再生水中磷濃度已經(jīng)成為影響再生水景觀回用安全的關(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，污水處理廠出水總磷濃度必須控制在0.05mg/L以下，但目前水廠的處理工藝較難達(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為例，出水水質(zhì)執(zhí)行北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890—2012）B標(biāo)準(zhǔn)，即出水總磷<0.3mg/L，各水廠工藝和取樣點(diǎn)信息見(jiàn)表1。4座再生水廠的處理工藝均不相同，導(dǎo)致再生水廠出水磷濃度也存在差異性，但都在0.2mg/L以下。本研究以C水廠作為主要研究對(duì)象，A、B、D三座水廠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。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
設(shè)置固定取樣點(diǎn)，對(duì)C再生水廠出水進(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和用量對(duì)磷濃度的影響。同時(shí)對(duì)4座水廠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。
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，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SS中磷濃度均有差異，A、B、C、D水廠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座再生水廠出水sTP濃度相近，所以pTP的差異是出水TP不同的原因。
由圖2（b）可知，SS越高，出水pTP濃度越高，二者成正比。其中A水廠和C水廠因?yàn)榫哂心み^(guò)濾工藝，所以出水SS較其他兩個(gè)水廠要低，對(duì)應(yīng)的pTP濃度也較低，可見(jiàn)水廠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越應(yīng)該控制出水SS濃度。
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。
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。控制SS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。（來(lái)源：北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市污水資源化工程技術(shù)研究中心，北京北排科技有限公司）
