城市污水處理生物脫氮能力的技術(shù)措施論文

　　摘要：以城市污水處理廠升級(jí)改造為背景，針對(duì)污水生物脫氮工藝運(yùn)行中存在的問題，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(qiáng)化脫氮措施。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：水溫是影響生物硝化效果的重要因素，通過投加適當(dāng)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，通過投加乙酸鈉，反硝化速率和反硝化量相應(yīng)提高；內(nèi)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(nèi)可內(nèi)源反硝化去除，但容易造成污泥上��；通過技術(shù)措施強(qiáng)化二沉池等設(shè)施的泥水分離效果，可減少污泥顆粒中氮組分對(duì)出水總氮濃度的不利影響。

　　關(guān)鍵詞：生物脫氮；污水處理廠；升級(jí)改造；硝化反硝化

　　０前言

　　近些年來，由氮磷營養(yǎng)物污染引起的水體藍(lán)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(fù)荷削減任務(wù)的主要承擔(dān)者，城市污水處理廠對(duì)水環(huán)境保護(hù)起著極其重要的作用。歐美等國家對(duì)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(biāo)準(zhǔn)通常結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際要求，運(yùn)行管理控制比較嚴(yán)格。目前我國大部分城市污水處理廠面臨著提高脫氮效率的艱巨任務(wù)，許多早期建設(shè)的污水處理廠都面臨著升級(jí)改造的任務(wù)，亟需開展污水處理廠生物脫氮技術(shù)、運(yùn)行與管理等方面的工程應(yīng)用研究。污水生物處理過程中氮的轉(zhuǎn)化包括同化、氨化、硝化和反硝化作用，因而城市污水處理廠生物脫氮的性能與上述氮的轉(zhuǎn)化過程及相關(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為研究對(duì)象，以提標(biāo)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，開展生物脫氮工藝運(yùn)行特性及強(qiáng)化脫氮效能技術(shù)對(duì)策的研究，以期對(duì)城市污水生物脫氮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及面臨的升級(jí)改造提供參考依據(jù)。

　　１材料和方法

　�。保�１試驗(yàn)材料

　　本研究在華中某城市污水處理廠內(nèi)進(jìn)行，該廠設(shè)計(jì)處理能力８萬ｍ３／ｄ，其生物處理工藝單元采用氧化溝池型。試驗(yàn)所用測定裝置為容積１．５Ｌ的柱狀有機(jī)玻璃反應(yīng)器。硝酸鹽氮與氨氮的含量采用ＨＡＣＨ紫外分光光度計(jì)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(yàn)攪拌器（攪拌時(shí)間和轉(zhuǎn)速可自動(dòng)控制，取轉(zhuǎn)速３５ｒ／ｍｉｎ）。

　�。保�２分析測定方法

　　１．２．１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(yīng)器中，連續(xù)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(jù)測定結(jié)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，由此計(jì)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(jī)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(jié)果即為該活性污泥系統(tǒng)的硝化反應(yīng)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)過低，不能滿足硝化速率測定所需的ＮＨ３－Ｎ濃度范圍時(shí)，應(yīng)考慮向混合液中加入一定量的ＮＨ４Ｃｌ或其他ＮＨ３－Ｎ物質(zhì)。對(duì)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足后續(xù)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(yīng)。硝化活性主要體現(xiàn)在硝化速率上，硝化過程比較復(fù)雜。理論上，可用ＮＨ３－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的含量來表征硝化速率，但考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中，ＮＨ３－Ｎ轉(zhuǎn)化為ＮＯ－３－Ｎ的過程中一部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榱耍危龋常�Ｎ，它不能�?zhǔn)確反映出硝化速率。因此，采用ＮＯ－３－Ｎ的含量變化來表征硝化速率［１］。１．２．２反硝化速率的測定在氧化溝進(jìn)水與內(nèi)回流混合處取適量混合液，適當(dāng)速度連續(xù)攪拌，以防止污泥沉淀。攪拌過程中，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(jù)檢測結(jié)果作ＮＯ－３－Ｎ濃度對(duì)時(shí)間ｔ的曲線，利用曲線斜率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。為揭示污水處理廠生物反硝化能力的現(xiàn)狀，本試驗(yàn)將反硝化速率作為主要監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行日常測定。１．２．３內(nèi)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，通過內(nèi)源代謝過程進(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(nèi)源反硝化速率，用ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）表示。

　　２結(jié)果與討論

　　２．１同化作用

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

　�。玻�２氨化過程

　　氨化是指污水中有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為ＮＨ３－Ｎ的過程。實(shí)際上，要得到真正的氨化速率非常困難，因?yàn)榧?xì)菌的生長也會(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濃度的增加來表征氨化速率是不夠準(zhǔn)確的。但對(duì)于污水生物脫氮系統(tǒng)而言，氨化作用不是生物脫氮過程的限制因素，氨化過程與有機(jī)物的水解及轉(zhuǎn)化過程同時(shí)進(jìn)行，有機(jī)物水解與轉(zhuǎn)化過程結(jié)束時(shí)，已基本完成外部含氮有機(jī)物的氨化過程。以氨化過程為突破口來提高脫氮效率并不現(xiàn)實(shí)，也無必要。

　�。玻�３生物硝化過程

　　氨氮在硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的過程稱為硝化，是生物脫氮的重要階段。硝化菌是由兩組自養(yǎng)型好氧微生物通過兩個(gè)過程完成的。第一步先由亞硝酸菌將氨氮轉(zhuǎn)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，硝化菌屬專性好氧菌。它們利用無機(jī)化合物如ＣＯ２－３、ＨＣＯ－３、ＣＯ２作碳源，從ＮＨ＋４或ＮＯ－２的氧化反應(yīng)中獲得能量。硝化菌的主要特征是生長速率低、受溫度影響大、對(duì)ｐＨ非常敏感以及受Ｃ／Ｎ比影響顯著等�？紤]到當(dāng)前城市污水處理廠處理目標(biāo)和運(yùn)行調(diào)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(duì)生物硝化過程進(jìn)行討論。２．３．１溫度對(duì)污水生物處理硝化速率的影響為考察城市污水處理廠生物脫氮的現(xiàn)狀，本研究對(duì)氧化溝內(nèi)活性污泥系統(tǒng)的硝化速率進(jìn)行了日常跟蹤檢測，檢測結(jié)果如圖１所示。從結(jié)果可以看出，溫度與硝化速率接近線性相關(guān)，其變化對(duì)硝化反應(yīng)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(dǎo)致許多污水處理廠冬季生物硝化能力低下，出水ＴＮ超標(biāo)。硝化過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(tǒng)低溫時(shí)的硝化能力，是污水處理廠升級(jí)改造的重點(diǎn)所在。２．３．２投加懸浮填料對(duì)硝化效果的影響硝化菌具有較強(qiáng)的附著能力，在生物池內(nèi)投加懸浮填料，形成活性污泥－生物膜復(fù)合脫氮系統(tǒng)，在不影響除磷效果的前提下，可大量富集硝化細(xì)菌，從而提高系統(tǒng)的硝化能力。投加填料已成為目前城市污水處理廠升級(jí)改造的重要技術(shù)措施之一，但對(duì)于投加填料所產(chǎn)生的強(qiáng)化硝化效果，莫衷一是。為此，本研究對(duì)投加懸浮填料的強(qiáng)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(duì)比了投加填料與否對(duì)活性污泥系統(tǒng)硝化能力的影響，測定結(jié)果如圖２所示，投加懸浮填料后，由于填料掛膜，系統(tǒng)功能微生物生物量提高，硝化速率有明顯的提高。基于以上試驗(yàn)結(jié)果，通過采用投加懸浮填料的方法提高原活性污泥系統(tǒng)的硝化能力，是可行的，且工程建設(shè)、運(yùn)行、管理相對(duì)比較簡單，便于實(shí)施，是城市污水處理廠升級(jí)改造具有前景的方法之一，但在投加懸浮填料的工程應(yīng)用過程中，應(yīng)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。

　　２．４生物反硝化過程

　　反硝化作用是指亞硝酸（鹽）和硝酸（鹽）在異養(yǎng)微生物的作用下，被異化還原為氮?dú)獾倪^程。參與這一生化反應(yīng)的微生物是反硝化菌。反硝化菌屬兼性菌，在自然環(huán)境中幾乎無處不在，污水處理系統(tǒng)中許多常見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(jī)物，利用分子氧作為最終電子受體。在無分子態(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反硝化過程面臨的問題為理清污水處理廠反硝化工藝單元的運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)生物處理系統(tǒng)的反硝化能力進(jìn)行了跟蹤檢測。如圖３所示，水溫對(duì)反硝化效果的影響并不大，系統(tǒng)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(xì)菌在反硝化過程中需要消耗一定量的有機(jī)物。按照脫氮除磷理論以及化學(xué)衡算關(guān)系，轉(zhuǎn)化１ｇＮＯ－２－Ｎ為Ｎ２時(shí)，需要有機(jī)物（以ＢＯＤ５計(jì)）１．７１ｇ，轉(zhuǎn)化１ｇＮＯ－３－Ｎ為Ｎ２時(shí)，需要有機(jī)物（以ＢＯＤ５計(jì)）為２．８６ｇ［１］，因此通常要求系統(tǒng)中的ＢＯＤ５／ＴＫＮ大于３才能滿足脫氮的最基本碳源要求。也就是說，城鎮(zhèn)污水處理廠的ＴＮ是否能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，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(xì)菌利用的有機(jī)物相對(duì)不足。因此，碳源不足是影響污水處理廠反硝化效果的關(guān)鍵因素，需要采取外加碳源、內(nèi)碳源開發(fā)等有效技術(shù)措施提高生物脫氮系統(tǒng)的碳氮比。２．４．２投加碳源對(duì)反硝化的影響反硝化過程需要有機(jī)物作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為氮?dú)�，以�?shí)現(xiàn)污水脫氮的目的。通過在生物池內(nèi)投加外部碳源，能夠快速提高系統(tǒng)的反硝化能力［３］。本研究對(duì)比分析了投加碳源對(duì)生物處理系統(tǒng)反硝化能力的影響，如圖５所示，投加已知量碳源（乙酸鈉）后，反硝化能力顯著提高。因此，在進(jìn)水碳源不足的情況下，可以通過外加碳源的方法提高系統(tǒng)的反硝化效果，強(qiáng)化生物脫氮性能。２．４．３內(nèi)源反硝化過程對(duì)脫氮效果的影響內(nèi)源反硝化是指水中缺少底物的情況下，反硝化菌依靠內(nèi)源消耗進(jìn)行反硝化的過程。通常情況下，反硝化速度較慢，其作用容易被忽略。但多數(shù)情況下，受控或不受控的內(nèi)源反硝化過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(xiàn)污泥上浮等不良后果。內(nèi)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(nèi)源反硝化速率如圖６所示，內(nèi)源反硝化速率平均為０．６８ｍｇＮＯ－３－Ｎ／（ｇＶＳＳｈ）。由此可見，內(nèi)源反硝化對(duì)生物脫氮效果亦具有明顯的貢獻(xiàn)，在實(shí)際條件允許的情況下，可通過增加缺氧池的水力停留時(shí)間來充分利用內(nèi)源反硝化過程，從而盡可能減少外碳源的投加，但需要防范由于內(nèi)源反硝化過程造成的二沉池污泥上浮現(xiàn)象，或者所需的泥齡明顯增加，不夠經(jīng)濟(jì)。

　　３結(jié)論與建議

　�。ǎ保┯捎谂欧艠�(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，許多現(xiàn)有城市污水處理廠因ＴＮ等指標(biāo)難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)而面臨著升級(jí)改造的任務(wù)。改造工程應(yīng)根據(jù)污水處理廠現(xiàn)狀，從生物脫氮過程的不同階段綜合考慮，做到技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，工程量小。（２）硝化是生物脫氮的重要過程，也是污水處理廠提高脫氮效率的限制因素之一。在污水處理廠升級(jí)改造過程中，屬于需要重點(diǎn)考慮的單元，可通過投加懸浮填料、增大污泥齡等技術(shù)手段強(qiáng)化活性污泥系統(tǒng)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(duì)較快，但容易受到有機(jī)物含量不足的影響。在升級(jí)改造過程中，最重要的是保證充足的碳源，以滿足ＴＮ穩(wěn)定達(dá)標(biāo)所需的碳氮比。在進(jìn)水碳源不足的情況下，可通過投加外碳源、開發(fā)內(nèi)碳源等技術(shù)手段來改善城市污水處理廠的反硝化效果，也可通過內(nèi)源反硝化過程的合理利用作為強(qiáng)化脫氮效果的補(bǔ)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(jī)氮，可通過強(qiáng)化二沉池等設(shè)施泥水分離效果的技術(shù)措施來減少污泥顆粒中氮組分對(duì)出水總氮濃度的不利影響。

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