柴春省 張 永

城市污水處理廠出水氨氮升高原因分析

柴春省 張 永

采用氧化溝工藝的城市污水處理廠，由于資金不足或設(shè)備檢修等原因，而中斷運(yùn)行一周以上時間后，重新運(yùn)行會出現(xiàn)出水氨氮高于進(jìn)水氨氮的情況。本文以奧貝爾氧化溝工藝為例，以生物脫氮理論為依據(jù)；從有機(jī)氮的氨化、硝化、反硝化及微生物學(xué)，生物化學(xué)等方面，對產(chǎn)生此現(xiàn)象原因進(jìn)行分析探討。

在城市污水處理廠運(yùn)行管理工作中，常常發(fā)現(xiàn)因設(shè)備檢修或其他原因，而中斷運(yùn)行一周以上時間后重新運(yùn)行，會出現(xiàn)出水氨氮高于進(jìn)水氨氮的現(xiàn)象。本文以奧貝爾工藝為例，從生物脫氮原理上對產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因作些分析探討，供同行切磋。文中將奧貝爾氧化溝第一溝、第二溝、第三溝分別作為缺氧、厭氧、好氧池來論述，是依據(jù)三溝內(nèi)溶解氧的控制值來劃分的。實(shí)際上，由于奧貝爾工藝采用轉(zhuǎn)蝶表面曝氣，致使溶解氧在混合液中的分布是不均勻的，在第一溝厭氧環(huán)境中，也存在著局部DO＞0.5mg/l的情況；同時在第三溝好氧環(huán)境中，也存在著DO＜1.0mg/l的情況。為了從理論上更好地進(jìn)行分析，文中所提到的厭氧、好氧均設(shè)定為理想條件。

奧貝爾氧化溝工藝概況

如圖奧貝爾氧化溝工藝流程圖所示：

奧貝爾氧化溝由三個同心的橢圓形溝渠組成，第一溝的容積為總?cè)莘e的50％、第二溝為35％、第三溝為15％。在運(yùn)行時，保持第一、第二、第三溝的溶解氧分別為＜0.2mg/l、＜0.5mg/l、＞2.0mg/l。污水及內(nèi)、外回流污泥先引第一溝，在其中不斷循環(huán)的同時，依次進(jìn)入第二溝和第三溝，其處理工藝與倒置A-A-O工藝相似，相當(dāng)于流經(jīng)過缺氧、厭氧、好氧一系列完全混合反應(yīng)池。在其間，經(jīng)過氨化、硝化、反硝化等生物化學(xué)過程，有機(jī)物得以去除，BOD5、COD得到降低，同時達(dá)到脫氮除磷的目的。

生物脫氮原理及過程

在奧貝爾氧化溝活性污泥中的菌群，主要由硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、兼性異養(yǎng)細(xì)菌、聚磷菌等組成。當(dāng)經(jīng)預(yù)處理過的污水、外回流污泥和富含硝酸鹽和少量溶解氧的內(nèi)回流混合液流入第一溝，其環(huán)境缺氧狀態(tài)，反硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中低分子有機(jī)物，將內(nèi)回流混合液帶入的大量NO3--N通過生物反硝化作用，將其還原為氮?dú)忉尫牛瑥亩_(dá)到脫氮的目的，同時有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3-N、部分BOD5得以去除；當(dāng)污水及內(nèi)外回流混合液進(jìn)入第二溝時，因內(nèi)回流所攜帶的硝態(tài)氮已被還原為氮?dú)?，少部分溶解氧也被完全消耗因此第二溝為厭氧狀態(tài)，聚磷菌將利用污水中剩余的低分子有機(jī)物釋放磷；當(dāng)混合液進(jìn)入第三溝好氧環(huán)境中，硝化細(xì)菌將進(jìn)水中的氨氮和由有機(jī)氮氨化成的氨氮通過生物硝化作用，將其轉(zhuǎn)化成NO3--N；同時在第三溝好氧條件下，聚磷菌超量吸收介質(zhì)中磷，運(yùn)行中通過排放剩余污泥實(shí)現(xiàn)生化除磷。

當(dāng)污水內(nèi)外回流污泥流經(jīng)奧貝爾氧化溝以后，將歷經(jīng)有機(jī)氮的氨化、生物硝化反硝化、聚磷菌的釋磷和吸磷、有機(jī)物的水解和氧化分解等生化過程，COD、氨氮、磷酸鹽等得以去除；在第一溝、第二溝缺氧厭氧的條件下，有機(jī)氮氨化成氨氮，致使NH3-N濃度逐漸升高，到第三溝達(dá)最大值，同時在第三溝溶解氧DO＞2.0mg/l的環(huán)境中，隨著硝化反應(yīng)將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO3—N，其濃度降低；內(nèi)混流攜帶大量含NO3—N混合液流入第一溝致使NO3--N濃度迅速升高，隨著反硝化反應(yīng)的進(jìn)行NO3--N濃度逐漸降低，當(dāng)混合液流入第三溝好氧段中隨著硝化反應(yīng)的進(jìn)行NO-3-N濃度又迅速升高。

從奧貝爾氧化溝生物脫氮工藝原理及過程可以看出，造成出水氨氮高于進(jìn)水氨氮的原因在于，重新運(yùn)行時有機(jī)氮氨化還可以繼續(xù)進(jìn)行而硝化過程卻受到了抑制。是什么原因致使硝化過程受到抑制，氨化過程又何以能繼續(xù)進(jìn)行？這要從氨化和硝化反應(yīng)的機(jī)理、微生物特性以及影響因素等方面來分析。

有機(jī)氮生物氨化

所謂生物氨化，就是指污水中的有機(jī)氮在微生物的作用下，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的生物過程，同時有機(jī)污染物得以去除BOD5濃度降低。

生化處理系統(tǒng)中作用于生物氨化的細(xì)菌種類繁多，既有好氧菌、厭氧菌、又有兼性異養(yǎng)菌?？梢姡袡C(jī)氮的氨化反應(yīng)無論在厭氧、缺氧、好氧，還是在中性、堿性還是酸性環(huán)境中都能進(jìn)行，只是作用微生物種類不同，作用強(qiáng)弱不一。由于生物氨化的微生物多樣化，所以污水廠停止運(yùn)行一段時間后重新運(yùn)行對有機(jī)氮生物氨化反應(yīng)影響并不大，污水由奧貝爾氧化溝第一溝經(jīng)第二溝流入第三溝的過程，仍然可實(shí)現(xiàn)有機(jī)氮的氨化，造成氨氮的累積，致使第三溝NH3-N濃度達(dá)到最高值。

硝化反應(yīng)機(jī)理、微生物特性及影響因素

硝化反應(yīng)機(jī)理

由于有機(jī)氮的生物氨化使得奧貝爾氧化溝第三溝NH3-N濃度達(dá)到最高值，同時在第三溝DO＞2mg /L溶解氧充足條件下生活著兩類好氧型微生物，即亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌。這些細(xì)菌利用CO3-2HCO-3和CO2等無機(jī)碳作為碳源，第一步在亞硝酸菌作用下將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；第二步在硝酸菌作用下，將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，同時亞硝酸菌和硝酸菌都利用這兩個反應(yīng)產(chǎn)生的能量合成新細(xì)胞和維護(hù)正常的生命活動。

由此可見在奧貝爾氧化溝第三溝中硝化反應(yīng)是個快速過程，使絕大部分NH3-N轉(zhuǎn)化為NO-3，其中小部分NH3-N在硝酸菌作用下，經(jīng)同化作用轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞和維護(hù)正常的生命活動，使出水NH3-N濃度達(dá)到最低值。

硝化細(xì)菌特性

硝化系統(tǒng)活性污泥中的亞硝酸菌和硝酸菌，都屬于化能自養(yǎng)微生物。首先，它們?yōu)閷Ｐ院醚蹙瑹o氧時即停止生命活動，而不象分解有機(jī)物的細(xì)菌那樣大多數(shù)為兼性異養(yǎng)菌，因此停運(yùn)期間它們大部分都已死亡。而將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3-N的氨化細(xì)菌絕大部分為兼性異養(yǎng)菌，生化系統(tǒng)停運(yùn)期間對他們活性影響并不大，所以重新運(yùn)行時氨化過程仍能正常進(jìn)行而硝化過程卻不能進(jìn)行。

硝化菌增殖特性與泥齡SRT

硝化菌的比增殖速度比活性污泥中占大多的兼性異養(yǎng)菌比增殖速度小1個數(shù)量級（見表1）。主要因?yàn)橄趸?xì)菌攝氧速率較降解有機(jī)物的微生物低的多，若環(huán)境中沒有充足的溶解氧，硝化細(xì)菌將很難“爭奪”到硝化反應(yīng)所需要的氧，這就決定了它增殖速度慢，世代期長。因此生化系統(tǒng)重新運(yùn)行后要想使硝化菌達(dá)到將NH3-N全部轉(zhuǎn)化為NO-3-N的能力或者說數(shù)量需要一段時期的恢復(fù)，也就是說需要生物硝化系統(tǒng)的泥齡SRT至少應(yīng)在8d以上。

表1　硝化細(xì)菌與異養(yǎng)菌的增殖速度

溶解氧的影響

一般情況下將每克NH3-N轉(zhuǎn)化成NO3-N約需氧4.75g，要使硝化反應(yīng)順利進(jìn)行，需要保持混合液中溶解氧＞2.0mg/l，理論上當(dāng)DO＜2.0mg/l時硝化反應(yīng)將受到抑制；當(dāng)DO＜1.0mg/l時，硝化將受到完全抑制并趨于停止。因?yàn)橄趸?xì)菌絕大多數(shù)都包裹在活性污泥菌膠團(tuán)中，只有當(dāng)混合液保持中較高的溶解氧濃度，才能將保證混合液中的溶解氧進(jìn)入活性污泥菌膠團(tuán)中內(nèi)，被硝化菌利用。然而停止運(yùn)行那段時期，沉淀下來的活性污泥進(jìn)行內(nèi)源呼吸、反硝化、厭氧反應(yīng)，會釋放出CO2、N2、CH4、NH3等氣體，這些氣體溶解在水中呈飽和態(tài)，當(dāng)重新運(yùn)行時，無論采用轉(zhuǎn)刷還是轉(zhuǎn)蝶充氧，水中溶解氧都很難達(dá)到硝化反應(yīng)所要求的溶解氧濃度，因此對硝化細(xì)菌繁殖和硝化反應(yīng)進(jìn)行都起到暫時抑制作用。而反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌是一種兼性異養(yǎng)菌，對缺氧環(huán)境有一定忍耐性、適應(yīng)性，因此，停運(yùn)期間對它的影響并不大。

F/M影響

生物硝化屬低負(fù)荷工藝，F(xiàn)/M一般都要求在0.15kgBOD/kgMLVSS.d 以下，即BOD5一般應(yīng)小于2.0mg/l，若進(jìn)水中有機(jī)負(fù)荷過高，降解有機(jī)物的異養(yǎng)微生物將迅速繁衍同時會消耗大量溶解氧，從而使硝化細(xì)菌生長緩慢，且好氧的硝化菌得不到優(yōu)勢，結(jié)果降低了硝化速確度，致使NH3-N向NO-3-N轉(zhuǎn)化的效率大大降低，出水氨氮升高。且中斷運(yùn)行一般時間后，由于活性污泥中的微生物在缺乏營養(yǎng)物質(zhì)和分解有機(jī)物所需氧氣條件下而大量死亡，導(dǎo)致MLVSS大大下降，再重新運(yùn)行時，相對于正常運(yùn)行時低負(fù)荷的污水對于它來說也算上是高負(fù)荷，因此重新運(yùn)行從生物硝化所要求的有機(jī)負(fù)荷來說也不利于硝化反應(yīng)進(jìn)行。

結(jié)語

硝化細(xì)菌的專性好氧性、比增殖速度慢、世代期長與氨化細(xì)菌多樣性，對環(huán)境的廣泛適應(yīng)性，是城市污水處理廠，間斷性運(yùn)行時出水氨氮高于進(jìn)水氨氮主要因素。

解決此問題的主要措施是：

一、盡量避免或減少停運(yùn)次數(shù)；

二、增加好氧段的曝氣量，提高混合液的溶解氧，堅持運(yùn)行一周后，問題就能解決。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.008