PH值和碱度对生物硝化的影响

◎朱国普

引言：随着经济不断发展，促进我国工业化程度提高，但同时也导致含氮化合物排放量日益增加，导致水体富营养化问题愈加严重化，“赤潮”现象在各地区海域中高频率出现，对我国渔业、旅游业等相关行业发展带来极大危害影响。因此，国家逐渐开始重视防治废水氮素污染，其中生物脱氮法是目前废水处理过程中广泛应用的技术手段之一，硝化作为废水生物脱氮工艺流程关键环节，无论新旧硝化-反硝化工艺均需要硝化反应支持。不同PH值对生物硝化工艺应用效果均有不同的影响，主要包括硝化速度、转化效率等，也会间接影响硝化反应系统稳定运行。在明确pH值和碱度对生物硝化产生影响的前提下，如何采取相应措施控制极易大幅度波动的pH值，是目前各相关人员需要考虑的问题。

一、pH值对生物硝化的影响

1.pH值影响硝化细菌生长与代谢。

生物硝化效果与硝化细菌生长和代谢有着十分密切的关系，硝化细菌保持良好的活性与合适的数量，能够有效保障硝化作用强度。通过对此方面相关文献数据调研，当达到一定环境条件下的pH值，在某种程度上硝化细菌的活性会受到抑制影响，难以确保硝化细菌正常生长与代谢；各项数据显示，当pH值在7.0-8.5范围区间内，是适合亚硝酸细菌生长最佳环境条件，适合硝酸细菌生长最佳生长环境条件则是在6.0-7.5的pH值范围区间内。从整体上看，相较于硝酸细菌，在适宜pH值、生长速率以及细胞产出率等方面，亚硝酸细菌的工作性质均高于后者。

亚硝酸细菌与硝酸细菌所需能源均由氨和亚硝酸盐提供，当发生氮氧化反应与亚硝酸盐氧化反应时，可以根据氧化反应情况来判断是否是亚硝酸细菌与硝酸细菌，在合适的pH值环境中，亚硝酸细菌的氨氧化速率明显高于硝酸细菌，说明硝化细菌活性也高于硝酸细菌。

氨以离子形态或者以游离的状态在水溶液中出现，氨离子形态会抑制亚硝酸细菌生长及代谢，而游离状态的氨则是亚硝酸细菌真正基质。高浓度游离氨，会对亚硝酸细菌的生长及代谢产生抑制影响，当浓度值达到40mgN／L时，抑制影响直接发生。与此同时，游离氨也会对硝酸细菌的生长及代谢产生一定抑制影响，当浓度值达到0.6mgN／L时，氨对硝酸细菌的抑制影响明显低于前者。

亚硝酸细菌代谢后，则会生成游离亚硝酸，为硝酸细菌的生长提供基质，反过来当浓度值达到0.6mgN／L时，游离亚硝酸将抑制亚硝酸细菌生长及代谢；当浓度值达到2.8mgN／L时，相较于游离亚硝酸对亚硝酸细菌抑制的敏感性，硝酸细菌明显高于前者。

导致pH值下降的成因主要涉及两个方面：一是进水碱度未达到工艺标准要求；二是进水碳源不足支撑生物硝化反应，无法对生物硝化所消耗的碱度进行补充。当废水中碱度不足时候，再加上受到高TKN负荷影响，使得废水中原有碱度内全部耗尽，促使溶液中pH值下降，进而制约生物硝化速率。当废水中无强酸排进时，此时废水更加偏向碱性，所显示的pH值普遍高于7.0，废水中碱度大小直接关系着pH值。因此，在生物硝化反应系统中，必须对pH值进行合理调控，适宜的pH值，更加有利于生物硝化系统运行效能产出。另外，当pH值高于既定限值时，则表示需要增加废水中碱度，确保生物硝化反应效果。

2.pH值影响硝化基质及产出物质形态。

上述提到，游离氨即会抑制亚硝酸细菌的生长及代谢，同时也为亚硝酸细菌生长及代谢提供基质。环境温度达到20度时，游离氨占总氨浓度比例分析参考图1。

图1 环境温度达到20度时，游离氨占总氨浓度比例分析

从图1所显示的信息来看，当环境温度达到20度时，游离氨占据总氨浓度较大比例，呈急剧增大趋势；若总氨浓度在此环境中较低，可对pH值进行增大调整，以此来达到将基质有效性进行增强目的；若总氨浓度在此环境中过高，在增大pH值影响下，容易引发氨毒，这一点情况是操作生物硝化反应系统时，需要给予高度关注的问题。

游离亚硝酸为硝酸细菌生长及代谢提供基质，同时也会抑制亚硝酸细菌与硝酸细菌的生长及代谢。当环境温度达到20度，低于6.0的pH值，游离亚硝酸占据总氨浓度比例呈快速上升趋势，若总氨浓度在此环境中较低，可对pH值进行降低调整，以此来达到将基质有效性进行增强目的；若总氨浓度在此环境中过高，则需要控制pH值，提升至6.5以上，有利于避免游离亚硝酸诱发氨毒。

3.pH值影响生物硝化反应系统效能。

通过对现有研究数据调研与分析，不同pH值对生物硝化反应系统的产出效能也有着不同程度上的影响。开展过两段SBR硝化试验过程中，发现在亚硝化第一阶段，当pH值达到6.8左右，此时亚硝化速率达到最大值；当pH值提升至7.5左右，此时亚硝化速率接近最低限值。因操作条件差异，不同亚消化阶段的pH值也各不相同，其中二、三亚硝化阶段的pH值试验显示最高。当pH值重新降至原有数值，亚硝化速率呈缓速下降趋势。

短程硝化工艺是较早出现的一种生物脱氮技术手段，此项工艺实际应用过程中，能够有效激发亚硝酸细菌活性，并同时对硝酸细菌的生长及代谢进行抑制，该硝化-反硝化反应是短程硝化工艺明显特征，也是工艺流程核心，对pH值进行合理控制，更加有利于发挥短程硝化工艺实际效能。7.5-8.5的pH值是短程硝化效应最佳条件，当pH值过高时，其游离氨浓度也相对较高，亚硝酸细菌所需基质要求能够充分满足；若游离亚硝酸浓度降低时，可通过调整pH值，达到制约硝酸细菌所需基质的效果。

二、碱度对生物硝化的影响

1.碱度。

碱度在水溶液中起到中和pH 值的作用，对水溶液中的碱度进行测定时，通常情况下，会选用标准强酸来中和水样中的pH值，基于标准强酸实际消耗量，完成对应碱度计算。其中C032-、NH3、HS-以及H2PO4等均属于废水中较为常见的碱度种类，按照性质来划分，碱度被划分为三种类型，分别是苛性碱度、碳酸盐碱度和总碱度。各项数据中所提及到废水碱度，均指总碱度。

2.碳酸盐碱度。

6.5 -8.5范围区间的pH是大部分生物硝化系统中较高频率调控的数值，此环境条件下，pH在溶液中，主要被溶解的碳酸盐类加以控制，如二氧化碳、碳酸盐。

在实际测定过程中，针对H2CO3的测定存在一定阻碍，虽然CO2被溶解，但只有小部分被溶解转化成H2CO3，基于此，可将被溶解的CO2与H2CO3所显示的浓度值结合在一起，进而获得一个近似的电离常数。

在常温环境条件下，pH不同，碳酸盐类分布也有着一定差异性，经常以重碳酸盐形态出现在废水生物硝化工艺流程中[4]。

3.碳酸盐碱度缓冲特性影响生物硝化。

碳酸盐类不仅能够起到中和酸碱度的作用，在溶解过程中，也会产生不同等级的缓冲强度。将一定量溶液的pH值转化成某单位所需氢离子，即为缓冲强度。

因pH范围不同，所呈现的盐酸盐类缓冲强度等级也有所不同，当pH值达到3.8或8.3时，此时盐酸盐类缓冲强度处于最低等级，一个pH单位消耗碱度的改变，比其他pH范围内的碱度消耗量相对较小。由于6.5-8.5范围区间的pH值是生物硝化反应最佳条件，此pH范围内的碳酸盐类所呈现的缓冲强度等级较低，进而导致生物硝化过程中产生大幅度pH波动变化。

三、提升生物硝化效果的有效建议

1.做好源头预处理。

通常情况下，必须要保证废水终端排放口部位的氨氮符合国家规定标准，才能进行排放，生物硝化工艺属于系统性流程，预处理含氨氮量较高的废水，以此来提升硝化容积负荷，达到提升废水处理效果及降低成本费用目的。

2.结合水质特性明确对应硝化工艺。

废水处理工作中的生物硝化，建立于废水二级生化处理，无特殊要求前提下，无论是哪一种类型生物处理系统均可满足生物硝化作用要求。如果想进一步提升生物硝化效果，在实际操作过程中，尽可能结合被处理水质特性明确对应生物硝化工艺，更加有利于获得高效且稳定的生物硝化效果。

废水水质成分对生物硝化反应器中的生物群落有着极大地影响，不同范围的pH值，均会抑制硝化细菌生长与代谢，硝化细菌比例变化过大，则会降低对硝化细菌的抑制作用，硝化细菌活性受到影响。合适的生物硝化工艺，有助于更好地调控pH值，既能满足硝化细菌所需基质要求，又能抑制硝化细菌生长与代谢，消除抑制生物硝化作用的有毒物质，以此来增加硝化负荷，增强生物硝化效果。

3.精准把控pH值。

若想实现生物硝化反应达到最大产出速率，且不影响生物硝化反应高效、稳定进行，在实际操作过程中，必须精准把控pH值，如何将pH值控制在6.5-8.5范围区间尤为关键，是操作过程中需要给予高度关注的问题。处理含氮量高的废水时，其中pH值呈急速下降趋势，此过程中高精度加碱操作以及合理调控pH值，更加有助于保证生物硝化反应顺利进行。此类型废水处理，对碱的消耗量极大，是导致生物硝化工艺运行成本增加的主要因素，经济性较低。基于此，需要将硝化与反硝化反应有机结合，在此基础上形成生物脱氮核心工艺，利用反硝化反应过程中产生的大量碱，来补足硝化反应过程中对应碱消耗量，有效降低成本费用同时，又能起到预防水体局部pH值升高的作用。

上述提及到硝化细菌对pH有着较高的敏感性，适宜的pH值条件，能够保证硝化细菌良好活性，一旦pH值高于或低于既定限制，硝化细菌的活性将会被抑制，此时生物硝化反应逐渐停止。针对实际运行过程中的生物硝化系统，尽可能加强对pH值的精准调控，以保持良好的硝化速率为核心，时刻观察硝化速率变化与pH值变化，当pH值低于6.5时，需要立即进行加碱操作。精准投加碱是维持pH值有效途径，导致pH值降低的成因包括多个方面，需要相关人员根据实际情况进行具体分析，生物硝化系统崩溃，及时调控pH值，并适量投加碱量，尽快恢复生物硝化系统运行。

四、其他影响生物硝化作用的因素

其他影响生物硝化作用的因素，还包括以下几点内容：

1.污泥负荷与泥龄。从工艺技术角度上分析，生物硝化工艺具有低负荷性，生物硝化反应越好，说明污泥负荷越低，转换效率同样也能得到提升。大部分生物硝化系统中的泥龄普遍较长，与硝化细菌的生长与代谢速率相关，硝化细菌生长与代谢受到抑制，将会直接影响生物硝化效果，因此需要控制泥龄，而温度等外界因素关系着泥龄控制。若想获得高效且稳定的生物硝化效果，需要将污泥龄控制在半个月以上。

2.溶解氧。一般情况下，在应用生物硝化工艺时，对溶解氧的含量控制有着明确要求，当溶解氧低于2.0mg/L时，此时生物硝化作用将会受到抑制影响；当溶解氧低于1.0mg/L时，此时生物硝化作用将被完全抑制，或停止硝化反应。高浓度溶解氧维持是生物硝化系统运行时，需要额外关注的情况。硝化细菌属于好氧菌，低浓度溶解氧则会降低硝化细菌活性；相较于有机物细菌，硝化细菌对溶解氧的需求远低于前者，但氧量无法充足供应，失去氧量供应的硝化细菌其活性降低，将不能支持生物硝化反应。因此，需要根据废水处理需要，控制生物硝化系统实际供氧量，合理设置溶解氧浓度，确保生物硝化反应顺利进行。

3.有毒物质与温度。部分重金属离子与有机物质属于有毒性物质，则会对生物硝化反应中的硝化细菌生长与代谢进行破坏；当废水中有毒物质浓度含量过高，则会对生物硝化作用产生抑制影响。以铅离子为例，当铅离子浓度高于0.5mg/L时，抑制生物硝化过程，进而降低生物硝化效果，无法达到预期工艺投入使用目的。

因硝化细菌对温度变化有着较高敏感性，当环境温度维持在10-30度范围内，此时硝化细菌可以正常生长与代谢，当环境温度持续急速升高时，则会激发硝化细菌活性，呈逐渐增大趋势；当环境温度低于10度以下时，硝化细菌将无法正常生长与代谢。

由此说明，有毒物质与温度对生物硝化作用的影响较为突出，特别是针对硝化细菌正常生理代谢的抑制影响，因此，在实际操作过程中，需要提升对有毒物质与温度控制的重视程度，降低此方面因素对生物硝化效果的负面影响。

结束语：综上所述，通过分析与研究pH值对生物硝化的影响，发现pH值不同，将会对亚硝酸细菌与硝酸细菌的生长及代谢产生不同程度上的抑制影响，达到某种条件时，硝化基质及产出物质则会存在一定毒性，继而对生物硝化反应系统效能形成制约。碳酸盐类物质构成影响溶液碱度，当对6.5-8.5范围内的pH值进行调整与控制，将会直接影响碳酸盐类缓冲强度，此范围区间内pH值条件下的碳酸盐类，其缓冲强度明显下降，使得在生物硝化过程中，极易诱发大幅度pH值波动。在实际操作时，应额外关注pH值和碱度对生物硝化的影响，保证硝化效果。