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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。針對這個問題，各地根據(jù)區(qū)域受納水體水質(zhì)情況對再生水中磷濃度出臺了相應(yīng)標準。其中，北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890—2012）B標準要求出水總磷<0.3mg/L，雄安新區(qū)《大清河流域水污染物排放標準》（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)湖泊營養(yǎng)物基準，其中總磷基準為0.029mg/L。有研究表明，為了解決由于磷元素超標引起的藻華問題，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到此目標，所以需要針對再生水中磷的極限去除開展相關(guān)研究，從而進一步降低進入水環(huán)境的磷濃度。

城鎮(zhèn)污水處理廠進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磷），顆粒態(tài)磷占30%左右。其中，聚磷酸鹽和有機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處理廠之前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}。而對于有機磷，微生物首先通過堿性磷酸酶將污水中的有機磷水解為正磷酸鹽，而后以聚磷酸鹽的形式儲存于細胞內(nèi)，實現(xiàn)生物去除，但是需要的時間相對較長。有研究表明，臭氧氧化技術(shù)可以去除再生水中的有機磷，去除率為79.1%，但是需要臭氧投加量在30mg/L以上。對于顆粒態(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，對于溶解性非活性磷，常規(guī)的化學除磷藥劑也無法將其去除，只能依靠生物進行緩慢降解或者采用吸附和高級氧化技術(shù)，所以溶解性非活性磷是影響再生水達到低磷濃度的主要限制因素。

雖然總磷的排放標準日趨嚴格，但目前缺少對再生水中不同形態(tài)磷去除效果的分析和相關(guān)控制方法研究，使得再生水廠無法有針對性地去除某一種形態(tài)的磷，進而出現(xiàn)藥劑投加過量、運行成本高等問題。筆者主要分析懸浮物（SS）含量和磷形態(tài)對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到極限低磷濃度的關(guān)鍵控制因子，并提出水廠可實際操作的控制方法，旨在為實際工程提供參考。

1、材料與方法

1.1 實驗條件

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準》（DB11/890—2012）B標準，即出水總磷<0.3mg/L，各水廠工藝和取樣點信息見表1。4座再生水廠的處理工藝均不相同，導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SS中磷濃度，分析SS對出水總磷的影響。

1.2 實驗方法

設(shè)置固定取樣點，對C再生水廠出水進行連續(xù)取樣，包括總進水、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磷濃度的影響。同時對4座水廠生物池泥水混合物進行取樣檢測，分析污泥中磷含量，該數(shù)值與水中懸浮物的含磷量一致，因為水廠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。實驗周期為6個月，每周取樣1次進行檢測。

1.3 檢測項目及方法

檢測項目包括總磷（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，其余指標均使用0.45μm濾膜過濾后檢測，檢測方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）。不同形態(tài)磷的關(guān)系為：TP=sTP+pTP，sTP=sRP+sNRP。SS的磷含量檢測方法：取部分泥水混合物進行離心，淘洗3~4次，烘干2h后研磨過100目篩網(wǎng)，取出10mg用過硫酸鉀消解測得SS中磷含量，這部分磷主要體現(xiàn)在pTP中。水中鋁離子的檢測采用ICP-AES法。微生物種群結(jié)構(gòu)通過PCR擴增DNA進行分析，并利用Illumina公司的MiSeqPE300/NovaSeqPE250平臺進行高通量測序，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

對選取的C再生水廠進行取樣監(jiān)測，分析總進水、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)過二級處理后，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，說明污水經(jīng)過二級處理后，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)過后續(xù)反硝化濾池和超濾膜過濾后，出水TP降至0.13mg/L，其中pTP去除率達到50%，sRP由于深度處理工藝缺少微生物作用和化學除磷藥劑的沉淀，所以去除量較少，而sNRP經(jīng)過深度處理后依然沒有明顯的下降。

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，從總進水的3%升至再生水廠出水的46%，說明常規(guī)生化處理過程對sNRP的去除效果較差，這部分磷的殘余導致了再生水廠出水無法達到極限低磷濃度，因為跟腐殖物質(zhì)相關(guān)的sNRP生物可用性較低，化學除磷也無明顯效果。

2.2 再生水中SS對磷濃度的影響

無論是生物除磷還是化學除磷，最終水相中的磷都會進入泥相，并通過排泥的方式實現(xiàn)磷的去除。對于沒有深度過濾工藝的再生水廠，顆粒態(tài)磷的殘余也會對再生水磷濃度造成影響，SS越高，再生水中的磷濃度也越高，所以需要對再生水SS濃度進行控制。針對這個問題，對北京市4座不同處理工藝的再生水廠進行調(diào)研取樣，檢測污泥中的磷濃度、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式（C118H170O51N17P），SS中磷濃度為20mg/g，生物除磷作用及化學除磷藥劑的投加都可能使SS中磷濃度超過理論值。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水廠因為具有膜過濾工藝，所以出水SS較其他兩個水廠要低，對應(yīng)的pTP濃度也較低，可見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。在水廠實際運行過程中，若要控制出水TP低于0.05mg/L，則出水SS應(yīng)不高于1mg/L，因為具有生物除磷和化學除磷的水廠中SS的磷濃度一般在3%左右，則對應(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，這就導致了水廠出水TP很難達到0.05mg/L以下，所以控制SS對再生水中磷濃度的影響極為關(guān)鍵，且對SS的去除較容易，通過深度過濾等技術(shù)可以實現(xiàn)100%去除。

此外，為探究SS中磷濃度產(chǎn)生差異的原因，對4座水廠的活性污泥開展Accumulibacter菌屬（A菌）和Tetrasphaera菌屬（T菌）兩種聚磷菌豐度檢測，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菌的相對豐度之和分別為1.04%、2.01%、2.25%、3.78%?？梢钥闯?，隨著聚磷菌相對豐度的增加，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，并在細胞內(nèi)合成多聚磷酸鹽顆粒和核酸等，聚磷菌相對豐度越高，說明單位污泥中存在的聚磷菌越多，進而導致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因素是SRT，理論上SRT越長，污泥吸收或吸附的磷越多，從而導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，在實際運行中應(yīng)合理控制SRT，不宜過長，且水廠運行人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)除磷效果的變化，動態(tài)調(diào)整出水SS濃度和SRT的長短，使再生水廠出水磷濃度始終維持在較低水平。

2.3 除磷藥劑對再生水磷濃度的影響

由于水廠生物除磷效果受進水碳源、厭氧環(huán)境和硝態(tài)氮等因素的影響較大，所以目前仍以化學除磷為主，雖然除磷藥劑可以實現(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、生物毒性風險大和藥劑成本高等。本實驗選取水廠常用的除磷藥劑硫酸鋁和聚合氯化鋁（PAC）進行分析，投加量均以有效成分Al2O3計算，分析兩種除磷藥劑投加量對再生水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TP的去除率在60%左右，PAC對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除磷極限。當TP濃度在0.1mg/L以下時，即使過量投加除磷藥劑，磷濃度也沒有明顯的下降趨勢。除此之外，sNRP在兩種除磷藥劑的作用下均沒有去除效果，始終在0.03mg/L左右，說明常規(guī)除磷藥劑無法去除再生水中的sNRP，也證明了sNRP是再生水達到極限低磷濃度的主要限制因素。

檢測再生水中溶解態(tài)鋁濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種藥劑都會導致水中溶解態(tài)鋁濃度增加。使用硫酸鋁時水中溶解態(tài)鋁濃度由實驗前的13.87μg/L升高至55.4μg/L。而使用PAC時溶解態(tài)鋁濃度由實驗前的13.56μg/L升高至27.8μg/L，是硫酸鋁的1/2，這主要是因為硫酸鋁投入水中先發(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，鋁離子對人體神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在危害，且會影響水環(huán)境安全，所以不建議過量使用化學除磷藥劑進行再生水極限除磷，可考慮吸附除磷工藝。

3、結(jié)論

污水經(jīng)過二級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，說明sNRP是影響再生水極限低磷濃度的主要限制因素?？刂芐S濃度對再生水磷濃度的影響極為關(guān)鍵，SS越高，出水pTP濃度越高，進而導致出水TP升高，二者呈正相關(guān)關(guān)系。再生水廠實際運行過程中，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化學除磷藥劑對再生水中的sNRP無明顯去除效果，存在除磷極限，且過量使用會導致再生水中鋁離子濃度升高，影響水環(huán)境安全。