磷既是引起水体富营养化的重要因子,又是不可再生的资源。近年来有学者^[1]提出将污水中磷去除和磷回收相结合的思路,从而实现磷资源的可持续利用。污水处理厂通过生物除磷排放富磷剩余污泥,将污水中的磷转移到污泥中,实现排入水体的磷浓度控制,然后将剩余污泥中聚合态磷以PO₄^3--P的形式释放到上清液中,通过化学沉淀法等方式回收利用。目前,污泥中PO₄^3--P的释放方法,主要有物理破解法、化学破解法和生物释磷法,其中生物厌氧释磷法不但具有良好的释磷效果,还可以改善污泥性能,强化生物系统脱氮除磷能力。

　　 我国南方污水处理厂普遍存在进水碳源不足,碳氮比低的问题。反硝化聚磷污泥经过充分厌氧释磷,泥水分离,上清液进行PO₄^3--P回收,污泥回至生物系统,在缺氧段同时进行反硝化脱氮和吸磷,实现“一碳多用”,在一定程度上可减轻污水处理厂碳源不足的问题。

　　 本研究针对现有低碳氮比污水处理系统,建立了以回流污泥厌氧释磷为核心的旁路磷回收及释磷污泥反硝化强化脱氮耦合系统,考察了其应用的可行性及关键点,以期为污水处理厂的PO₄^3--P回收利用提供依据。

　　 试验选用太湖流域某低碳氮比污水处理厂活性污泥,该厂分两期建设,主体工艺为倒置A²/O,一期和二期设计规模分别为5万m³/d和10万m³/d,除磷方式分别为一期生物除磷,二期协同化学除磷。进水以生活污水为主,BOD₅/TN年均值为3~4.5,BOD₅/TN日均值小于4的天数约占全年60%,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。试验污泥初始特性如表1所示。

　　 试验过程PO₄^3--P、NO₃^--N、SS、MLSS、MLVSS等水质指标均采用标准方法测定^[2],pH采用哈希HQ40d便携式多水质测定仪测定,污泥中TP采用60℃烘干-过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法^[3]测定。

　　 磷回收装置如图1所示。装置主要由反应沉淀系统、砂滤系统和压滤系统3部分组成。反应沉淀系统为1m×1.25 m×2 m不锈钢池体,有效容积为2.5m³;砂滤系统由砂滤柱和反冲洗水桶组成,其中砂滤柱为Ø0.4×2m有机玻璃圆柱,有效容积为0.15m³,滤料为1~2 mm石英砂,填充高度为0.6m;污泥压滤机为半自动隔膜压滤机。

　　 污泥进入反应沉淀系统,序批式运行,经过厌氧释磷-混凝-沉淀3个阶段,然后上清液经过砂滤系统去除SS,进入PO₄^3--P储罐;沉淀后的污泥经过压滤系统进一步泥水分离,压滤液进入PO₄^3--P储罐,压滤后的污泥重新回到生物系统。装置运行参数如表2所示。

　　 对3种不同污泥的释磷能力进行对比试验研究,分别投加足量乙酸钠于3种污泥中,厌氧搅拌,测定不同时间上清液中PO₄^3--P浓度,同时测定释磷前后污泥中TP含量。试验反应条件如表3所示,其中浓缩池污泥预先用蒸馏水稀释3倍。

　　 对一期回流污泥的反硝化除磷能力进行试验研究,投加80mg/L NaAc-COD于污泥中,厌氧搅拌至碳源消耗完毕,投加25 mg/L PO₄^3--P和50mg/L NO₃^--N继续反应,测定不同时间上清液中PO₄^3--P和NO₃^--N浓度。

　　 最大释磷量取决于污泥含磷量,污泥含磷量受污泥种类和除磷工艺的影响。不同泥源的厌氧释磷规律如图2所示,三种泥源中,一期回流污泥的厌氧释磷量最大,二期回流污泥其次,一期浓缩池污泥几乎没有释磷能力。

　　 对3种泥源的厌氧释磷能力进行分析,结果如表4所示。

　　 一期工艺未投加化学除磷药剂,仅依靠生物除磷,回流污泥具有较强的生物释磷能力,最大释磷速率为5.99mgP/(gMLVSS·h),初始污泥含磷量为28.50mgP/gDS,PO₄^3--P释放量为9.53mgP/gDS。

　　 二期工艺采用协同化学除磷,回流污泥初始含磷量与一期相同,但最大释磷速率和PO₄^3--P释放量分别下降了16.86%和28.75%。可以看出,化学除磷药剂的投加并未影响污泥的总含磷量,但却削弱了生物厌氧释磷能力,降低了释磷总量。这是由于污水中的磷与化学药剂以PO₄^3--P沉淀的形式结合,降低了微生物细胞内的含磷量。

　　 一期浓缩池污泥由剩余污泥和初沉污泥组成。初沉污泥的加入,一方面导致污泥的活性大幅降低,MLVSS/MLSS从0.44降至0.39;另一方面初沉污泥带入快速碳源,与回流污泥混合后在浓缩池发生厌氧释磷,PO₄^3--P浓度为18.2 mg/L,初始污泥含磷量降低,继续投加碳源,污泥不再继续释磷,PO₄^3--P浓度未有明显增加。

　　 因此,PO₄^3--P回收系统接入污水处理厂污泥系统时,考虑初沉污泥和协同化学除磷的影响,选择旁路设置于一期回流污泥系统。

　　 磷回收系统运行测试数据如表5所示。可知,磷回收系统达到稳定之后,运行周期为8h,可回收富磷上清液2.25 m³,其中PO₄^3--P浓度高于40mg/L,SS低于20mg/L,pH为7.2~7.8。高浓度PO₄^3--P可在后续通过化学沉淀法进行回收,所用化学药剂主要有钙盐、镁盐、铝盐和铁盐等,其中磷酸钙盐、磷酸镁盐和磷酸铵镁为常见的磷酸盐沉淀回收物。

　　 对2013年一期系统污泥产量和进出水水量水质统计数据分析,结果如表6所示。

　　 定义PO₄^3--P回收率为活性污泥PO₄^3--P日回收量占系统PO₄^3--P日去除总量的百分比。活性污泥PO₄^3--P日回收量指系统每日产生活性污泥可释放的PO₄^3--P干重(以P计),用ΔP_回收表示,单位为t/d,计算公式如(1)所示。

　　 式中X_活性污泥———每日活性污泥产量干重,t/d;

　　 μ_{正磷酸盐释放率}———单位活性污泥的PO₄^3--P释放量,mgP/gDS,取值9.53(见表4);

　　 Q_剩余污泥———剩余污泥日产量,t/d;

　　 K₁———剩余污泥中活性污泥所占比例,根据该厂数据统计,取值0.7。

　　 系统PO₄^3--P日去除总量是指生物系统每日通过同化作用和聚磷菌对PO₄^3--P的去除量(以P计),城市污水的PO₄^3--P可认为是溶解性总磷(STP)^[4],用X_STP表示,单位为t/d,计算公式如(3)所示。

　　 式中Q_进水———日进水量,万m³/d;

　　 STP_生进———生物系统进水溶解性总磷,mg/L;

　　 STP_生出———生物系统出水溶解性总磷,mg/L。

　　 结合式(1)和式(3),PO₄^3--P回收率计算公式为:

　　 将表6中数据代入式(4),计算可得该系统PO₄^3--P回收率为68.7%。

　　 释磷污泥反硝化除磷试验结果如图3所示,活性污泥的厌氧释磷量为20mg/L,投加NO₃^--N和PO₄^3--P之后,发生反硝化吸磷,4h之后,PO₄^3--P和NO₃^--N的去除量分别为29.6mg/L和17.1mg/L。可知该系统在厌氧释磷-反硝化吸磷过程中,吸磷量为释磷量的1.48倍,NO₃^--N去除量为释磷量的0.86倍。

　　 聚磷菌在厌氧释磷过程中可将污水中碳源转化为PHB(聚β-羟基丁酸盐)储存在体内,然后在PO₄^3--P和NO₃^--N同时存在的缺氧条件下,以PHB作为碳源,将体外的PO₄^3--P转化为聚合态磷,NO₃^--N转化为N₂。因此,将厌氧释磷污泥重新回至系统,这部分PHB将在缺氧池用于反硝化吸磷,强化生物脱氮除磷能力,实现“一碳多用”,提高碳源的利用率。

　　 通过计算,系统通过厌氧释磷污泥反硝化吸磷可实现的日TN去除量为:

　　 式中K₂为脱氮量与释磷量比值系数,根据上述试验,取值K₂=0.86。

　　 定义反硝化吸磷对系统的脱氮贡献率为反硝化吸磷脱氮量与TN日去除总量的百分比。TN日去除总量是指主流系统每日通过物理作用和生物作用对TN的去除量(以N计),计算公式如(6)所示。

　　 式中TN_进———系统进水TN,mg/L;

　　 TN_出———系统出水TN,mg/L。

　　 结合式(5)和式(6),反硝化吸磷对系统脱氮的贡献率计算公式为:

　　 将表6中数据代入式(7),计算可知释磷污泥返回系统后,反硝化除磷对主流系统脱氮的贡献率为4.3%,可增加1.5 mg/L的TN去除量,在一定程度上减轻了低碳氮比污水处理系统中碳源不足的问题。

　　 (1)PO₄^3--P回收系统接入时,考虑初沉污泥和协同化学除磷的影响,选择旁路设置于一期回流污泥系统,其释磷速率为5.99mgP/(gMLVSS·h),污泥中PO₄^3--P释放量为9.53mgP/gDS。

　　 (2)回收液中PO₄^3--P浓度高于40mg/L,SS低于20mg/L,pH为7.2~7.8。

　　 (3)PO₄^3--P回收率为68.7%,释磷污泥反硝化对主流系统脱氮贡献率为4.3%,可增加1.5mg/L的TN去除量,实现了“一碳多用”,在一定程度上减轻了低碳氮比污水处理系统碳源不足的问题。