是需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。有研究表明,臭氧氧化技術(shù)可以去除再生水中的有機(jī)磷,去除率為79.1%,但是需要臭氧投加量在30mg/L以上。對(duì)于顆粒態(tài)磷,常規(guī)的混凝沉淀可以去除90%以上,是水廠(chǎng)較容易去除的一種磷。此外,對(duì)于溶解性非活性磷,常規(guī)的化學(xué)除磷藥劑也無(wú)法將其去除,只能依靠生物進(jìn)行緩慢降解或者采用吸附和高級(jí)氧化技術(shù),所以溶解性非活性磷是影響再生水達(dá)到低磷濃度的主要限制因素。

雖然總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,但目前缺少對(duì)再生水中不同形態(tài)磷去除效果的分析和相關(guān)控制方法研究,使得再生水廠(chǎng)無(wú)法有針對(duì)性地去除某一種形態(tài)的磷,進(jìn)而出現(xiàn)藥劑投加過(guò)量、運(yùn)行成本高等問(wèn)題。筆者主要分析懸浮物(SS)含量和磷形態(tài)對(duì)再生水中磷濃度的影響,闡明再生水廠(chǎng)目前除磷工藝所能達(dá)到極限低磷濃度的關(guān)鍵控制因子,并提出水廠(chǎng)可實(shí)際操作的控制方法,旨在為實(shí)際工程提供參考。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

以北京市4座不同處理工藝的再生水廠(chǎng)為例,出水水質(zhì)執(zhí)行北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/890—2012)B標(biāo)準(zhǔn),即出水總磷<0.3mg/L,各水廠(chǎng)工藝和取樣點(diǎn)信息見(jiàn)表1。4座再生水廠(chǎng)的處理工藝均不相同,導(dǎo)致再生水廠(chǎng)出水磷濃度也存在差異性,但都在0.2mg/L以下。本研究以C水廠(chǎng)作為主要研究對(duì)象,A、B、D三座水廠(chǎng)主要取生物池出水渠泥水混合物用于檢測(cè)SS中磷濃度,分析SS對(duì)出水總磷的影響。

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1.2 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置固定取樣點(diǎn),對(duì)C再生水廠(chǎng)出水進(jìn)行連續(xù)取樣,包括總進(jìn)水、二沉池出水和再生水廠(chǎng)出水,分析水中磷的組分和形態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律,并研究除磷藥劑種類(lèi)和用量對(duì)磷濃度的影響。同時(shí)對(duì)4座水廠(chǎng)生物池泥水混合物進(jìn)行取樣檢測(cè),分析污泥中磷含量,該數(shù)值與水中懸浮物的含磷量一致,因?yàn)樗畯S(chǎng)出水中懸浮物和生物池污泥成分相同,只是存在的位置不同。實(shí)驗(yàn)周期為6個(gè)月,每周取樣1次進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

檢測(cè)項(xiàng)目包括總磷(TP)、溶解態(tài)磷(sTP)、可溶性活性磷酸鹽(sRP)、顆粒態(tài)磷(pTP)、溶解性非活性磷(sNRP)和懸浮物(SS)。其中除TP、pTP和SS外,其余指標(biāo)均使用0.45μm濾膜過(guò)濾后檢測(cè),檢測(cè)方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)。不同形態(tài)磷的關(guān)系為:TP=sTP+pTP,sTP=sRP+sNRP。SS的磷含量檢測(cè)方法:取部分泥水混合物進(jìn)行離心,淘洗3~4次,烘干2h后研磨過(guò)100目篩網(wǎng),取出10mg用過(guò)硫酸鉀消解測(cè)得SS中磷含量,這部分磷主要體現(xiàn)在pTP中。水中鋁離子的檢測(cè)采用ICP-AES法。微生物種群結(jié)構(gòu)通過(guò)PCR擴(kuò)增DNA進(jìn)行分析,并利用Illumina公司的MiSeqPE300/NovaSeqPE250平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序,主要分析聚磷菌的變化,包括Accumulibacter菌屬(A菌)和Tetrasphaera菌屬(T菌)。

2、結(jié)果與討論

2.1 再生水中磷元素形態(tài)分析

對(duì)選取的C再生水廠(chǎng)進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè),分析總進(jìn)水、二沉池出水和再生水中磷的形態(tài)及各形態(tài)磷的占比,結(jié)果如圖1所示。從圖1(a)可以看出,C再生水廠(chǎng)總進(jìn)水TP為4.55mg/L,其中pTP為1.58mg/L,sRP為2.82mg/L,sNRP為0.15mg/L。經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后,二沉池出水TP為0.19mg/L,其中pTP和sNRP分別為0.08和0.07mg/L,sRP濃度最低,為0.04mg/L,說(shuō)明污水經(jīng)過(guò)二級(jí)處理后,可被生物利用的磷和顆粒態(tài)磷基本被去除。二沉池出水經(jīng)過(guò)后續(xù)反硝化濾池和超濾膜過(guò)濾后,出水TP降至0.13mg/L,其中pTP去除率達(dá)到50%,sRP由于深度處理工藝缺少微生物作用和化學(xué)除磷藥劑的沉淀,所以去除量較少,而sNRP經(jīng)過(guò)深度處理后依然沒(méi)有明顯的下降。

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由圖1(b)可知,3種形態(tài)磷在不同階段的占比變化較大。其中sRP占比由總進(jìn)水的62%降至再生水廠(chǎng)出水的23%,下降比例最大,去除量也最多;而sNRP的占比則明顯升高,從總進(jìn)水的3%升至再生水廠(chǎng)出水的46%,說(shuō)明常規(guī)生化處理過(guò)程對(duì)sNRP的去除效果較差,這部分磷的殘余導(dǎo)致了再生水廠(chǎng)出水無(wú)法達(dá)到極限低磷濃度,因?yàn)楦澄镔|(zhì)相關(guān)的sNRP生物可用性較低,化學(xué)除磷也無(wú)明顯效果。

2.2 再生水中SS對(duì)磷濃度的影響

無(wú)論是生物除磷還是化學(xué)除磷,最終水相中的磷都會(huì)進(jìn)入泥相,并通過(guò)排泥的方式實(shí)現(xiàn)磷的去除。對(duì)于沒(méi)有深度過(guò)濾工藝的再生水廠(chǎng),顆粒態(tài)磷的殘余也會(huì)對(duì)再生水磷濃度造成影響,SS越高,再生水中的磷濃度也越高,所以需要對(duì)再生水SS濃度進(jìn)行控制。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,對(duì)北京市4座不同處理工藝的再生水廠(chǎng)進(jìn)行調(diào)研取樣,檢測(cè)污泥中的磷濃度、再生水SS濃度以及sTP、pTP等,分析SS與磷形態(tài)的相關(guān)性,為再生水TP的控制提供可行方案,結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知,所選取的4座再生水廠(chǎng)SS中磷濃度均有差異,A、B、C、D水廠(chǎng)SS中磷濃度分別為27.07、33.14、35.16、43.26mg/g。而這部分磷在再生水中主要以pTP形式存在,根據(jù)霍米爾提出的活性污泥化學(xué)式(C118H170O51N17P),SS中磷濃度為20mg/g,生物除磷作用及化學(xué)除磷藥劑的投加都可能使SS中磷濃度超過(guò)理論值。此外,4座再生水廠(chǎng)出水sTP濃度相近,所以pTP的差異是出水TP不同的原因。

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由圖2(b)可知,SS越高,出水pTP濃度越高,二者成正比。其中A水廠(chǎng)和C水廠(chǎng)因?yàn)榫哂心み^(guò)濾工藝,所以出水SS較其他兩個(gè)水廠(chǎng)要低,對(duì)應(yīng)的pTP濃度也較低,可見(jiàn)水廠(chǎng)若要降低出水磷濃度,則控制SS是關(guān)鍵。由于pTP是TP的組成部分,若pTP濃度降低,則出水TP濃度也隨之下降。在水廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,若要控制出水TP低于0.05mg/L,則出水SS應(yīng)不高于1mg/L,因?yàn)榫哂猩锍缀突瘜W(xué)除磷的水廠(chǎng)中SS的磷濃度一般在3%左右,則對(duì)應(yīng)的pTP濃度在0.03mg/L左右,考慮到再生水中仍存在部分難降解的sNRP,這就導(dǎo)致了水廠(chǎng)出水TP很難達(dá)到0.05mg/L以下,所以控制SS對(duì)再生水中磷濃度的影響極為關(guān)鍵,且對(duì)SS的去除較容易,通過(guò)深度過(guò)濾等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)100%去除。

此外,為探究SS中磷濃度產(chǎn)生差異的原因,對(duì)4座水廠(chǎng)的活性污泥開(kāi)展Accumulibacter菌屬(A菌)和Tetrasphaera菌屬(T菌)兩種聚磷菌豐度檢測(cè),分析除磷效果與聚磷菌的關(guān)系,結(jié)果如圖3所示。4座水廠(chǎng)A菌和T菌的相對(duì)豐度之和分別為1.04%、2.01%、2.25%、3.78%。可以看出,隨著聚磷菌相對(duì)豐度的增加,SS中磷濃度也相應(yīng)增加,這是由于聚磷菌能從水中攝取正磷酸鹽,并在細(xì)胞內(nèi)合成多聚磷酸鹽顆粒和核酸等,聚磷菌相對(duì)豐度越高,說(shuō)明單位污泥中存在的聚磷菌越多,進(jìn)而導(dǎo)致SS中磷濃度增加,所以生物除磷效果越好的水廠(chǎng)越應(yīng)該控制出水SS濃度。

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影響污泥中磷濃度的另一個(gè)因素是SRT,理論上SRT越長(zhǎng),污泥吸收或吸附的磷越多,從而導(dǎo)致污泥中磷濃度也越高。A、B、C、D水廠(chǎng)的SRT分別為13、14、16和20d,因此,在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)合理控制SRT,不宜過(guò)長(zhǎng),且水廠(chǎng)運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)除磷效果的變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整出水SS濃度和SRT的長(zhǎng)短,使再生水廠(chǎng)出水磷濃度始終維持在較低水平。

2.3 除磷藥劑對(duì)再生水磷濃度的影響

由于水廠(chǎng)生物除磷效果受進(jìn)水碳源、厭氧環(huán)境和硝態(tài)氮等因素的影響較大,所以目前仍以化學(xué)除磷為主,雖然除磷藥劑可以實(shí)現(xiàn)sRP和pTP的高效去除,且反應(yīng)速度快,但也存在弊端,比如對(duì)低磷濃度的再生水除磷效果差,出水金屬離子濃度高、生物毒性風(fēng)險(xiǎn)大和藥劑成本高等。本實(shí)驗(yàn)選取水廠(chǎng)常用的除磷藥劑硫酸鋁和聚合氯化鋁(PAC)進(jìn)行分析,投加量均以有效成分Al2O3計(jì)算,分析兩種除磷藥劑投加量對(duì)再生水TP濃度和出水溶解態(tài)鋁濃度的影響,結(jié)果如圖4所示。

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由圖4可知,硫酸鋁對(duì)TP的去除率在60%左右,PAC對(duì)TP的去除率在45%左右,主要去除的是sRP和pTP,但這兩種藥劑均存在化學(xué)除磷極限。當(dāng)TP濃度在0.1mg/L以下時(shí),即使過(guò)量投加除磷藥劑,磷濃度也沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)。除此之外,sNRP在兩種除磷藥劑的作用下均沒(méi)有去除效果,始終在0.03mg/L左右,說(shuō)明常規(guī)除磷藥劑無(wú)法去除再生水中的sNRP,也證明了sNRP是再生水達(dá)到極限低磷濃度的主要限制因素。

檢測(cè)再生水中溶解態(tài)鋁濃度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種藥劑都會(huì)導(dǎo)致水中溶解態(tài)鋁濃度增加。使用硫酸鋁時(shí)水中溶解態(tài)鋁濃度由實(shí)驗(yàn)前的13.87μg/L升高至55.4μg/L。而使用PAC時(shí)溶解態(tài)鋁濃度由實(shí)驗(yàn)前的13.56μg/L升高至27.8μg/L,是硫酸鋁的1/2,這主要是因?yàn)榱蛩徜X投入水中先發(fā)生水解作用,生成Al3+,而PAC是聚合態(tài),較為穩(wěn)定。有研究表明,鋁離子對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在危害,且會(huì)影響水環(huán)境安全,所以不建議過(guò)量使用化學(xué)除磷藥劑進(jìn)行再生水極限除磷,可考慮吸附除磷工藝。

3、結(jié)論

污水經(jīng)過(guò)二級(jí)生化處理和深度處理以后,再生水中TP濃度可降至0.1mg/L左右,但sNRP去除效果不明顯,濃度依然在0.06mg/L左右,說(shuō)明sNRP是影響再生水極限低磷濃度的主要限制因素??刂芐S濃度對(duì)再生水磷濃度的影響極為關(guān)鍵,SS越高,出水pTP濃度越高,進(jìn)而導(dǎo)致出水TP升高,二者呈正相關(guān)關(guān)系。再生水廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,若要控制出水TP低于0.05mg/L,則再生水廠(chǎng)出水SS應(yīng)不高于1mg/L。硫酸鋁和PAC化學(xué)除磷藥劑對(duì)再生水中的sNRP無(wú)明顯去除效果,存在除磷極限,且過(guò)量使用會(huì)導(dǎo)致再生水中鋁離子濃度升高,影響水環(huán)境安全。

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