水體富營養化導致的水環境惡化嚴重影響了人民群眾的生活品質，磷作為水體富營養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）等敏感區域省市陸續頒布了新的城鎮污水排放標準，對城鎮污水處理廠出水TP實施更加嚴格的管控，普遍要求出水TP低于0.3mg/L，昆明市地方標準A級標準的TP限值甚至低至0.05mg/L。有研究發現，在出水磷酸鹽濃度逐漸降低的過程中，化學除磷金屬鹽投加量與出水磷酸鹽濃度關系曲線由“化學計量區”經“過渡反應區”進入“平衡反應區”，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生化學反應形成沉淀的金屬鹽很少。我國大多數城鎮污水處理廠采用混凝沉淀后置化學除磷工藝，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濃度穩定達標。金屬鹽的過量投加導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的生態行為及降解產物對環境存在潛在危害，過量投加導致出水生態風險提高。
筆者開發的新型懸浮介質層深度除磷工藝，在不投加PAM的情況下，依靠懸浮介質層的絮凝沉淀、吸附網捕作用實現對二級出水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，考察了系統的啟動方式和運行效果，并對懸浮介質層深度除磷機理進行了探討，以期為高排放標準下城鎮污水處理廠深度除磷提標改造提供技術支撐。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
新型懸浮介質層深度除磷系統如圖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成，有效容積為56L。攪拌系統安裝于懸浮介質層除磷反應系統中下部，采用推進式低速軸流型攪拌器。污水和化學除磷藥劑同步進入管道混合器，快速混合后進入懸浮介質層除磷反應系統的中下部，除磷藥劑與進水中的磷酸鹽發生沉淀反應，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%的懸浮介質層及清水區，同時懸浮介質層內絮體的重力與污水上升推力達到平衡，絮體呈現動態的穩定狀態；污水向上流經懸浮介質層，利用介質層的絮凝、沉淀、吸附、網捕作用去除磷酸鹽和懸浮固體。控制介質濃度為1000~2000mg/L，過量絮體通過底部排泥管排出系統，進入后續的處理與處置環節。
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等水質指標采用標準方法測定，MLSS采用哈希TSSPortable便攜式濁度儀測定。
1.4 試驗方法
1.4.1 懸浮介質層深度除磷系統啟動及運行
裝置采用連續進水的方式運行，監測裝置內介質MLSS的變化，測定不同時間進出水TP、PO43--P、SS等指標，考察新型懸浮介質層深度除磷系統的啟動過程及運行效果。
1.4.2 懸浮介質層深度除磷機理試驗
為研究懸浮介質層對低濃度PO43--P的去除機理，取活性污泥代替以化學污泥為主的懸浮介質層進行模擬試驗。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、結果與討論
2.1 懸浮介質層深度除磷系統的啟動
在表面負荷為0.8m3（/m2·h）、PAC投加量為270mg/L、攪拌速度為5r/min的條件下，啟動新型懸浮介質層深度除磷系統，其進水TP、PO43--P、SS分別為0.87、0.46和11.5mg/L。觀察啟動期裝置內的絮體變化，結果見圖2。
監測反應系統絮體MLSS的變化，結果如圖3所示。可知，在裝置啟動初期，進水中的PO43--P和PAC快速發生沉淀反應，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合形成大顆粒懸浮絮體。1h后反應系統中形成大量肉眼可見的聚集絮體，MLSS為23mg/L；繼續反應，化學沉淀絮體與進水中的懸浮物顆粒發生絮凝作用，絮體量繼續增加；3h時MLSS為186mg/L，初步形成懸浮介質層，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；繼續反應至4h左右，反應系統形成穩定的懸浮介質層，其高度為有效水深的80%，MLSS為286mg/L，介質層緊密，上清液和介質分界面清晰，通過網捕攔截作用實現對絮體的捕獲，出水無大顆粒絮體流出。裝置繼續運行，介質層MLSS持續增加，8.3h時達到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內通過與鋁鹽的化學沉淀反應完成，去除率可達85%，出水PO43--P降低至0.07mg/L左右；系統啟動4h形成穩定介質層后，出水PO43--P進一步降低至0.04mg/L左右，去除率達到91%。TP的去除可分為4個階段：在裝置啟動初期（1h內），以PO43--P的沉淀反應為主，去除率為53%；啟動1~3h，以含磷懸浮物與PAC的混凝沉淀為主，去除率達到80%；啟動3h介質層初步形成后，懸浮態磷通過懸浮介質層的網捕攔截作用進一步去除，TP繼續降低；啟動4h介質層穩定后，TP去除率提高至84%，出水TP穩定在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，逐漸形成動態穩定的密實介質層，出水無絮體流出，SS降低至7.5mg/L左右，去除率為34%。
綜上，裝置經過4h的運行，形成穩定的懸浮介質層，上清液和介質分界面清晰，出水各項指標穩定，懸浮介質層深度除磷系統啟動成功。
2.2 懸浮介質層深度除磷系統運行效果
懸浮介質層深度除磷系統啟動后，保持系統表面負荷為0.8m3（/m2·h）、攪拌速度為5r/min，控制懸浮介質層高度為有效水深的80%、介質濃度為1000~2000mg/L，降低PAC投加量至27mg/L，連續穩定運行10d，考察系統對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，系統啟動成功后，由于降低PAC投加量，出水各項指標均呈上升趨勢，并在2d后逐漸趨于穩定。出水TP和PO43--P可以分別穩定地保持在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的化學沉淀為主，占比在80%以上。
由2.1節可知，在系統啟動期，進水PAC投加量較高，懸浮介質不斷生成，形成密實的介質層，可有效攔截細微懸浮物，出水SS較進水有所降低。穩定運行期，PAC投加量降低，絮體生成量減少，懸浮介質重力與進水上升推力之間重新形成新的平衡關系，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的增加并未導致懸浮態磷明顯增加，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的管控可以通過優化PAC投加量限制出水PO43--P來實現。
考慮現階段絕大多數地方排放標準對TP、SS的限值分別為0.3和5mg/L，本研究在懸浮介質層系統后設置砂濾單元，強化對TP和SS的去除。結果表明，懸浮介質層-砂濾深度處理系統出水可以穩定達到TP<0.2mg/L、SS<2mg/L的要求，滿足北京、天津、江蘇（太湖）、安徽（巢湖）等敏感區域省市新地方污水排放標準。新型懸浮介質層深度除磷工藝在不增大化學除磷藥劑投加量的情況下，避免了PAM的投加，提高了出水生態安全性，促進了污水資源化利用。
2.3 懸浮介質層深度除磷機理探討
懸浮介質層除磷主要包括2個方面：①二級出水中絕大部分磷以PO43--P的形式存在，在懸浮介質層內與除磷藥劑發生化學反應，轉化為膠體態磷和懸浮態磷；②膠體態磷和懸浮態磷，大部分通過懸浮介質層的吸附網捕作用去除，剩余部分通過砂濾等過濾單元去除，保證出水穩定達標。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沉淀除磷，藥劑需求量極大。而2.2節的研究結果表明，懸浮介質層能夠在不增大藥劑投加量的情況下，對低濃度PO43--P產生較高的去除效率。
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，大量未反應的PAC殘留在濃縮污泥和上清液中，與加入的PO43--P反應。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下降量均遠大于上清液，表明活性污泥中未發生反應的PAC絕大部分存在于泥相中，水相中PAC含量較低。
新型懸浮介質層除磷系統依靠活性污泥、化學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層，形成高金屬鹽濃度反應區，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對金屬鹽的保留，提高除磷藥劑利用效率，基本解決了傳統深度除磷工藝過量藥劑隨出水或排泥流出而導致利用率低的問題。
3、結論
①當表面負荷為0.8m3（/m2·h）、PAC投加量為270mg/L時，懸浮介質層深度除磷系統能在4h啟動成功，形成穩定懸浮介質層，其出水TP<0.15mg/L、PO43--P<0.05mg/L、SS<8mg/L。
②當PAC投加量為27mg/L時，懸浮介質層對低濃度PO43--P具有較高去除率，出水PO43--P<0.2mg/L。通過后續設置砂濾單元強化對TP和SS的去除，出水可以穩定達到TP<0.2mg/L、SS<2mg/L的要求。新型懸浮介質層深度除磷工藝在不增大化學除磷藥劑投加量的情況下，避免了PAM的投加，提高了出水生態安全性，促進了污水資源化利用。
③新型懸浮介質層除磷系統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層，形成高金屬鹽濃度反應區完成對進水低濃度PO43--P的高效去除。同時通過減少排泥實現對金屬鹽的保留，提高除磷藥劑利用效率，基本解決了傳統深度除磷工藝過量藥劑隨出水或排泥流出而導致利用率低的問題。（來源：中國市政工程華北設計研究總院有限公司）
