基于磷容量的污水处理厂除磷效能提升控制技术研究

王 刚 李魁晓# 姜大伟 王 慰 许 骐 贺 赟 张新勃

(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)

为进一步提升水环境质量,国内重点流域、区域的城镇污水处理厂总磷排放标准相应提高。北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11/ 890—2012)B标准要求出水总磷<0.3 mg/L,雄安新区《大清河流域水污染物排放标准》(DB13/ 2795-2018)要求出水总磷<0.2 mg/L,昆明市《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》(DB5301/T 43—2020)A标准则要求出水总磷<0.05 mg/L,日趋严格的总磷排放标准对我国城镇污水处理厂的除磷效能提出了更高的要求[1]。

对于已建设运营的城镇污水处理厂,除磷多采用化学协同生物处理技术[2],但由于生物除磷受进水碳源、厌氧环境和硝态氮等因素影响[3-5],导致污水处理厂的生物除磷效果较难控制,为保障出水总磷稳定达标,目前大部分污水处理厂以化学除磷为主[6],且除磷药剂一般过量投加以保证出水总磷实时达标排放[7-8],化学除磷药剂的使用不仅增加了污水处理厂运行成本,而且会导致化学污泥产量增多[9],影响后续污泥的资源化利用。此外,由于药剂投加量超过理论投加量,进而导致未反应完的除磷药剂及其水解产物通过污泥回流进入到前端生物处理系统中[10-11],使得污泥具备了较强的除磷能力[12]。目前关于污水处理厂化学除磷的研究多集中在通过前馈、后馈等手段实现药剂投加的自动控制[13-14],而对于污泥存在的除磷能力以及持续时间缺乏有效的表征指标及检测方法,进而导致自动加药系统计算准确度低,系统中药剂的除磷能力没有得到充分利用,造成资源浪费。为此,本研究针对污水处理厂污泥的除磷能力表征及影响因素等开展实验室小试和现场生产性研究,首次提出了污泥“磷容量”的概念对污泥除磷能力进行量化,使污水处理厂可以准确计算出回流污泥中残余的除磷药剂量,为实现除磷药剂投加的精准控制,充分发挥除磷药剂的使用效能提供科学依据。

1 实验条件及方法

1.1 实验条件

本研究以改良AAO小试实验装置作为研究对象,实验装置有效容积366 L,由预缺氧—厌氧—缺氧—好氧段组成,各工艺段体积比为1∶2∶2∶5(见图1)。实验装置采用分段式进水,进水量为1 098 L/d,30%原水进入预缺氧段与回流污泥混合去除硝态氮,避免对后续生物除磷造成影响,70%原水进入厌氧段进行厌氧释磷,每格反应池内均含有搅拌装置,防止泥水分层影响处理效果,实验装置水力停留时间为8 h,泥龄为14 d。

图1 AAO实验装置Fig.1 Diagram of AAO device

选取北京市4个采用不同处理工艺的污水处理厂(编号为A～D)进行现场取样检测,分析不同除磷药剂投加量下污泥磷容量的差异,并在C厂开展基于污泥磷容量的除磷药剂效能提升技术研究,提出调控策略。4个污水处理厂除磷工艺以及除磷药剂使用信息如表1所示。

表1 污水处理厂除磷工艺及除磷药剂使用情况Table 1 Treatment technology and application of phosphorus removal agents in sewage treatment plant

1.2 实验方法

以C厂回流污泥为对象进行磷容量检测方法研究,具体方法为:取C厂回流污泥1 L置于2 L烧杯中,向回流污泥中添加20 mL、500 mg/L的高浓度磷酸盐溶液,混合搅拌30 min后测上清液溶解态活性磷酸盐(sRP),测定搅拌前后sRP降幅,继续加入20 mL、500 mg/L的高浓度磷酸盐溶液,重复上述操作,直至回流污泥上清液的sRP浓度不再降低为止,计算污泥的磷容量(以单位污泥混合液悬浮固体(MLSS)的除磷量计)。

1.3 分析项目

参考《水和废水监测分析方法》,测定水样中的sRP以及污泥MLSS[15]。其中,水样需先经0.45 μm滤膜过滤后测定sRP。

参考欧洲标准化委员会推荐的针对淡水沉积物磷形态分离的标准测试程序(SMT)测定污泥含磷量[16];总铝采用电感耦合原子发射光谱(ICP-AES)法进行测定[17];沉淀物晶型分析采用X射线衍射仪(XRD)[18]。每次取样检测均设置平行样,实验结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 污泥磷容量检测方法研究

由于污水处理厂除磷药剂多为过量投加,导致回流污泥具有较强的除磷能力。前期研究发现,投加除磷药剂的污水处理厂回流污泥与进水在1∶1比例混合条件下可去除50%左右的磷酸盐[19]。本研究以C厂回流污泥为研究对象,验证回流污泥的除磷能力并确定磷容量的检测方法,结果如图2所示。

图2 污泥磷容量检测Fig.2 Detection of sludge phosphorus storage capacity

根据检测结果,污泥初始上清液sRP为0.1 mg/L,添加20 mL、500 mg/L的磷酸盐溶液后sRP增至10 mg/L左右,搅拌30 min 后sRP降至1.5 mg/L,继续投加20 mL、500 mg/L磷酸盐溶液,sRP增至11.5 mg/L左右,搅拌30 min后sRP降至6.3 mg/L,以此类推,在第90 min投加磷酸盐溶液后sRP不再降低,说明污泥除磷能力饱和,经计算污泥磷容量为2.24 mg/g。检测前后,测定污泥含磷量由33.14 mg/g增至39.21 mg/g,说明污泥中剩余的除磷药剂发挥了作用,进一步证明了回流污泥磷容量的存在。

2.2 除磷药剂种类及投加量对污泥磷容量的影响

污水处理厂常用的除磷药剂为硫酸铝和PAC,故对比两种除磷药剂对污泥磷容量的影响。因污水处理厂回流污泥中含有除磷药剂,会对磷容量的测定产生影响,为保证结果的准确性,使用AAO小试装置连续排泥,运行过程中不额外投加除磷药剂,一个泥龄周期内污泥中有效的除磷药剂即可排出系统外。经检测,AAO处理后污泥的磷容量较小(约0.3 mg/g),不会对后续实验结果造成干扰。

取2 L烧杯加入1 L排药后的活性污泥,调节MLSS约为4 000 mg/L,分别加入硫酸铝和PAC,除磷药剂投加量分别为0、5、10、15、20 mg/L(以Al2O3计),搅拌10 min后进行磷容量检测,得到不同除磷药剂投加量下的污泥磷容量,结果如图3所示。

图3 除磷药剂投加量与污泥磷容量相关性Fig.3 The correlation between phosphorus removal agent dosage and sludge phosphorus storage capacity

由图3可知,污泥磷容量与除磷药剂投加量线性正相关,除磷药剂投加量越高,污泥磷容量越大。硫酸铝的拟合线斜率为0.272 4,R2为0.992 2,PAC的拟合线斜率为0.187 4,R2为0.994 5,可见相同药剂投加量下硫酸铝的磷容量要高于PAC,分析原因主要是PAC属于聚合态,不需要预先水解,会先与水中的磷酸盐反应,而硫酸铝需要先进行水解生成Al(OH)3等,这部分水解产物大部分会先进入到污泥中,然后才发挥除磷作用,所以在进行污泥磷容量检测时硫酸铝除磷药剂的磷容量高于PAC。两种除磷药剂拟合线的R2均接近于1,说明可以通过拟合公式计算污泥当前磷容量下残余的除磷药剂折合的投加量。

基于上述研究结果,对4个污水处理厂回流污泥磷容量进行检测,结果见图4。同步检测污泥中总铝含量和含铝沉淀物组成,并根据实验室得到的线性拟合线核算污泥中残余的除磷药剂量。

图4 不同污水处理厂污泥磷容量Fig.4 Phosphorus storage capacity of sludge in different sewage treatment plant

A厂不加除磷药剂,污泥磷容量为0.32 mg/g,污泥含总铝5.62 mg/g;B厂污泥磷容量为1.05 mg/g,污泥含总铝26.6 mg/g,污泥中残余的PAC折合投加量为4.11 mg/L;C厂污泥磷容量为2.34 mg/g,污泥含总铝35.0 mg/g,污泥中残余硫酸铝折合投加量为7.53 mg/L;D厂污泥磷容量为3.25 mg/g,污泥含总铝59.8 mg/g,污泥中残余PAC折合投加量为15.85 mg/L。可以看出,污泥磷容量与总铝含量成正比,即磷容量越大,残余的除磷药剂越多,进而总铝含量越高。通过线性拟合曲线计算出3个污水处理厂污泥中残余药剂折合的投加量均高于实际的药剂投加量,说明即使停止加药,残余的除磷药剂也可以维持1～2 d的除磷效果,污水处理厂可通过调整运行策略进一步利用污泥中残余的除磷药剂,进而提高药剂使用效率。

采用XRD对B厂、D厂磷容量检测前后污泥中的沉淀产物进行晶形检测,确定沉淀物组成和变化。根据XRD分析结果,污泥中含铝沉淀产物主要为AlPO4,质量分数超过90%,此外还有一些Al(OH)3、AlH6(PO4)3·2H2O和Al(H2PO4)3等,说明回流污泥的除磷过程主要是铝盐沉淀反应,污泥中残余的除磷药剂与磷酸根反应生成了AlPO4,最终实现了磷酸盐的去除,这也从侧面反映出污水处理厂的除磷药剂存在过量投加的情况,根据上述研究结果,污水处理厂可以针对性地制定调控策略。

2.3 基于污泥磷容量的除磷效能提升研究

根据上述研究,污泥磷容量与除磷药剂投加量成正比,且回流污泥中剩余部分除磷药剂,为充分发挥这部分除磷药剂的效能,需制定调控策略,以C厂为研究对象进行现场调试,测试两种调控方法(一是增大污泥外回流比,二是剩余污泥回流到前端初沉池)的除磷效能提升情况。

第一种调控方法下,调控前C厂污泥外回流比为90%,连续运行时的平均污泥磷容量为1.95 mg/g,污泥残余除磷药剂折合投加量为6.10 mg/L,具有一定除磷能力。回流污泥与进水混合后溶解氧为0～0.5 mg/L,处于厌氧或缺氧状态,不会出现生物好氧吸磷现象,避免了对实验结果的影响。

提高外回流比分别为100%、110%后进行现场取样,检测污泥磷容量,并对回流污泥与进水混合前后的sRP含量进行检测,计算去除率,以进水sRP去除率的增幅表征除磷效能提升量,结果如图5所示。

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

由图5可见,随着外回流比的增大,sRP去除率也随之升高。90%外回流比下sRP去除率为62.0%,100%外回流比下sRP去除率为69.8%,110%外回流比下sRP去除率为73.5%。110%的外回流比较90%外回流比除磷效能提升11.5百分点。考虑到外回流比对生物池污泥浓度以及二沉池泥位的影响,建议将外回流比提高至110%,既能提高药剂使用效率,又可以避免对后续工艺产生较大影响。

根据第二种调控方法,C厂有两个平行的AAO处理线,两条线路进水水量均为24.75万m3/d,剩余污泥排放量均为2 584 m3/d。其中一条线路剩余污泥回流到初沉池进水廊道,另一条线路剩余污泥直接排放到泥区,对比两条线路对进水sRP的去除效果,同时分析剩余污泥回流对系统排泥的影响。结果表明:若将剩余污泥回流到初沉池,则混合前后进水sRP从3.43 mg/L下降至3.08 mg/L,降幅达0.35 mg/L,计算可知除磷效能提升10.20百分点。此外,剩余污泥回流初沉池可以实现污泥减量化,这是因为含有除磷药剂的剩余污泥进入初沉池后起到混凝沉淀作用,对初沉污泥进行了改质,使污泥进一步浓缩,含水率降低,从而减少整体排泥量30%左右。

3 结 论

(1) 通过检测及拟合计算得到污水处理厂污泥磷容量为0.32～3.25 mg/g,污泥中残余的除磷药剂量折合投加量为0～15.85 mg/L,设计的磷容量检测方法不仅解决了污水处理厂污泥除磷能力无法准确表征的问题,而且可对化学除磷药剂的优化投加提供指导。

(2) 除磷药剂的种类与用量是影响污泥磷容量的关键因素,使用硫酸铝除磷药剂的污泥磷容量较PAC高,且药剂投加量越多,磷容量越大,呈正相关关系,除磷药剂的预水解程度是导致磷容量产生差异的主要原因。

(3) 基于污泥的磷容量,污水处理厂可以采用改变污泥外回流比或将剩余污泥回流到初沉池的方式提高除磷药剂使用效率,除磷效能均可提高10百分点以上。此外,剩余污泥回流初沉池可以减少约30%的排泥量,对污泥的减量化和无害化处理具有重要意义。