城市污水處理生物脫氮能力的技術(shù)措施論文

　　摘要：以城市污水處理廠(chǎng)升級改造為背景，針對污水生物脫氮工藝運行中存在的問(wèn)題，從生物脫氮的不同階段及主要影響因素，研究提出若干可行的強化脫氮措施。試驗研究結果表明：水溫是影響生物硝化效果的重要因素，通過(guò)投加適當比例的懸浮填料可將冬季硝化效率提高１倍左右；投加碳源是提高反硝化效率的重要措施之一，通過(guò)投加乙酸鈉，反硝化速率和反硝化量相應提高；內源反硝化也是可以加以利用的脫氮渠道，硝酸鹽在二沉池內可內源反硝化去除，但容易造成污泥上��；通過(guò)技術(shù)措施強化二沉池等設施的泥水分離效果，可減少污泥顆粒中氮組分對出水總氮濃度的不利影響。

　　關(guān)鍵詞：生物脫氮；污水處理廠(chǎng)；升級改造；硝化反硝化

　　０前言

　　近些年來(lái)，由氮磷營(yíng)養物污染引起的水體藍綠藻暴發(fā)及水質(zhì)惡化，已經(jīng)受到社會(huì )公眾的普遍關(guān)注。作為氮磷污染負荷削減任務(wù)的主要承擔者，城市污水處理廠(chǎng)對水環(huán)境保護起著(zhù)極其重要的作用。歐美等國家對氮磷污染的關(guān)注較早，而且也比較重視，制定的污水排放標準通常結合當地實(shí)際要求，運行管理控制比較嚴格。目前我國大部分城市污水處理廠(chǎng)面臨著(zhù)提高脫氮效率的艱巨任務(wù)，許多早期建設的污水處理廠(chǎng)都面臨著(zhù)升級改造的任務(wù)，亟需開(kāi)展污水處理廠(chǎng)生物脫氮技術(shù)、運行與管理等方面的工程應用研究。污水生物處理過(guò)程中氮的轉化包括同化、氨化、硝化和反硝化作用，因而城市污水處理廠(chǎng)生物脫氮的性能與上述氮的轉化過(guò)程及相關(guān)技術(shù)措施密切相關(guān)�；�于以上考慮，本文以典型城市污水處理廠(chǎng)為研究對象，以提標改造技術(shù)需求為背景，從污水生物脫氮的不同階段及主要影響因素，開(kāi)展生物脫氮工藝運行特性及強化脫氮效能技術(shù)對策的研究，以期對城市污水生物脫氮系統的穩定運行及面臨的升級改造提供參考依據。

　　１材料和方法

　�。保�１試驗材料

　　本研究在華中某城市污水處理廠(chǎng)內進(jìn)行，該廠(chǎng)設計處理能力８萬(wàn)ｍ３／ｄ，其生物處理工藝單元采用氧化溝池型。試驗所用測定裝置為容積１．５Ｌ的柱狀有機玻璃反應器。硝酸鹽氮與氨氮的含量采用ＨＡＣＨ紫外分光光度計分析；溶解氧采用ＹＳＩ溶解氧測定儀分析；曝氣裝置選擇森森充氧泵；攪拌裝置為ＺＲ４－６型混凝試驗攪拌器（攪拌時(shí)間和轉速可自動(dòng)控制，取轉速３５ｒ／ｍｉｎ）。

　�。保�２分析測定方法

　�。保�２．１硝化速率的測定自氧化溝不同位置取一定體積的混合液，置于配有曝氣和溶解氧測定裝置的反應器中，連續曝氣并按一定時(shí)間間隔取樣，測定液相中的氨氮（ＮＨ３－Ｎ）和硝酸鹽氮（ＮＯ－３－Ｎ或ＮＯ－ｘ－Ｎ）濃度變化，根據測定結果繪制ＮＨ３－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ（ＮＯ－ｘ－Ｎ）濃度隨時(shí)間ｔ變化的關(guān)系曲線(xiàn)，由此計算出單位時(shí)間單位污泥濃度的ＮＨ３－Ｎ減少量（混合液中有機氮的氨化作用影響可以忽略）或ＮＯ－３－Ｎ濃度的增加量，所得結果即為該活性污泥系統的硝化反應速率，用ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）表示。需要注意的是，在活性污泥硝化速率的測定中，如果混合液樣品中的ＮＨ３－Ｎ濃度已經(jīng)過(guò)低，不能滿(mǎn)足硝化速率測定所需的ＮＨ３－Ｎ濃度范圍時(shí)，應考慮向混合液中加入一定量的ＮＨ４Ｃｌ或其他ＮＨ３－Ｎ物質(zhì)。對于取自氧化溝進(jìn)口端的混合液，考慮到回流液堿度已經(jīng)被消耗，剩余堿度可能不足以滿(mǎn)足后續測定所需，需要向混合液樣品中投加一定量的堿性物質(zhì)（氫氧化鈉或碳酸氫鈉）或先進(jìn)行反硝化反應。硝化活性主要體現在硝化速率上，硝化過(guò)程比較復雜。理論上，可用ＮＨ３－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的含量來(lái)表征硝化速率，但考慮到實(shí)際運行過(guò)程中，ＮＨ３－Ｎ轉化為ＮＯ－３－Ｎ的過(guò)程中一部分有機氮轉變?yōu)榱耍危龋常�Ｎ，它不能準確反映出硝化速率。因此，采用ＮＯ－３－Ｎ的含量變化來(lái)表征硝化速率［１］。１．２．２反硝化速率的測定在氧化溝進(jìn)水與內回流混合處取適量混合液，適當速度連續攪拌，以防止污泥沉淀。攪拌過(guò)程中，每隔２０ｍｉｎ取混合液樣品，經(jīng)離心后測定上清液中ＮＯ－３－Ｎ的含量，根據檢測結果作ＮＯ－３－Ｎ濃度對時(shí)間ｔ的曲線(xiàn)，利用曲線(xiàn)斜率ｒ和測定的混合液ＭＬＶＳＳ值，由式ＮＵＲ＝ｒ／ＭＬＶＳＳ求得混合液的反硝化速率，用ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）表示。為揭示污水處理廠(chǎng)生物反硝化能力的現狀，本試驗將反硝化速率作為主要監測指標進(jìn)行日常測定。１．２．３內源反硝化速率的測定在氧化溝出水末端位置取適量混合液，通過(guò)內源代謝過(guò)程進(jìn)行反硝化，完全混合后，進(jìn)行適度攪拌，防止污泥沉降。攪拌過(guò)程中，每隔２０ｍｉｎ取少量混合液，測定其中的ＮＯ－３－Ｎ的濃度，以ＮＯ－３－Ｎ濃度的變化作為內源反硝化速率，用ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）表示。

　　２結果與討論

　�。玻�１同化作用

　　污水生物處理過(guò)程中，一部分氮（氨氮或有機氮）用于活性污泥微生物的生物合成，被同化成微生物細胞的組分，可與顆粒性不可生物降解有機氮一起，通過(guò)剩余污泥外排的途徑加以去除。因此，可通過(guò)強化二沉池等設施泥水分離效果的技術(shù)措施來(lái)減少污泥顆粒對出水總氮濃度的不利影響。

　�。玻�２氨化過(guò)程

　　氨化是指污水中有機氮在氨化細菌的作用下轉化為ＮＨ３－Ｎ的過(guò)程。實(shí)際上，要得到真正的氨化速率非常困難，因為細菌的生長(cháng)也會(huì )利用ＮＨ３－Ｎ，產(chǎn)生的ＮＨ３－Ｎ也會(huì )被硝化菌所消耗，僅以水中ＮＨ３－Ｎ濃度的增加來(lái)表征氨化速率是不夠準確的。但對于污水生物脫氮系統而言，氨化作用不是生物脫氮過(guò)程的限制因素，氨化過(guò)程與有機物的水解及轉化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，有機物水解與轉化過(guò)程結束時(shí)，已基本完成外部含氮有機物的氨化過(guò)程。以氨化過(guò)程為突破口來(lái)提高脫氮效率并不現實(shí)，也無(wú)必要。

　�。玻�３生物硝化過(guò)程

　　氨氮在硝化菌的作用下轉化為硝酸鹽氮的過(guò)程稱(chēng)為硝化，是生物脫氮的重要階段。硝化菌是由兩組自養型好氧微生物通過(guò)兩個(gè)過(guò)程完成的。第一步先由亞硝酸菌將氨氮轉化成亞硝酸鹽。第二步再由硝酸菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。亞硝酸菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬等；硝酸菌有硝酸桿菌、螺菌屬和球菌屬等，硝化菌屬專(zhuān)性好氧菌。它們利用無(wú)機化合物如ＣＯ２－３、ＨＣＯ－３、ＣＯ２作碳源，從ＮＨ＋４或ＮＯ－２的氧化反應中獲得能量。硝化菌的主要特征是生長(cháng)速率低、受溫度影響大、對ｐＨ非常敏感以及受Ｃ／Ｎ比影響顯著(zhù)等�？紤]到當前城市污水處理廠(chǎng)處理目標和運行調控的實(shí)際需要，本文主要從溫度和投加填料的影響兩個(gè)方面對生物硝化過(guò)程進(jìn)行討論。２．３．１溫度對污水生物處理硝化速率的影響為考察城市污水處理廠(chǎng)生物脫氮的現狀，本研究對氧化溝內活性污泥系統的硝化速率進(jìn)行了日常跟蹤檢測，檢測結果如圖１所示。從結果可以看出，溫度與硝化速率接近線(xiàn)性相關(guān)，其變化對硝化反應的影響非常明顯，冬夏兩季硝化速率相差甚至２倍以上。這會(huì )導致許多污水處理廠(chǎng)冬季生物硝化能力低下，出水ＴＮ超標。硝化過(guò)程是生物脫氮的限制因素，因此，采取合理措施提高生物處理系統低溫時(shí)的硝化能力，是污水處理廠(chǎng)升級改造的重點(diǎn)所在。２．３．２投加懸浮填料對硝化效果的影響硝化菌具有較強的附著(zhù)能力，在生物池內投加懸浮填料，形成活性污泥－生物膜復合脫氮系統，在不影響除磷效果的前提下，可大量富集硝化細菌，從而提高系統的硝化能力。投加填料已成為目前城市污水處理廠(chǎng)升級改造的重要技術(shù)措施之一，但對于投加填料所產(chǎn)生的強化硝化效果，莫衷一是。為此，本研究對投加懸浮填料的強化硝化效果進(jìn)行了分析研究。本研究在水溫１４℃條件下進(jìn)行，對比了投加填料與否對活性污泥系統硝化能力的影響，測定結果如圖２所示，投加懸浮填料后，由于填料掛膜，系統功能微生物生物量提高，硝化速率有明顯的提高�；�于以上試驗結果，通過(guò)采用投加懸浮填料的方法提高原活性污泥系統的硝化能力，是可行的，且工程建設、運行、管理相對比較簡(jiǎn)單，便于實(shí)施，是城市污水處理廠(chǎng)升級改造具有前景的方法之一，但在投加懸浮填料的工程應用過(guò)程中，應充分考慮填料的選型、填充率的選擇以及填料流化的保障措施等因素。

　�。玻�４生物反硝化過(guò)程

　　反硝化作用是指亞硝酸（鹽）和硝酸（鹽）在異養微生物的作用下，被異化還原為氮氣的過(guò)程。參與這一生化反應的微生物是反硝化菌。反硝化菌屬兼性菌，在自然環(huán)境中幾乎無(wú)處不在，污水處理系統中許多常見(jiàn)的微生物都是反硝化菌。如變形桿菌、微球菌屬、假單胞菌屬、芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬等。有分子態(tài)溶解氧存在時(shí)，反硝化菌能夠氧化分解有機物，利用分子氧作為最終電子受體。在無(wú)分子態(tài)溶解氧情況下，反硝化菌可以利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的Ｎ５＋和Ｎ３＋作為能量代謝中的電子受體被還原。２．４．１反硝化過(guò)程面臨的問(wèn)題為理清污水處理廠(chǎng)反硝化工藝單元的運行現狀，對生物處理系統的反硝化能力進(jìn)行了跟蹤檢測。如圖３所示，水溫對反硝化效果的影響并不大，系統反硝化速率基本維持在０．８ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）左右，基本處于較低的水平。究其原因，反硝化細菌在反硝化過(guò)程中需要消耗一定量的有機物。按照脫氮除磷理論以及化學(xué)衡算關(guān)系，轉化１ｇＮＯ－２－Ｎ為Ｎ２時(shí)，需要有機物（以ＢＯＤ５計）１．７１ｇ，轉化１ｇＮＯ－３－Ｎ為Ｎ２時(shí)，需要有機物（以ＢＯＤ５計）為２．８６ｇ［１］，因此通常要求系統中的ＢＯＤ５／ＴＫＮ大于３才能滿(mǎn)足脫氮的最基本碳源要求。也就是說(shuō)，城鎮污水處理廠(chǎng)的ＴＮ是否能穩定達標，ＢＯＤ５／ＴＫＮ的比例關(guān)系有很大影響。如圖４所示，進(jìn)水ＣＯＤ／ＮＨ３－Ｎ約為８，折合成ＢＯＤ５／ＴＫＮ不到２．５，且波動(dòng)明顯，可供反硝化細菌利用的有機物相對不足。因此，碳源不足是影響污水處理廠(chǎng)反硝化效果的關(guān)鍵因素，需要采取外加碳源、內碳源開(kāi)發(fā)等有效技術(shù)措施提高生物脫氮系統的碳氮比。２．４．２投加碳源對反硝化的影響反硝化過(guò)程需要有機物作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為氮氣，以實(shí)現污水脫氮的目的。通過(guò)在生物池內投加外部碳源，能夠快速提高系統的反硝化能力［３］。本研究對比分析了投加碳源對生物處理系統反硝化能力的影響，如圖５所示，投加已知量碳源（乙酸鈉）后，反硝化能力顯著(zhù)提高。因此，在進(jìn)水碳源不足的情況下，可以通過(guò)外加碳源的方法提高系統的反硝化效果，強化生物脫氮性能。２．４．３內源反硝化過(guò)程對脫氮效果的影響內源反硝化是指水中缺少底物的情況下，反硝化菌依靠?jì)仍聪�耗進(jìn)行反硝化的過(guò)程。通常情況下，反硝化速度較慢，其作用容易被忽略。但多數情況下，受控或不受控的內源反硝化過(guò)程都是生物脫氮的重要組成部分，只是不希望二沉池因反硝化而出現污泥上浮等不良后果。內源反硝化發(fā)生在可快速利用和慢速利用的碳源已基本完全消耗的情況下，為此，本研究取樣位置選擇在氧化溝的出口處。測定的內源反硝化速率如圖６所示，內源反硝化速率平均為０．６８ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）。由此可見(jiàn)，內源反硝化對生物脫氮效果亦具有明顯的貢獻，在實(shí)際條件允許的情況下，可通過(guò)增加缺氧池的水力停留時(shí)間來(lái)充分利用內源反硝化過(guò)程，從而盡可能減少外碳源的投加，但需要防范由于內源反硝化過(guò)程造成的二沉池污泥上浮現象，或者所需的泥齡明顯增加，不夠經(jīng)濟。

　　３結論與建議

　�。ǎ保┯捎谂欧艠藴噬�級，許多現有城市污水處理廠(chǎng)因ＴＮ等指標難以穩定達標而面臨著(zhù)升級改造的任務(wù)。改造工程應根據污水處理廠(chǎng)現狀，從生物脫氮過(guò)程的不同階段綜合考慮，做到技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，工程量小。（２）硝化是生物脫氮的重要過(guò)程，也是污水處理廠(chǎng)提高脫氮效率的限制因素之一。在污水處理廠(chǎng)升級改造過(guò)程中，屬于需要重點(diǎn)考慮的單元，可通過(guò)投加懸浮填料、增大污泥齡等技術(shù)手段強化活性污泥系統的硝化能力，特別是低溫環(huán)境下的硝化能力。（３）反硝化速率相對較快，但容易受到有機物含量不足的影響。在升級改造過(guò)程中，最重要的是保證充足的碳源，以滿(mǎn)足ＴＮ穩定達標所需的碳氮比。在進(jìn)水碳源不足的情況下，可通過(guò)投加外碳源、開(kāi)發(fā)內碳源等技術(shù)手段來(lái)改善城市污水處理廠(chǎng)的反硝化效果，也可通過(guò)內源反硝化過(guò)程的合理利用作為強化脫氮效果的補充。（４）由于同化作用所形成的微生物中的氮組分以及顆粒性不可生物降解有機氮，可通過(guò)強化二沉池等設施泥水分離效果的技術(shù)措施來(lái)減少污泥顆粒中氮組分對出水總氮濃度的不利影響。

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