城镇污水处理厂氨氮各处理阶段去除机理研究

杨昌萍，田 飞，张 磊

(贵州省贵阳市环境监测中心站，贵州 贵阳550002)

1 引言

随着我国经济的快速发展，城镇规模不断扩大，也产生了一系列的环境问题，尤其是水污染给城镇地区居民的生产、生活带来了十分严重的影响，引起了社会的广泛关注。因此城镇污水处理厂应加强对污水中氨氮各处理阶段的机理研究，加强对污水处理的出水水质监测以及增强污水的处理效率，从而降低水污染对环境造成的影响。

2 城镇地区污水处理现状

我国是一个水资源相对短缺的国家，但随着石油、化工等行业的迅速发展，产生了大量的高氨氮污水，当含有过高氨氮水平的污水进入水域后，会引起水质的富营养化，不但降低了水的欣赏价值，还会对水中的生物造成影响，进而威胁到人类的身体健康。

当前城镇的污水排放总量已经超出了环境所固有的承载能力，几乎形成“有水皆臭、有水皆脏”的局面，但城镇建设中仍缺乏必要的污水收集及污水处理系统设施，部分生活用水、工业用水在未经处理的情况下被直接排出，造成了城镇水源氨氮、重金属、磷质、化学需氧量等一系列的指标在不同程度上超出标准，富含氨氮的污水危害表现在以下几个方面。

(1)氨氮进入水体会消耗水中的氧气，借助硝化细菌作用，氨氮被氧化成硝酸盐，而硝酸盐会对水中生物的生存环境造成不利影响。

(2)若污水处理厂用氯气进行消毒，氨氮与氯气结合会生成氯胺，接着氯胺被氧化，形成氮气，则会明显影响自由氯的消毒效果。

(3)氮化合物会在一定条件下对人体及生物进行毒害，鱼类对水中的游离氯的浓度十分敏感，其浓度太高，会造成鱼类的大量死亡。1mg/L为氯气对鱼类的致死量。

(4)亚硝酸盐与硝酸盐若在人体中结合，会生成亚硝胺，亚硝胺是一种致癌、致畸物质，严重威胁人体健康。

3 城镇污水处理厂氨氮各处理阶段的去除机理探讨

3.1 城镇污水处理厂主要氨氮处理方法

3.1.1 空气吹脱法

这一方法的主要原理为:污水中的NH3和NH4+受到温度以及pH值的影响，所以存在着化学平衡，若将温度和pH值增大，则NH3的比例将会提高，反之比例越小。这一方法的除氨流程为:将污水的pH值调整至10.5～11.5，用污水泵将污水引至吹脱塔内，用硫酸将吹脱的氨气回收。该法常用CaO或者NaOH来对pH值进行调节，一般情况下保持9.0的pH值，则氨气的吹脱率能达到90%以上。

3.1.2 折点加氯的方法

污水处理厂在采用这一工艺时主要是向污水中加入足够多的氯气，最终将氨氮氧化为氮气的脱氮方法，折点加氯的方法的化学反应公式为如下:

在图1中余氯的表示曲线存在A点、B点两个转折点，A点前的余氯大部分为氯胺，在B点转折后余氯经过作用大部分已经属于游离氯，即自由氯。因此，加氯脱氮法添加的氯量须以折点处的对应氯量作为标准，并对其进行严格的控制，但是这一方法的主要缺点在于加入的氯量太大，成本过高，而其在反应后留下的余氯，也有二次污染的危险。

图1 典型加氯图

3.2 某污水处理厂的氨氮处理机理

3.2.1 某污水处理厂概况

某市现有的污水处理技术较为先进，处理污水的能力较高，该区某污水处理厂的建设规模为55万m3/d，使用的是A2O污水处理工艺，每日处理污水的均量为25万t，污水经过处理后水体中的氨氮浓度明显降低，保持在0.1 ～4.0mg/L 的水平(图2)。

图2 污水处理厂改良后A/A/O工艺流程

3.2.2 实验及数据分析

以对该污水处理厂的常用工艺的改良流程为基础，在处理污水过程中的入口、好氧区、厌氧区、出口等不同的工序位置布置试验点进行采样，在整个工序中，好氧区的主要目的在于去除氨氮，所以应在这一区域设置密集试验点进行采样分析。

经过监测分析，污水处理厂的污水入口位置氨氮量为17 mg/L，预缺氧之前的氨氮量为14 mg/L，直至厌氧结束，其氨氮量为9mg/L，在好氧道内氨氮浓度有所起伏，但是在出口位置，出口1采集到的氨氮量为0.4 mg/L，而在出口2已经只有0.38mg/L。

4 结果与分析

4.1 生物合成、污泥排除工艺去除氨氮的机理研究

好氧池、厌氧池、缺氧池、缺氧区是污水中废弃污泥排除以及生物合成过程的主要场所。由于污水中微生物的内源呼吸产生作用，活性污泥含有的氮量会逐渐下降，原因在于活性微生物中的含氮量较之呼吸残留物较高，污泥泥龄在对污泥产生量的影响下间接影响废弃污泥中的含氮量。

这一过程中，如果将污水中微生物进行内源呼吸时产生的残留物用XP来表示，将活性生物的固体产量用 XB，H表示，则去除氮气的公式可表为:N生物=0.125 XB，H+0.08XP，该公式中 XB，H的计算方法为:XB，H=BOD5YH/(1+ θCbH)，在这一公式中，泥龄用 θC表示，产率系数为YH，而异养菌微生物的内源衰减的系数就用bH表示。

养菌微生物进行内源呼吸时，其形成的内源残留量的计算公式可以表述为 XP=fpbHθCXB，H，其中 fp所代表的意义为微生物不可降解的存在比例，其值为0.2。另外在利用污水处理工艺数污水中固体污泥进行排放时，也可以有效去除部分氮NS，公式为NS=N初沉+N生物。N初沉指污水中初沉的污泥量，在生物固体中去除的含氮量常用NSS/BOD进行表示。若异养菌微生物的产率系常小于0.65，那么在同化作用下，去除单位BOD与去除的氮量之间壁纸最大是0.65×0.125=0.081，但是通常泥龄会产生作用使识记的比较小于0.081，举个例子，如果污水中的泥龄为20d，那么这个比值大概会变成0.018。

根据以上分析可知，生物合成、同化过程中进水去除单位BOD与氨氮的去除量间的比例维持在2%～5%之间。该污水处理厂的沉淀池的含有的氨氮浓度与氨氮出水去除单位BOD分别为30mg/L、120mg/L，这种情况下，生物合成、污泥排除工艺去除氨氮的效率为8% ～20%，相应地，在污水处理的二沉池阶段，其氨氮浓度大概是24～28mg/L。在活性污泥体系内，厌氧消化处理阶段中排水若回流到处理污水的工序之内，会导致部分的有机氮和氨氮返回污水处理体系，降低最终固体排除的氨氮含量。

另外，在常见的活性污泥处理系统中，处理污水之后的形成的氮的常见形式为氨氮，若该污泥系统中的污泥泥龄较长，则污泥会含有数量较多的硝化菌，在硝化菌的作用下氨氮可转换为硝态氮。而活性污泥体系中能够进行生物脱氮或者具有硝化、反硝化作用时，硝化作用会使氨氮变成硝态氮，反硝化则会使硝态氮转化为N2，并得以去除。

4.2 生物硝化过程去除部分氨的机理研究

氧化氨氮进而形成硝酸盐需要利用自养型的两组好氧微生物在两个重要步骤中进行，而好氧池就是进行生物硝化的主要场所。这两个十分重要的步骤为:首先利用亚硝酸菌把氨氮气体转换为亚硝酸盐，接着再利用硝酸菌将已经形成的亚硝酸盐氧化，最后形成硝酸盐。

氨氮被亚硝酸菌氧化成为硝酸盐以及亚硝酸盐利用硝酸菌进行氧化作用的总的反应公式可以表示为以下形式:通过这一反应公式，可以得出一个结论:将1g的氨氮氧化成为硝酸盐时，需要损耗4.57g氧以及7.14g碱度。

较之异养的微生物，硝化菌最大的增长速率小了一个数量级，反过来说，即硝化菌依存的污泥的泥龄相应得也应大于异养菌一个数量级。需要明确的是，通常硝化菌饱和常数较小，而该污水处理厂的污水进水浓度中氨氮的浓度通常保持在10～15mg/L，如果能够保证有泥龄较长的污泥，就能够让硝化菌保持稳定的生长，这样在生化池内就能够达到较高的硝化程度。

4.3 同化过程去除部分氨的机理研究

在污水处理厂中，利用同化作用也可以有效去除氨，其过程主要在厌氧池、好氧池、缺氧池区域进行。在进行污水处理的过程中，污水中的部分氨氮会在同化作用中成为微生物的组成部分，从细胞干重角度计算，微生物中的含氮量大于为12.5%，而微生物会通过内源呼吸将部分氨氮以有机氮的形式排入污水之中，另外部分的氨氮则继续存在与微生物的细胞内或保留在微生物残留物之中，微生物存在物污水中的活性污泥内，如此氨氮能够在二次沉淀池中排除活性污泥时，一并将氨氮排除。这一过程用公式表示为N合成=0.125XB，H，在同化作用下排除了氨氮量用 N合成表示，XB，H则代表微生物的固体产量。

5 结语

在微生物环境的条件中进行硝化作用这一过程主要发生的主要区域为缺氧池、厌氧池预、缺氧区。在微环境之中，如果出现搅拌加剧、DO浓度过高等情况，传递氧气的能力得以强化时，活性污泥内部所存在的微环境就会从厌氧转变成好氧，这种情况下，就会有部分氨氮在消化作用之下被转化为硝酸盐或者亚硝酸盐。

该污水处理厂的好氧区能够溶解的氧的含量超过了2mg/L，生化池 pH值大约为7.4，而该厂的进水荷载能力较强，客观制造了一个利于硝化作用的环境。在该污水处理厂的生化池中，部分的氨氮经过同化成为了微生物的一部分，如此就会消耗部分氨氮，另外，在微环境之下，有部分氨氮在消化作用之下被转化为硝酸盐或者亚硝酸盐，又会有部分氨氮被消耗，经过以上这些阶段氨氮将能被有效去除。

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