水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的水環(huán)境惡化嚴(yán)重影響了人民群眾的生活品質(zhì)，磷作為水體富營養(yǎng)化的主要限制因素需得到有效控制。近年來北京、天津、江蘇（太湖）、安徽（巢湖）、昆明（滇池）、河北（大清河）等敏感區(qū)域省市陸續(xù)頒布了新的城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，對城鎮(zhèn)污水處理廠出水TP實施更加嚴(yán)格的管控，普遍要求出水TP低于0.3mg/L，昆明市地方標(biāo)準(zhǔn)A級標(biāo)準(zhǔn)的TP限值甚至低至0.05mg/L。有研究發(fā)現(xiàn)，在出水磷酸鹽濃度逐漸降低的過程中，化學(xué)除磷金屬鹽投加量與出水磷酸鹽濃度關(guān)系曲線由“化學(xué)計量區(qū)”經(jīng)“過渡反應(yīng)區(qū)”進入“平衡反應(yīng)區(qū)”，去除相同量磷酸鹽所需的金屬鹽投加量明顯增加，而實際直接與磷酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成沉淀的金屬鹽很少。我國大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠采用混凝沉淀后置化學(xué)除磷工藝，通過大量投加混凝劑和聚丙烯酰胺（PAM）等助凝劑的方式保證出水TP濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。金屬鹽的過量投加導(dǎo)致除磷藥劑利用率降低、污泥處理量增大、運行成本急劇提高。同時，助凝劑PAM的生態(tài)行為及降解產(chǎn)物對環(huán)境存在潛在危害，過量投加導(dǎo)致出水生態(tài)風(fēng)險提高。
筆者開發(fā)的新型懸浮介質(zhì)層深度除磷工藝，在不投加PAM的情況下，依靠懸浮介質(zhì)層的絮凝沉淀、吸附網(wǎng)捕作用實現(xiàn)對二級出水TP和SS的深度去除。以生活污水二級生物處理出水為研究對象，考察了系統(tǒng)的啟動方式和運行效果，并對懸浮介質(zhì)層深度除磷機理進行了探討，以期為高排放標(biāo)準(zhǔn)下城鎮(zhèn)污水處理廠深度除磷提標(biāo)改造提供技術(shù)支撐。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
新型懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)如圖1所示。裝置由Ø28cm×100cm的有機玻璃圓柱體與Ø28cm×33cm的有機玻璃圓錐體構(gòu)成，有效容積為56L。攪拌系統(tǒng)安裝于懸浮介質(zhì)層除磷反應(yīng)系統(tǒng)中下部，采用推進式低速軸流型攪拌器。污水和化學(xué)除磷藥劑同步進入管道混合器，快速混合后進入懸浮介質(zhì)層除磷反應(yīng)系統(tǒng)的中下部，除磷藥劑與進水中的磷酸鹽發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成磷酸鹽沉淀物，隨后與其他懸浮物一起在攪拌器的低速攪拌作用下形成聚集絮體。控制表面負(fù)荷和攪拌強度，使聚集絮體分層沉淀，形成高度為有效水深30%~80%的懸浮介質(zhì)層及清水區(qū)，同時懸浮介質(zhì)層內(nèi)絮體的重力與污水上升推力達(dá)到平衡，絮體呈現(xiàn)動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)；污水向上流經(jīng)懸浮介質(zhì)層，利用介質(zhì)層的絮凝、沉淀、吸附、網(wǎng)捕作用去除磷酸鹽和懸浮固體。控制介質(zhì)濃度為1000~2000mg/L，過量絮體通過底部排泥管排出系統(tǒng)，進入后續(xù)的處理與處置環(huán)節(jié)。
1.2 試驗用水與污泥
試驗進水采用天津市某污水處理廠二沉池出水，TP為0.5~1mg/L，PO43--P為0.4~0.6mg/L，SS為5~15mg/L。試驗污泥采用同一污水處理廠的回流污泥，MLSS為7.6g/L。
1.3 分析項目及方法
TP、PO43--P、SS等水質(zhì)指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定，MLSS采用哈希TSSPortable便攜式濁度儀測定。
1.4 試驗方法
1.4.1 懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)啟動及運行
裝置采用連續(xù)進水的方式運行，監(jiān)測裝置內(nèi)介質(zhì)MLSS的變化，測定不同時間進出水TP、PO43--P、SS等指標(biāo)，考察新型懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)的啟動過程及運行效果。
1.4.2 懸浮介質(zhì)層深度除磷機理試驗
為研究懸浮介質(zhì)層對低濃度PO43--P的去除機理，取活性污泥代替以化學(xué)污泥為主的懸浮介質(zhì)層進行模擬試驗。向1#、2#和3#等量污泥中投加過量PAC（濃度為27mg/L，均以Al2O3計），攪拌至充分反應(yīng)后進行沉淀分離，分別向3份污泥投加不同量KH2PO4，并保證同一份污泥的上清液和濃縮污泥中磷酸鹽濃度相同，其中1#、2#和3#的KH2PO4投加濃度（以P計）分別為22.2、13.32和0.888mg/L，攪拌10min后測定PO43--P濃度。
2、結(jié)果與討論
2.1 懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)的啟動
在表面負(fù)荷為0.8m3（/m2·h）、PAC投加量為270mg/L、攪拌速度為5r/min的條件下，啟動新型懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)，其進水TP、PO43--P、SS分別為0.87、0.46和11.5mg/L。觀察啟動期裝置內(nèi)的絮體變化，結(jié)果見圖2。
監(jiān)測反應(yīng)系統(tǒng)絮體MLSS的變化，結(jié)果如圖3所示。可知，在裝置啟動初期，進水中的PO43--P和PAC快速發(fā)生沉淀反應(yīng)，生成磷酸鋁、氫氧化鋁等微小懸浮膠體顆粒，其互相碰撞并慢慢結(jié)合形成大顆粒懸浮絮體。1h后反應(yīng)系統(tǒng)中形成大量肉眼可見的聚集絮體，MLSS為23mg/L；繼續(xù)反應(yīng)，化學(xué)沉淀絮體與進水中的懸浮物顆粒發(fā)生絮凝作用，絮體量繼續(xù)增加；3h時MLSS為186mg/L，初步形成懸浮介質(zhì)層，但其較為松散，未能形成清晰的分界面，出水有大顆粒絮體流出；繼續(xù)反應(yīng)至4h左右，反應(yīng)系統(tǒng)形成穩(wěn)定的懸浮介質(zhì)層，其高度為有效水深的80%，MLSS為286mg/L，介質(zhì)層緊密，上清液和介質(zhì)分界面清晰，通過網(wǎng)捕攔截作用實現(xiàn)對絮體的捕獲，出水無大顆粒絮體流出。裝置繼續(xù)運行，介質(zhì)層MLSS持續(xù)增加，8.3h時達(dá)到854mg/L。
啟動期裝置出水TP和PO43--P的變化見圖4。
由圖4可知，PO43--P的去除主要在裝置啟動1h內(nèi)通過與鋁鹽的化學(xué)沉淀反應(yīng)完成，去除率可達(dá)85%，出水PO43--P降低至0.07mg/L左右；系統(tǒng)啟動4h形成穩(wěn)定介質(zhì)層后，出水PO43--P進一步降低至0.04mg/L左右，去除率達(dá)到91%。TP的去除可分為4個階段：在裝置啟動初期（1h內(nèi)），以PO43--P的沉淀反應(yīng)為主，去除率為53%；啟動1~3h，以含磷懸浮物與PAC的混凝沉淀為主，去除率達(dá)到80%；啟動3h介質(zhì)層初步形成后，懸浮態(tài)磷通過懸浮介質(zhì)層的網(wǎng)捕攔截作用進一步去除，TP繼續(xù)降低；啟動4h介質(zhì)層穩(wěn)定后，TP去除率提高至84%，出水TP穩(wěn)定在0.14mg/L左右。
啟動期裝置出水SS的變化如圖5所示。啟動初期，由于絮凝形成的絮體重力小于進水上升推力，絮體隨出水流出，SS較進水有所增加；2h后裝置內(nèi)部絮體量增多，逐漸碰撞形成大顆粒絮體，其重力大于進水上升推力，絮體沉降，逐漸形成動態(tài)穩(wěn)定的密實介質(zhì)層，出水無絮體流出，SS降低至7.5mg/L左右，去除率為34%。
綜上，裝置經(jīng)過4h的運行，形成穩(wěn)定的懸浮介質(zhì)層，上清液和介質(zhì)分界面清晰，出水各項指標(biāo)穩(wěn)定，懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)啟動成功。
2.2 懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)運行效果
懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)啟動后，保持系統(tǒng)表面負(fù)荷為0.8m3（/m2·h）、攪拌速度為5r/min，控制懸浮介質(zhì)層高度為有效水深的80%、介質(zhì)濃度為1000~2000mg/L，降低PAC投加量至27mg/L，連續(xù)穩(wěn)定運行10d，考察系統(tǒng)對TP、PO43--P和SS的去除效果。
裝置對污染物的去除效果如圖6所示。可知，系統(tǒng)啟動成功后，由于降低PAC投加量，出水各項指標(biāo)均呈上升趨勢，并在2d后逐漸趨于穩(wěn)定。出水TP和PO43--P可以分別穩(wěn)定地保持在0.4和0.2mg/L以下。PO43--P去除量為0.20~0.35mg/L；TP去除量為0.22~0.35mg/L，其以PO43--P的化學(xué)沉淀為主，占比在80%以上。
由2.1節(jié)可知，在系統(tǒng)啟動期，進水PAC投加量較高，懸浮介質(zhì)不斷生成，形成密實的介質(zhì)層，可有效攔截細(xì)微懸浮物，出水SS較進水有所降低。穩(wěn)定運行期，PAC投加量降低，絮體生成量減少，懸浮介質(zhì)重力與進水上升推力之間重新形成新的平衡關(guān)系，絮體隨出水溢出量增多，出水SS相較進水有所增加，為7~10mg/L。但出水SS的增加并未導(dǎo)致懸浮態(tài)磷明顯增加，這是由于高濃度PAC投加后生成大量氫氧化鋁膠體狀絮體，出水SS中含磷懸浮物的占比大幅降低。因此，對出水TP的管控可以通過優(yōu)化PAC投加量限制出水PO43--P來實現(xiàn)。
考慮現(xiàn)階段絕大多數(shù)地方排放標(biāo)準(zhǔn)對TP、SS的限值分別為0.3和5mg/L，本研究在懸浮介質(zhì)層系統(tǒng)后設(shè)置砂濾單元，強化對TP和SS的去除。結(jié)果表明，懸浮介質(zhì)層-砂濾深度處理系統(tǒng)出水可以穩(wěn)定達(dá)到TP<0.2mg/L、SS<2mg/L的要求，滿足北京、天津、江蘇（太湖）、安徽（巢湖）等敏感區(qū)域省市新地方污水排放標(biāo)準(zhǔn)。新型懸浮介質(zhì)層深度除磷工藝在不增大化學(xué)除磷藥劑投加量的情況下，避免了PAM的投加，提高了出水生態(tài)安全性，促進了污水資源化利用。
2.3 懸浮介質(zhì)層深度除磷機理探討
懸浮介質(zhì)層除磷主要包括2個方面：①二級出水中絕大部分磷以PO43--P的形式存在，在懸浮介質(zhì)層內(nèi)與除磷藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為膠體態(tài)磷和懸浮態(tài)磷；②膠體態(tài)磷和懸浮態(tài)磷，大部分通過懸浮介質(zhì)層的吸附網(wǎng)捕作用去除，剩余部分通過砂濾等過濾單元去除，保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。對于低濃度PO43--P的二級出水來說，通過投加除磷藥劑進行化學(xué)沉淀除磷，藥劑需求量極大。而2.2節(jié)的研究結(jié)果表明，懸浮介質(zhì)層能夠在不增大藥劑投加量的情況下，對低濃度PO43--P產(chǎn)生較高的去除效率。
高PAC含量活性污泥固液相投加磷酸鹽后PO43--P的變化如表1所示。可知，含有過量PAC的活性污泥沉淀分離后，上清液和濃縮污泥加入KH2PO4充分反應(yīng)之后PO43--P均有所下降。這是由于投加的PAC極少部分與活性污泥本底PO43--P反應(yīng)，大量未反應(yīng)的PAC殘留在濃縮污泥和上清液中，與加入的PO43--P反應(yīng)。對比不同磷酸鹽投加量的活性污泥，可以看出濃縮污泥中PO43--P下降量均遠(yuǎn)大于上清液，表明活性污泥中未發(fā)生反應(yīng)的PAC絕大部分存在于泥相中，水相中PAC含量較低。
新型懸浮介質(zhì)層除磷系統(tǒng)依靠活性污泥、化學(xué)污泥等懸浮固體對金屬鹽的吸附截留作用，基本將過量藥劑截留至懸浮介質(zhì)層，形成高金屬鹽濃度反應(yīng)區(qū)，完成對進水低濃度PO43--P的高效去除。同時通過減少排泥實現(xiàn)對金屬鹽的保留，提高除磷藥劑利用效率，基本解決了傳統(tǒng)深度除磷工藝過量藥劑隨出水或排泥流出而導(dǎo)致利用率低的問題。
3、結(jié)論
①當(dāng)表面負(fù)荷為0.8m3（/m2·h）、PAC投加量為270mg/L時，懸浮介質(zhì)層深度除磷系統(tǒng)能在4h啟動成功，形成穩(wěn)定懸浮介質(zhì)層，其出水TP<0.15mg/L、PO43--P<0.05mg/L、SS<8mg/L。
②當(dāng)PAC投加量為27mg/L時，懸浮介質(zhì)層對低濃度PO43--P具有較高去除率，出水PO43--P<0.2mg/L。通過后續(xù)設(shè)置砂濾單元強化對TP和SS的去除，出水可以穩(wěn)定達(dá)到TP<0.2mg/L、SS<2mg/L的要求。新型懸浮介質(zhì)層深度除磷工藝在不增大化學(xué)除磷藥劑投加量的情況下，避免了PAM的投加，提高了出水生態(tài)安全性，促進了污水資源化利用。
③新型懸浮介質(zhì)層除磷系統(tǒng)依靠懸浮固體對金屬鹽的吸附截留作用，基本將過量藥劑截留至懸浮介質(zhì)層，形成高金屬鹽濃度反應(yīng)區(qū)完成對進水低濃度PO43--P的高效去除。同時通過減少排泥實現(xiàn)對金屬鹽的保留，提高除磷藥劑利用效率，基本解決了傳統(tǒng)深度除磷工藝過量藥劑隨出水或排泥流出而導(dǎo)致利用率低的問題。（來源：中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司）
