城镇污水处理厂污水脱氮的生物强化技术研究

2023-07-28汪琳

科学技术创新 2023年19期

汪琳

（上饶市玉山生态环境局，江西上饶）

引言

我国污水处理厂污染物排放标准中要求COD（化学需氧量）和NH4+-N（氨态氮）一级A 排放标准为50 mg/L 和5（8）mg/L，一级B 排放标准为60 mg/L 和8（15）mg/L。但该标准仍超过自然水域环境中的自主净化能力，长时间排放下，区域水环境TN（总氮）＞0.2 mg/L、TP（总磷）＞0.02 mg/L 的情况下，该区域水体呈现为富营养化[1-3]。

基于此，为降低污水排放对环境带来的影响，需要进一步升级污水处理技术[4]。AAO 技术作为我国污水处理厂中常见的工艺技术，在尚未实现技术全面突破时，应将目标放在强化AAO 技术的脱氮除磷效果上，提高技术的作用效果，降低污染影响[5]。

1 污水脱氮技术特点分析

1.1 AAO 技术

该技术是指厌氧- 缺氧- 好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic）技术，可以应用于二级和三级污水以及中水回收工作中，不仅应用方法便捷，同时具有较为良好的脱氮除磷效果。在该污水处理技术实施过程中，污水依次进入厌氧池、缺氧池、好氧池，随后进入二沉池，其中上层清水排出，下层淤泥回流或排出。厌氧池中聚磷菌释放多聚磷酸盐，缺氧池借助硝化液对有机物进行反硝化作用，其中氮元素存在一定变化，结合价态变化能够了解当前存在的形态，如图1 所示。

图1 硝化- 反硝化过程中氮元素价态变化

完成脱氮作用好氧池聚磷菌分解多聚磷酸盐同时吸收污水中的磷酸盐，达到脱磷效果，最终将污水混合物在二沉池进行分离，完成对污水的脱氮除磷作用，其在作用过程中特点曲线如图2 所示。

图2 AAO 工艺特点曲线

在工艺运行过程中，影响其污水处理效果的主要因素包括：①污泥龄（SRT）。活性污泥能够为硝化细菌提供生存环境，但由于其繁殖速度相对缓慢，需要提供污泥龄才能保障硝化细菌总量符合污水处理要求。污泥龄越高，整体污泥量越多，影响污水处理效率，二者之间的矛盾对工艺实施效果存在一定影响；②溶解氧（DO）浓度。该浓度主要对聚磷菌产生影响，厌氧池中保持低氧状态下能够帮助聚磷菌释放磷，但在含氧量不足的情况下，不仅影响反硝化效率，同时制约硝酸盐还原酶的合成效果，进而影响脱氮效率，因此需要控制DO 浓度；③污泥回流比是指二沉池底部污泥回流到厌氧段的不利，回流比提升，污泥回流量增大，使系统SRT 延长，同时抑制聚磷菌释磷，最后影响系统除磷效果；④硝化液回流比。其指的是回流到缺氧池中的硝化液的占比，该占比增大时，运行成本增加，但脱氮效果不明显，从而使污水处理效果不理想。

1.2 生物强化技术

生物强化技术是利用具有特定功能的微生物来处理污染物的方式，在实施过程中具有应用灵活、针对性强、效率较高等特点。在生物强化技术中，常见的脱氮技术包括：同步硝化反硝化技术（SND）、短层硝化- 反硝化技术（SHARON）、厌氧氨氧化脱氮技术（ANAMMOX）、全程氨氧化脱氮技术。在处理时，主要利用反硝化细菌和聚磷菌等微生物分解有机物，使污水恢复正常状态，以短程硝化- 反硝化技术为例，其利用硝化反应生成NO2-，并利用反硝化菌分解氮氧化合物，并释放N，使其还原为N2。技术的应用效果如表1所示。

表1 常见生物强化技术应用效果分析

2 AAO 反应装置及实验方法

2.1 AAO 反应装置

使用AAO 技术完成生物强化脱氮实验，已知硝化细菌对生物强化污水处理技术影响较大，为了解硝化细菌的富集效果影响因素，应设置实验完成分析。实验中使用AAO 反应装置，具体如图3 所示。

图3 AAO 实验装置示意

该技术实施过程中，选择城镇污水处理厂中的进水作为实验污水，分析该污水的进水水质情况，结果如表2 所示。

表2 污水水质检查结果

实验过程中需要准备材料、药品以及硝化细菌载体填料，设备和实验仪器需要提前准备，并进行检验，确保其使用符合标准。

2.2 试验分析方法

实验过程中，分别使用常规理化分析法、污泥检测方法、分子生物学实验法等完成结果检测。以常规理化分析方法为例，检测项目除指标含量外，还需检测温度变化、生物相、蛋白质等项目。各检测方法均需要参考《水和废水检测分析方法》等相关规范要求。

2.3 硝化菌富集效果判定分析

按照实验要求完成取样、实验、检测等程序，结合实际的实验结果，分析硝化菌富集效果判定情况。在判定时，主要通过两个指标进行分析，其一，氨氧化活性。该指标需要对有氧条件下微生物转化NH4+-N 情况衡量。测量需要计算FA（游离氨）和FNA（游离亚硝酸）浓度，使用公式：

其中：C1为溶液中NH4+-N 浓度，（mg/L）；C2为溶液中NH2+-N 浓度，（mg/L）；T 为溶液温度，（℃）；e 为指数函数。

其二，微生物丰富度。在判定时，需要使用高通量测序方法分析微生物群落情况，使用基因分析并定量微生物丰富度。

2.4 AAO 实验中硝化细菌影响因素结果分析

第一，填料因素。实验设置6 种填料：活性污泥空白对照、活性污泥+粉煤灰、活性污泥+纤维球、活性污泥+生物陶粒、活性污泥+聚乙烯、活性污泥+悬浮球。对比反应器中填料体积变化情况，判断菌群活性。结合结果判断，能够发现在NH4+-N 浓度控制在180 mg/L 内时，活性污泥+ 粉煤灰填料中平均NH4+-N 去除率为95.84%，效果最佳，超过该浓度后各同类型填料的效果均有所下降。

第二，pH 值。pH 值对污水中微生物的活性影响相对较大，在pH 值较为极端的情况下，微生物无法顺利进行硝化反应，进而难以达到脱氮除磷的效果。正常情况下，AOB 和NOB 反应中，恰当的pH 值分别为7.0～8.5 和6.5～7.5，因此在污水处理过程中，需要对其pH 值进行观察，合理控制其变化情况。调整实验第一和第二小组中不同实验条件中pH 值情况，根据其反应情况，将pH 值分别控制在6～9 之间，并对实验过程中pH 值变化情况进行分析，计算其中NH4+-N 浓度和NH2+-N 浓度变化情况。根据做种结果判断，发现在酸性增强时，硝化菌活性被抑制，抑制下来高达53.46%；在碱性条件下微生物酶活性降低，抑制率为46.24%。

第三，DO 浓度。在硝化作用中，DO 浓度的影响相对较大。通过实验结果和文献分析，了解到在DO＞0.5 mg/L 时，硝化细菌停止活动，NH4+-N 的去除率约为4.37%。DO 浓度在0.5 mg/L～1.5 mg/L 之间时，硝化细菌活动较为积极，该条件下NH4+-N 的去除率能够达到81.37%左右。当DO 浓度在1.5 mg/L～3.5 mg/L 之间时硝化细菌活动效果达到最大化，其中NH4+-N 的去除率约为100%。但在超过3.5 mg/L 后，硝化细菌的功能逐渐下降，去除NH4+-N 效率明显降低。

第四，温度因素。微生物处理污水过程中，需要产生一定的酶，利用酶来分解和固定相应的游离元素，以达到分解和处理效果。酶作为蛋白质的一种，其作用时受到环境温度的影响相对较大，且硝化细菌作为微生物的一种，其适宜的温度一般在25～30 ℃之间，超出该温度范围内，其生长和活性必然受到影响。调整实验组中环境温度情况，在0～35 ℃之间设置6 个温度区间，并计算不同温度区间下溶液中NH4+-N 浓度变化情况，判断硝化菌的活性变化情况。结果如表3所示。

表3 温度对硝化菌活性影响

由此可见，温度对硝化细菌活性存在明显影响，在污水处理过程中应尽量保持其温度在25 ℃左右，确保硝化细菌活性保持在最高的状态。

3 生物强化AAO 系统脱氮可行性研究

生物强化技术在污水处理过程中主要的思路是提升微生物活性，提高其对污水的处理效率，以此加快污水的净化效果。基于此，为提高AAO 系统的脱氮效率，应结合试验中的影响因素，调整AAO 反应系统中不同环节的具体参数，以此加快硝化细菌的生长和活动效率，提高污水处理厂中的实际硝化作用效果，通过对AAO 系统的升级优化，加强污水处理水平。

AAO 系统运行过程中，控制其温度，使其在室温条件（20 ℃～30 ℃）下运行，控制系统的运行参数，检查进水口和出水口中水质情况，判断其中硝化细菌的实际作用效果。

在去除污水相关指标物质时，需要通过污泥吸附、附着，随后微生物完成氧化分解，去除污泥中的污染物。控制AAO 系统运行，分析并测量不同时间段污染物的浓度变化情况。最终发现控制AAO 系统中污泥成分、DO 浓度、pH 值能够明显优化硝化反应效率，提高系统的污水处理效率。