环境敏感地区污水厂超深度除磷运行现状
导 读：以环境敏感地区的4座城市污水处理厂为研究对象，对其进出水常规指标和磷组分进行取样检测和统计分析。结果表明4座污水处理厂的进水水质差异较大，但出水水质指标均达到GB 18918-2002一级A标准，进一步对磷组分分析发现，各污水处理厂磷素与进水COD和SS的相关性差异较大，但4座污水处理厂进水和出水中的磷主要以溶解性正磷酸盐和悬浮态磷为主，总和占比分别超过了93%和88%。
引用本文：罗凡,李浩,徐浩，等. 环境敏感地区城市污水处理厂超深度除磷运行现状及潜力分析［J］. 给水排水，2023，49（9）：29-34.
本文以环境敏感区域的4座城市污水处理厂为研究对象，旨在研究不同磷组分的去除效率及影响因素，并且在其中一座污水处理厂开展深度除磷试验研究，为运行与管理提供参考。
1 材料和方法
1.1 样品的采集
采样地点为环境敏感区域周边的4座城市污水处理厂，其基本情况如表1所示，总设计规模达到43万m³/d。
表1 4座污水处理厂基本情况
在污水处理厂的进出水采样口用采样瓶收集水样并尽快完成检测，包含化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、悬浮物（SS）等常规指标以及磷组分的检测。
1.2 检测方法
COD：重铬酸盐法，NH3-N：纳氏试剂分光光度法，TN：碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，TP：钼酸铵分光光度法，SS：重量法。
磷组分分析方法：原水样直接消解后测得总磷（TP）；原水样经0.45 μm滤膜过滤后消解滤液测得可溶性总磷；过滤滤液不消解直接测得溶解性正磷酸盐（PO3-4-P）；总磷与可溶性总磷之差为悬浮态磷（S_TP）；可溶性总磷与溶解性正磷酸盐之差为其他溶解性磷。测定流程如图1所示。
图1 磷组分的测定流程
2 结果与讨论
2.1 常规指标分析
表2为4座污水处理厂进水常规水质指标情况。
表2 4座污水处理厂进水常规水质指标变化情况 注:括号内为平均值。
从表2中可以看出4座污水处理厂中A厂的进水污染物浓度最高，COD和TP的平均浓度是另外3座污水处理厂的2倍以上，TN平均浓度也接近2倍。这跟其服务区域的服务人口和排污特征有关，A厂在服务面积内的人口密度最高。B厂和D厂的进水水质特征相似，各指标除SS以外无论是波动范围还是平均值的差异都不大。而C厂进水水质存在有机物和悬浮物含量较低而氮磷含量却不低的特征，整体的可生化性跟另外3座污水处理厂相比较差。
由C/N和C/P统计结果可以看出，4座污水处理厂的进水C/N均＞5，进水C/P均＞50，且A厂的C/N比和C/P比均值与其他三座污水处理厂相比更大，表明其碳源更充足。
表3为4座污水处理厂出水常规水质指标情况。
表3 4座污水处理厂出水常规水质指标变化情况 注：括号内为平均值。
由表3中可以看出，对于COD指标，4座污水处理厂的出水均达到了一级A标准，平均浓度分别为15.5、14.0、18.5、15.0 mg/L。A～C污水处理厂的出水COD无论是平均值还是波动范围都差异不大，与这3个污水处理厂均为AAOA-MBR工艺有关。对比分析污水处理厂进水水质情况发现，A厂与B、C两个污水处理厂相比，进水COD浓度明显偏高，超过2个污水处理厂进水浓度的2倍以上，但3座厂出水浓度相似，表明该工艺可适应不同水质，具有一定的抗冲击负荷能力。
对于SS指标，4座污水处理厂中A～C 3座污水处理厂出水SS浓度无论是均值还是波动范围均达到一级A标准。D厂的SS波动较大，均值达到了一级A标准。
对于TN指标，4座污水处理厂出水均达到了一级A标准，平均浓度分别为5.24、7.41、9.15、9.10 mg/L。对比分析污水处理厂进水水质情况发现，B、C、D 3座污水处理厂进水TN浓度相似，均值分别为27.14、30.55、28.92 mg/L，均大幅低于A厂的进水浓度（均值为52.46 mg/L）。对于A厂，更高的TN进水条件却出现较低的TN出水，导致这个结果的原因可能有两个：一个是进水C/N比有差距，A厂的C/N比（8.47）同样高于另外3座厂（分别为5.29、5.41和5.91），更高的C/N比代表该水质更能满足微生物反硝化脱氮的需求。另一方面是由于A厂的实际运行时间较长，其工艺运行稳定且优化水平较高，导致同等工艺条件下该厂的TN去除效率更高。
对于NH3-N指标，4座污水处理厂出水均达到了一级A标准，平均浓度分别为0.25、0.39、0.25、0.24 mg/L。对比分析污水处理厂进水水质情况发现，B、C、D三个污水处理厂的氨氮进水浓度相似，均值分别为20.9、23.5、22.9 mg/L，均低于A厂的进水浓度（均值为34.0 mg/L）。由于氨氮的去除主要与曝气量有关，只要提供充足的氧气，氨氮的去除效率均较高。
对于TP指标，4座污水处理厂的出水均达到了一级A标准，其中采用两级过滤作为深度处理工艺的D厂出水TP浓度最高在0.048～0.485 mg/L。单纯生物除磷的效果无法满足排放要求，目前4座污水处理厂均采用生物除磷结合化学除磷的方式。对于后续的超深度除磷需求，需要进一步分析当前进出水的磷组分。
2.2 磷组分分析
表4为4座污水处理厂进水磷组分分析结果。
表4 4座污水处理厂进水磷组分 注:括号内为平均值。
由表4可以看出，4座污水处理厂进水中的磷主要以溶解性正磷酸盐和悬浮态磷为主，总和占比均超过了90%。A厂与其他3座厂在磷组分上差异较大，其进水中磷主要以悬浮态磷为主，其占比远远高于另外3座厂。
进水中的磷组分尤其是悬浮态磷与COD和SS密切相关，为了进一步分析，采用IBM SPSS Statistics 22.0对4座污水处理厂进水COD、SS、TP和S_TP（悬浮态磷）进行Pearson相关性分析。根据P<0.05时数据才有显著的统计意义，结果如表5所示。
表5 进水TP、S_TP与COD、SS之间的相关性
由表5可以看出，C厂进水磷素（TP和S_TP）与COD和SS、B厂的进水SS与COD和TP的关联不显著。A厂进水中TP、S_TP与COD、SS有强相关性，其相关系数分别为0.917和0.943、0.913和0.956；B厂进水中只有TP与COD有强相关性，其相关系数为0.818，S_TP与COD、SS相关性较弱，其相关系数分别为0.448和0.680，TP与SS的相关性不显著；D厂进水中只有S_TP与SS有强相关性，其相关系数为0.824，TP与COD、SS以及S_TP与COD相关性较弱，其相关系数分别为0.532、0.565和0.334。
表6为4座污水处理厂出水磷组分分析结果。
表6 4座污水处理厂出水磷组分 注：括号内为平均值。
对4座污水处理厂的出水磷组分的分析可得，出水中的磷主要以溶解性正磷酸盐为主，A～D厂占比分别为81%、83%、73%和60%，表明TP进一步去除的重点主要在溶解性正磷酸盐。刨除溶解性正磷酸盐，B～D厂剩余的磷素以悬浮态磷为主，A厂其他溶解性磷占比稍多，A～C厂都是MBR工艺，而D厂由于深度处理采用了两级过滤工艺，出水TP最高的同时悬浮态磷占比也最高。针对现有出水情况，进一步超深度除磷需要加强化学除磷效果，污水处理厂应通过投加点位以及投加药剂量等的研究进一步提高对总磷的去除效益。
2.3 深度除磷试验
2.3.1 分段投加PAC除磷小试
使用D厂的进水进行分段投加PAC除磷小试，试验用水的总磷浓度约为2.30 mg/L，两次投加量的比例为50/50，单次与两次投加PAC除磷效果对比见图2，由图可见对于同一进水水质和相同药剂投加总量，分两次投加药剂的除磷效果明显优于单次投加。单次投加时，PAC投加量要超过170 mg/L时，出水TP才能降至0.05 mg/L左右。而分两次投加时，药剂投加量在130 mg/L时，出水TP已经降至0.05 mg/L左右。当药剂投加量进一步增大达到180 mg/L时，出水TP已低至0.02 mg/L。这是由于分段式投加PAC的方式促进了药剂与磷素的充分高效接触，提高了药剂的实际使用效率和除磷效率。结果表明对于该污水处理厂的进水水质，当单次投加大剂量的PAC时，存在利用效率不高的现象，采用PAC分段式投加的方式，同等条件下可以改善单次投加药剂反应不完全的缺点。
图2 单次与两次投加PAC除磷效果对比
接下来为了探究分段投加的药剂比例对总磷去除效果的影响，进行了两段投加PAC时不同投加比例的试验，试验结果见图3，由图可知两段投加比例分别为20/80、80/20、30/70时，这3种比例在120~150mg/L的药剂投加量范围内，出水TP均较高，最低值也0.08 mg/L左右，与出水标准0.05 mg/L差距较大。两段投加比例在40/60~60/40时，总磷的去除效果明显提升，特别在45/55~55/45时，出水总磷低至0.026 mg/L，其中50/50比例投加PAC时除磷效果最好，在总投加量为120 mg/L时，出水TP已经低于0.05 mg/L。
图3 两段投加PAC时不同投加比例除磷效果对比
2.3.2 生产线除磷试验
在D厂开展生产线除磷试验，D厂一级处理采用粗、细格栅结合曝气沉砂池；二级处理采用改良AAO工艺，前置预缺氧区；三级处理采用高效沉淀池与V型滤池组合工艺。D厂原本的化学除磷是在生化池的内回流渠投加除磷药剂PAC，现场试验采用两段式投加，在保留原有PAC投加点的基础上，在三级处理的高效沉淀池前增设第二个PAC投加点，两个投加点的PAC投加比例为50/50，对该厂的深度除磷运行情况进行了半年的跟踪监测分析。
图4 每天进出水总磷质量浓度和PAC投加量
图4显示了污水处理厂半年生产线试验中每天的进出水总磷浓度、PAC投加量以及PAC投加量与进水总磷质量浓度的比值（Mc/M0），由图4可知，出水TP在0.015~0.364 mg/L，其均值为0.085 mg/L，期间每日出水都达到了一级A的排放标准。在试验的前120天内，整体的运行情况较好，有80天的出水TP低于0.05 mg/L。在监测的20~40天内，进水TP浓度有一个小峰值，进水浓度均值达到6.0 mg/L在1.67~17.1 mg/L。现场也根据这一情况，及时加大药剂投加量，来保障Mc/M0稳定在同一水平，因此该时期出水TP波动较小，整体略微上升。而在监测的后期（120~180天），进水TP有一个长时间的大范围波动，浓度在2.75~42.3 mg/L，均值为7.44 mg/L。进水TP的冲击负荷导致生物除磷效果变差，而污水处理厂短期内有限的增加PAC投加量（60~120 mg/L增加到120~180 mg/L），但Mc/M0值不升反降，该时期大部分Mc/M0值低于30，有些甚至低至5~7，进而导致出水TP波动较大，整体超过了0.10 mg/L。
出水TP与Mc/M0值的关系可以看出，当设有两段药剂投加条件下，Mc/M0值在30~40内能够有效的保障出水TP低至0.05 mg/L，当进水TP波动时，需要进一步提高药剂投加量，来保障Mc/M0值在同等水平。如果进水TP较高并且处于大范围波动时，冲击负荷对生物除磷的效果影响较大，此时不仅需要加大药剂投加量，Mc/M0值也需进一步加大，来保障出水TP小于0.05 mg/L。
3 结论
以环境敏感地区的4座城市污水处理厂为研究对象，处理规模在6万～15万m³/d，包含了常规活性污泥法-二沉池-两级过滤工艺和MBR膜处理工艺，通过取样组分测定和理论统计分析以及深度除磷试验，得到如下结论：
（1）受服务人口和排污特征的影响，4座污水处理厂中A厂的进水污染物浓度最高，且C/N和C/P比最高，碳源更充足。其余3座污水处理厂进水浓度较低，其中C厂进水可生化性最差。4座污水处理厂出水水质指标均达到了一级A标准，其中TN均值均低于10 mg/L，TP均值均低于0.5 mg/L。
（2）进水中的磷组分尤其是悬浮态磷与COD和SS具有相关性，经相关性分析结果表明，A厂进水中TP、S_TP与COD、SS有强相关性，B厂进水中只有TP与COD有强相关性，D厂进水中只有S_TP与SS有强相关性。
（3）4座污水处理厂进水和出水中的磷主要以溶解性正磷酸盐和悬浮态磷为主，总和占比分别超过了93%和88%，所以总磷进一步去除的重点主要在溶解性正磷酸盐和悬浮态磷。
（4）深度除磷小试发现，采用两次分段投加PAC的除磷效果明显好于单次投加PAC，两段投加的比例为50/50时，除磷效果最优。
（5）生产线深度除磷试验发现，PAC的投加应该关注PAC投加量与进水总磷质量浓度的比值（Mc/M0），常规情况下Mc/M0值在30~40内能够有效的保障出水TP低于0.05 mg/L；如果进水TP较高和处于大范围波动时，Mc/M0值也需进一步加大，来保障出水TP低于0.05 mg/L。
