城镇污水处理厂强化低温硝化案例探讨

黄 斌

（长沙市联泰水质净化有限公司湖南长沙410219）

城镇污水处理厂强化低温硝化案例探讨

黄 斌

（长沙市联泰水质净化有限公司湖南长沙410219）

硝化反应速率受温度影响较大，低温使得硝化反应速率下降，针对某污水处理厂A2/O工艺在冬季水温处于10℃左右的情况下出现的硝化效果不好的问题，通过分析研究及优化调整，通过将MLVSS提高至2g/L，生物池好氧段DO提高至3mg/L～4mg/L的措施，在现有条件下可将氨氮去除率提高至80%以上。

城镇；污水处理厂；低温硝化；强化

活性污泥法处理污水至今已有100年历史，几十年来活性污泥法处理技术有很快的发展，已成为城镇污水采用最为广泛的处理方法[1]。随着水体富营养化问题日趋得到重视，污水处理厂相应的需增加脱氮除磷功能。由于活性污泥法是自然净化的强化，对于水量大浓度相对较低的城镇生活污水来讲，相较于其他物理化学方法有着天然的成本优势，因此目前为止，活性污泥法仍然是城镇污水处理中运用最广泛最合适的技术。

但活性污泥法也存在相应的问题，本文着重探讨的是活性污泥法处理中氨氮的低温硝化存在的问题，由于硝化菌的消化速率受温度影响较大，而污水水温是季节性变化的，冬季水温普遍较低，在南方地区一般会低于10℃，使得冬季运行中出现氨氮去除率较低的的现象，笔者针对所在的污水处理厂运行情况，分析原因并进行工艺调整，强化了污水处理系统的低温硝化效果，实现了稳定达标排放，同时分享出水水质标准要求提高后，现有工艺技术改造的设计思路。

1 污水厂概况

某污水处理厂一期设计规模30×104m3/d，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B排放标准，生化工艺采用改良型A2/O工艺，主要特点为在厌氧池前段设置选择池，二沉池回流污泥先进入选择池进行反硝化，避免硝酸盐对厌氧释磷的影响，此外，好氧和缺氧段池型设计为卡鲁塞尔氧化沟池型，以微孔曝气器的分布区域来区分好氧段和缺氧段，该设计的最大好处在于内回流比较大，具有完全混合型生物反应器的抗冲击效果好的特点。

2 实际运行中低温对硝化反应的影响

由于污水处理厂地处南方地区，纳污区排水体制大部分为合流制，导致进水水质随季节波动较大，雨季浓度低，旱季浓度高，且由于城市建设的影响，合流制造成了进水SS中无机成分比例较高。

依据污水厂多年数据，夏季水温可保持在25℃～30℃之间，且由于进水浓度相对较低，污泥负荷低，硝化反应效率较高，出水氨氮基本维持在1mg/L以下。但每年进入11月之后，水温逐步下降，最低水温出现在次年1～2月，基本维持在9℃～11℃之间，最低水温曾降至7.8℃，此时反映出来的情况就是硝化反应效率持续下降，出水氨氮持续上涨。

研究表明，温度对硝化反应的影响很大（见图1），生物硝化反应可以在4℃~45℃的温度范围内进行，最佳温度大约为30℃，硝化菌对温度变化非常敏感，对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于15℃即发现硝化速率急剧下降。温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性[2]。表1所示为不同温度下亚硝酸菌的最大比增长速率μN值。

表1 不同温度下亚硝酸菌的最大比增长速率

图1 温度对硝化反应速率的影响

从污水厂历年数据来看，前期冬季水温下降到15℃以下并持续下降时，在不进行任何工艺调整的情况下，出水氨氮明显上涨，在水温下降至10℃左右时，出水氨氮日均值（24h混合样）由夏季的低于1mg/L逐渐上升至5 mg/L～6mg/L，最高上涨至7.6mg/L，平均去除率由夏季的94%下降至70%左右，最低降至60%左右。

3 现有条件下强化硝化的措施和效果

在充分研究硝化理论的基础上，结合污水厂的实际工艺情况，该厂做了一系列的分析和优化措施。

3.1 提高好氧段DO浓度

硝化反应必须在好氧条件下进行，一般建议反应中DO浓度应控制在2mg/L，日常运行中依据工艺情况进行DO调整，既要满足污染物得到有效降解，出水水质达标，又要做到尽可能的节省能源，该厂日常运行中DO一般控制在1.5 mg/L～2.0mg/L之间，夏季最低时维持在1 mg/L～1.5mg/L之间即可满足生产需要。研究表明，在同时去除有机物和进行硝化反应的系统中，硝化菌在活性污泥中的比例约为8%左右，且大部分处于生物絮体内部[3]，在这种情况下，DO浓度的增加将提高DO对生物絮体的穿透力，使得内部的硝化菌能够获得足够的溶解氧，从而提高硝化反应速率。图2为溶解氧对硝化反应速率的影响[4]。

图2 为溶解氧对硝化反应速率的影响

但提高DO浓度也有不利的一面，主要是会影响缺氧区的反硝化环境，使得TN的去除率降低，同时也将造成无谓的能源浪费，生产成本的增加。因此，DO浓度应控制在一个合理的范围内，既能有效降低出水氨氮浓度，又能不影响反硝化的进行，同时最大程度降低能耗。

3.2 提高污泥浓度

该厂设计污泥浓度为3.8g/L，设计BOD负荷为0.11kgBOD5/ kgMLSS·d，氨氮负荷为0.025kgNH3-N/kgMLSS·d。提高污泥浓度以应对低温硝化反应主要有以下几点考虑。（1）研究表明随着温度下降至一定程度，硝化速率开始持续下降，可以理解为单位硝化菌可降解的氨氮量的下降，由于在一个相对稳定的系统中硝化菌在活性污泥中占比也相对恒定，此时提高污泥浓度意味着提高整个系统的硝化菌数量，硝化细菌量的增多无疑能使得系统的总氨氮去除量得以增加，以弥补硝化速率下降带来的影响。（2）硝化菌是自养菌，其比增长速率比异养菌的比增长速率低得多，且上述提及低温不仅使得硝化速率降低，同时也使得硝化菌的比增长速率成倍的下降，因此在提高污泥浓度，排泥保持不变的情况下，相当于增加了系统的泥龄，确保系统中有足够的硝化菌。（3）研究表明当F/M值高，污泥絮体外层的耗氧速率将会增加，从而使得絮体内部形成缺氧区，那么需要更高的DO才能提高溶解氧对生物絮体的穿透力，这无疑会增加很大一部分能耗，而污泥浓度的提高同时也降低了系统F/M值，在低F/M值的条件下，由于生物絮体外部耗氧量需求的下降，使得整个生物絮体能够保持好氧状态[4]，即处于絮体内部的硝化菌在同等DO浓度下能够获得更多的溶解氧，从而提高整体的硝化反应速率。

需要注意的是，污泥浓度的提高需要考虑在一个合理的范围，由于生物除磷原理是依靠聚磷菌超量吸收磷的作用，将磷富集于聚磷菌体内，随着系统剩余污泥的排走而排出系统的，而污泥龄过长会使得超量吸收的磷未能及时从系统内排走，此外有研究认为污泥龄过长会发生污泥的“自溶”，即污泥死亡解体，使得聚磷菌吸收的磷又重新回到液相中[5]，从而影响系统的除磷。另外，还需考虑污泥浓度过大时，系统是否有足够的搅拌功率确保生物池不发生沉泥现象。

3.3 工艺优化效果

在结合实际生产情况，该厂以出水水质指标为导向，进行了污泥浓度和溶解氧的调整，平均污泥浓度控制在6g/L左右，相对污水厂普遍水平来说较高，这主要是由于上述提及的该厂进水SS无机物含量较高，加上污泥龄较长，使得生物池的污泥MLVSS/ MLSS值较低，平均只有30%～40%，从微生物负荷的角度来讲，实际上MLSS并不是一个严谨的控制参数，活性污泥中只有有机成分部分，即MLVSS，才是真正发挥生物化学反应的有用部分，因此该厂通过研究试验，最终控制的目标是MLVSS需达到2g/L左右，在此基础上，合理控制DO浓度，将好氧段平均DO浓度提高至3 mg/L～4mg/L之间，短时间提高至5mg/L左右，即可确保出水氨氮浓度得到有效降低，稳定达到2mg/L~4mg/L左右，去除率提高到80%以上，这样出水氨氮指标即远离超标危险区，也最大程度地节约了能耗。

4 提标改造的工艺技改对策

随着国家对环境保护的重视程度越来越高，现有的污水处理厂已逐步进入水质提标阶段。笔者所在污水处理厂主要出水水质指标已确定提高至地表准IV类水（TN≤10）水质，其中氨氮的指标从原来的8mg/L提高至1.5mg/L，从该厂历年运行数据来看，此标准一年中只有雨季的时候能够稳定达到，冬季很难达标，且随着城市管网的完善，可以预计进水浓度将逐步上涨，以目前的工艺系统是完全无法满足新标准的要求的，工艺的升级改造势在必行。MBBR（移动床生物膜反应器）工艺是向现有生物池投加比重接近于水的填料，作为微生物附着生长的载体，利用填料表面附着生长的生物膜和原有生物池中的悬浮活性污泥协同处理污水[6]，是一种活性污泥法和生物膜法相结合的工艺，附着的生物膜生物量非常大，可使系统总污泥浓度大幅度提升，同时系统中悬浮污泥泥龄和生物膜污泥的泥龄实现了完全分开控制，可解决传统脱氮除磷工艺在污泥龄上存在不可调和的矛盾，因此该工艺能够很好的解决原有系统池容不足、负荷能力不足的问题。MBBR工艺在国内外已得到广泛应用，国内也有众多成功案例，较为成熟，例如青岛团岛污水处理厂，该厂采用MBBR工艺改造后的运行数据显示，氨氮的平均去除率可高达97.19%[7]，是一种稳定可靠的工艺型式。

通过对各种升级改造工艺的研究了解，笔者所在污水厂的提标改造最终确定采用MBBR工艺，改造时好氧段部分廊道投加固定填料，填料投加比60%，单格投加填料容积2600m3，填料孔隙率大于95%，有效比表面积大于200m2/m3。计算生化池提标改造后总有效当量池容和当量停留时间较原系统提高了15%。目前项目正在进行中，具体实际运行情况有待后续继续研究。

5 结语

对于城镇污水处理厂，硝化过程受水温影响很大，水温低于15℃时硝化速率开始出现下降，水温越低，硝化速率下降得越明显。适当地提高污泥浓度以及溶解氧能有效地提高硝化反应速率，是活性污泥法应对低温的强化硝化措施当中最直接、快速、经济的方法，可确保低温环境下出水水质达标。MBBR则是升级改造时可选择的较为成熟及节省的一种工艺方式。

[1]张自杰.废水处理理论与设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2003,298.

[2]马勇,彭永臻.城市污水处理系统运行及过程控制[M].北京:科学出版社,2007,213.

[3]张雷,李明,汪恂.沙湖污水处理厂低温脱氮问题诊断与优化[J].中国给水排水,2014,30(23):65-68.

[4]李亚新.活性污泥法理论与技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.224-225.

[5]许保玖,龙腾锐.当代给水与废水处理原理（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2000,536-537.

[6]王文浩,李文超,何岩,黄民生,王国华,邹伟国.城镇污水处理厂低温硝化强化研究进展[J].工业水处理,2016,36(6):7-11.

[7]韩萍,许斌,宋美芹,张晶晶，吴迪.团岛污水厂MBBR工艺的升级改造及运行效果[J].中国给水排水,2014,30(12):110-114.

黄斌（1982——），男，汉，广东汕头，工程硕士，环境保护工程师，研究方向：环保水处理。