城市污水处理厂出水氨氮升高原因分析

2015-11-07柴春省

中国科技信息 2015年21期

柴春省张永

城市污水处理厂出水氨氮升高原因分析

柴春省张永

采用氧化沟工艺的城市污水处理厂，由于资金不足或设备检修等原因，而中断运行一周以上时间后，重新运行会出现出水氨氮高于进水氨氮的情况。本文以奥贝尔氧化沟工艺为例，以生物脱氮理论为依据；从有机氮的氨化、硝化、反硝化及微生物学，生物化学等方面，对产生此现象原因进行分析探讨。

在城市污水处理厂运行管理工作中，常常发现因设备检修或其他原因，而中断运行一周以上时间后重新运行，会出现出水氨氮高于进水氨氮的现象。本文以奥贝尔工艺为例，从生物脱氮原理上对产生此现象的原因作些分析探讨，供同行切磋。文中将奥贝尔氧化沟第一沟、第二沟、第三沟分别作为缺氧、厌氧、好氧池来论述，是依据三沟内溶解氧的控制值来划分的。实际上，由于奥贝尔工艺采用转蝶表面曝气，致使溶解氧在混合液中的分布是不均匀的，在第一沟厌氧环境中，也存在着局部DO＞0.5mg/l的情况；同时在第三沟好氧环境中，也存在着DO＜1.0mg/l的情况。为了从理论上更好地进行分析，文中所提到的厌氧、好氧均设定为理想条件。

奥贝尔氧化沟工艺概况

如图奥贝尔氧化沟工艺流程图所示：

奥贝尔氧化沟由三个同心的椭圆形沟渠组成，第一沟的容积为总容积的50％、第二沟为35％、第三沟为15％。在运行时，保持第一、第二、第三沟的溶解氧分别为＜0.2mg/l、＜0.5mg/l、＞2.0mg/l。污水及内、外回流污泥先引第一沟，在其中不断循环的同时，依次进入第二沟和第三沟，其处理工艺与倒置A-A-O工艺相似，相当于流经过缺氧、厌氧、好氧一系列完全混合反应池。在其间，经过氨化、硝化、反硝化等生物化学过程，有机物得以去除，BOD5、COD得到降低，同时达到脱氮除磷的目的。

生物脱氮原理及过程

在奥贝尔氧化沟活性污泥中的菌群，主要由硝化细菌、反硝化细菌、兼性异养细菌、聚磷菌等组成。当经预处理过的污水、外回流污泥和富含硝酸盐和少量溶解氧的内回流混合液流入第一沟，其环境缺氧状态，反硝化细菌利用进水中低分子有机物，将内回流混合液带入的大量NO3--N通过生物反硝化作用，将其还原为氮气释放，从而达到脱氮的目的，同时有机氮转化为NH3-N、部分BOD5得以去除；当污水及内外回流混合液进入第二沟时，因内回流所携带的硝态氮已被还原为氮气，少部分溶解氧也被完全消耗因此第二沟为厌氧状态，聚磷菌将利用污水中剩余的低分子有机物释放磷；当混合液进入第三沟好氧环境中，硝化细菌将进水中的氨氮和由有机氮氨化成的氨氮通过生物硝化作用，将其转化成NO3--N；同时在第三沟好氧条件下，聚磷菌超量吸收介质中磷，运行中通过排放剩余污泥实现生化除磷。

当污水内外回流污泥流经奥贝尔氧化沟以后，将历经有机氮的氨化、生物硝化反硝化、聚磷菌的释磷和吸磷、有机物的水解和氧化分解等生化过程，COD、氨氮、磷酸盐等得以去除；在第一沟、第二沟缺氧厌氧的条件下，有机氮氨化成氨氮，致使NH3-N浓度逐渐升高，到第三沟达最大值，同时在第三沟溶解氧DO＞2.0mg/l的环境中，随着硝化反应将NH3-N转化为NO3—N，其浓度降低；内混流携带大量含NO3—N混合液流入第一沟致使NO3--N浓度迅速升高，随着反硝化反应的进行NO3--N浓度逐渐降低，当混合液流入第三沟好氧段中随着硝化反应的进行NO-3-N浓度又迅速升高。

从奥贝尔氧化沟生物脱氮工艺原理及过程可以看出，造成出水氨氮高于进水氨氮的原因在于，重新运行时有机氮氨化还可以继续进行而硝化过程却受到了抑制。是什么原因致使硝化过程受到抑制，氨化过程又何以能继续进行？这要从氨化和硝化反应的机理、微生物特性以及影响因素等方面来分析。

有机氮生物氨化

所谓生物氨化，就是指污水中的有机氮在微生物的作用下，将有机氮转化为氨氮的生物过程，同时有机污染物得以去除BOD5浓度降低。

生化处理系统中作用于生物氨化的细菌种类繁多，既有好氧菌、厌氧菌、又有兼性异养菌。可见，有机氮的氨化反应无论在厌氧、缺氧、好氧，还是在中性、碱性还是酸性环境中都能进行，只是作用微生物种类不同，作用强弱不一。由于生物氨化的微生物多样化，所以污水厂停止运行一段时间后重新运行对有机氮生物氨化反应影响并不大，污水由奥贝尔氧化沟第一沟经第二沟流入第三沟的过程，仍然可实现有机氮的氨化，造成氨氮的累积，致使第三沟NH3-N浓度达到最高值。

硝化反应机理、微生物特性及影响因素

硝化反应机理

由于有机氮的生物氨化使得奥贝尔氧化沟第三沟NH3-N浓度达到最高值，同时在第三沟DO＞2mg /L溶解氧充足条件下生活着两类好氧型微生物，即亚硝酸细菌和硝酸细菌。这些细菌利用CO3-2HCO-3和CO2等无机碳作为碳源，第一步在亚硝酸菌作用下将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步在硝酸菌作用下，将亚硝酸盐转化为硝酸盐，同时亚硝酸菌和硝酸菌都利用这两个反应产生的能量合成新细胞和维护正常的生命活动。

由此可见在奥贝尔氧化沟第三沟中硝化反应是个快速过程，使绝大部分NH3-N转化为NO-3，其中小部分NH3-N在硝酸菌作用下，经同化作用转化为新的细胞和维护正常的生命活动，使出水NH3-N浓度达到最低值。

硝化细菌特性

硝化系统活性污泥中的亚硝酸菌和硝酸菌，都属于化能自养微生物。首先，它们为专性好氧菌，无氧时即停止生命活动，而不象分解有机物的细菌那样大多数为兼性异养菌，因此停运期间它们大部分都已死亡。而将有机氮转化为NH3-N的氨化细菌绝大部分为兼性异养菌，生化系统停运期间对他们活性影响并不大，所以重新运行时氨化过程仍能正常进行而硝化过程却不能进行。

硝化菌增殖特性与泥龄SRT

硝化菌的比增殖速度比活性污泥中占大多的兼性异养菌比增殖速度小1个数量级（见表1）。主要因为硝化细菌摄氧速率较降解有机物的微生物低的多，若环境中没有充足的溶解氧，硝化细菌将很难“争夺”到硝化反应所需要的氧，这就决定了它增殖速度慢，世代期长。因此生化系统重新运行后要想使硝化菌达到将NH3-N全部转化为NO-3-N的能力或者说数量需要一段时期的恢复，也就是说需要生物硝化系统的泥龄SRT至少应在8d以上。

表1　硝化细菌与异养菌的增殖速度

溶解氧的影响

一般情况下将每克NH3-N转化成NO3-N约需氧4.75g，要使硝化反应顺利进行，需要保持混合液中溶解氧＞2.0mg/l，理论上当DO＜2.0mg/l时硝化反应将受到抑制；当DO＜1.0mg/l时，硝化将受到完全抑制并趋于停止。因为硝化细菌绝大多数都包裹在活性污泥菌胶团中，只有当混合液保持中较高的溶解氧浓度，才能将保证混合液中的溶解氧进入活性污泥菌胶团中内，被硝化菌利用。然而停止运行那段时期，沉淀下来的活性污泥进行内源呼吸、反硝化、厌氧反应，会释放出CO2、N2、CH4、NH3等气体，这些气体溶解在水中呈饱和态，当重新运行时，无论采用转刷还是转蝶充氧，水中溶解氧都很难达到硝化反应所要求的溶解氧浓度，因此对硝化细菌繁殖和硝化反应进行都起到暂时抑制作用。而反硝化细菌和氨化细菌是一种兼性异养菌，对缺氧环境有一定忍耐性、适应性，因此，停运期间对它的影响并不大。

F/M影响

生物硝化属低负荷工艺，F/M一般都要求在0.15kgBOD/kgMLVSS.d 以下，即BOD5一般应小于2.0mg/l，若进水中有机负荷过高，降解有机物的异养微生物将迅速繁衍同时会消耗大量溶解氧，从而使硝化细菌生长缓慢，且好氧的硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速确度，致使NH3-N向NO-3-N转化的效率大大降低，出水氨氮升高。且中断运行一般时间后，由于活性污泥中的微生物在缺乏营养物质和分解有机物所需氧气条件下而大量死亡，导致MLVSS大大下降，再重新运行时，相对于正常运行时低负荷的污水对于它来说也算上是高负荷，因此重新运行从生物硝化所要求的有机负荷来说也不利于硝化反应进行。