再生水中磷濃度已經成為影響再生水景觀回用安全的關鍵因素。針對這個問題，各地根據區域受納水體水質情況對再生水中磷濃度出臺了相應標準。其中，北京市《城鎮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《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，生態環境部發布中東部湖區湖泊營養物基準，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研究，從而進一步降低進入水環境的磷濃度。

城鎮污水處理廠進水中的總磷主要包含溶解態磷和顆粒態磷（pTP），溶解態磷占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轉變為正磷酸鹽。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，實現生物去除，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。對于顆粒態磷，常規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，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磷去除效果的分析和相關控制方法研究，使得再生水廠無法有針對性地去除某一種形態的磷，進而出現藥劑投加過量、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，出水水質執行北京市《城鎮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

設置固定取樣點，對C再生水廠出水進行連續取樣，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轉變規律，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）、溶解態磷（sTP）、可溶性活性磷酸鹽（sRP）、顆粒態磷（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《水和廢水監測分析方法》（第4版）。不同形態磷的關系為：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，取出10mg用過硫酸鉀消解測得SS中磷含量，這部分磷主要體現在pTP中。水中鋁離子的檢測采用ICP-AES法。微生物種群結構通過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、結果與討論

2.1 再生水中磷元素形態分析

對選取的C再生水廠進行取樣監測，分析總進水、二沉池出水和再生水中磷的形態及各形態磷的占比，結果如圖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，說明污水經過二級處理后，可被生物利用的磷和顆粒態磷基本被去除。二沉池出水經過后續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，因為跟腐殖物質相關的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磷的去除。對于沒有深度過濾工藝的再生水廠，顆粒態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與磷形態的相關性，為再生水TP的控制提供可行方案，結果如圖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鍵，且對SS的去除較容易，通過深度過濾等技術可以實現100%去除。

此外，為探究SS中磷濃度產生差異的原因，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系，結果如圖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%。可以看出，隨著聚磷菌相對豐度的增加，SS中磷濃度也相應增加，這是由于聚磷菌能從水中攝取正磷酸鹽，并在細胞內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，在實際運行中應合理控制SRT，不宜過長，且水廠運行人員應根據系統除磷效果的變化，動態調整出水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、厭氧環境和硝態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sRP和pTP的高效去除，且反應速度快，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濃度和出水溶解態鋁濃度的影響，結果如圖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鋁濃度，結果發現兩種藥劑都會導致水中溶解態鋁濃度增加。使用硫酸鋁時水中溶解態鋁濃度由實驗前的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生水解作用，生成Al3+，而PAC是聚合態，較為穩定。有研究表明，鋁離子對人體神經系統具有潛在危害，且會影響水環境安全，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、結論

污水經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。控制SS濃度對再生水磷濃度的影響極為關鍵，SS越高，出水pTP濃度越高，進而導致出水TP升高，二者呈正相關關系。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，影響水環境安全。