提高活性污泥性狀改善氨氮去除效果

王建

摘 要：結合武漢石化污水處理裝置運行經驗，論述了BAF對氨氮的處理的優勢，通過AO工藝和PACT工藝過程的分析，詳述了活性污泥法氨氮難控制的原因分析及處理。通過實踐，指出了：活性污泥性狀差是制約硝化作用的因素之一，通過調整食微比（F/M），抑制絲狀菌和污泥老化，改變污泥沉降性能，活性污泥對氨氮去除率可以穩定達到90%以上 。

關鍵詞：活性污泥 ；氨氮；污泥性狀； 硝化作用； 絲狀菌； 污泥老化

引言

2017年7月1日《石油煉制工業污染物排放標準》（GB-31570-2015）和《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571-2015）執行，對“廢水、廢氣、固體廢棄物”處理處置提出了更加嚴格要求，其中GB-31570要求氨氮小于8mg/L，GB 31571-2015要求氨氮小于5mg/L，而京津翼等地方標準甚至要求氨氮小于1mg/L。在很多企業中污水處理場都存在活性污泥法去除氨氮效果不佳，于是很多企業采用了活性污泥法+BAF或MAR等生物膜法的組合工藝，甚至通過投加大量的生物制劑來實現氨氮的降解，外排水質明顯得到改善，但系統運行成本較高。

中國石化武漢分公司公用工程部根據裝置污水水質情況“污污分治”，其中第二污水處理場采用“AO+接觸氧化”工藝處理低濃度含油污水，，高濃度污水處理場采用西門子“PACT+WAR”工藝處理高濃度含鹽污水。兩套污水處理場在實際運行過程中，發現AO池去CODCr能力較強，對氨氮能力較差，甚至倒掛情況，硝化作用建立極不穩定，而PACT工藝也經歷出水氨氮難去除的過程。在長期的工作積累和分析研究，逐漸找出了活性污泥去除氨氮效率低的原因及應對措施。

1.污水處理工藝概況

第二污水處理場采用“A/O法+接觸氧化法” 工藝（見圖-1），設計處理量400m3/h，實際處理量約320m3/h。主要處理1#2#常減壓、1#2#催化、1#3#加氫、焦化、鐵路、三污、罐區、聚丙烯裝置、常壓污水汽提、聯合三裝置等裝置的含油污水。

高濃度污水處理場采用“PACT+WAR”工藝（見圖-2），設計處理量為200t/h，實際處理量約為150t/h，主要處理1#2#電脫鹽，1#2#脫硫脫硝，循環水排污水、熱電中和池排污水、罐區切水及部分裝置含油污水。

深度處理裝置分含油和含鹽兩個系列由三套裝置（反硝化濾池、BAF和臭氧催化氧化）組成，含鹽含油系列處理量各為200m3/h。 含油系列對第二污水處理場污水進一步提標，因進水總氮較低，設計流程為“BAF+臭氧催化氧化”確保CODCr、氨氮達標；含鹽系列對高濃度污水處理場污水進一步提標，因高濃度污水處理場無缺氧反硝化流程，設計流程為“反硝化+BAF+臭氧催化氧化”。

2. 硝化作用原理及運行狀況分析

2.1 硝化階段機理及工藝控制要求

硝化菌包括硝化菌和亞硝化菌，屬于專性好氧菌，利用無機化合物如CO32-，HCO3-，CO2等作為碳源，從NH4+或NO2-的氧化反應中獲得能量，氧化為NO2-的產生的能量約為242.8-351.7kj/mol，氧化為NO3-產生的能量約為64.5-87.5 kj/mol，能量利用率約為5%-15%。氨氮氧化是由兩組自養好氧型微生物通過兩個過程完成的：第一步由亞硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸根；第二步再由硝化菌將亞硝化菌氧化為硝酸根。具體過程見圖-3和圖-4。

硝化反應公式：

2NH4++3O2→NO2-+2H2O+4H+

2NO2·+O2→NO3-

硝化菌主要特點及影響因素：

1、好氧條件，以CO32-、HCO3-和CO2為碳源，溶解氧控制需要在2mg/L以上；

2、自養型細菌，利用硝化反應放出的能量進行細胞合成亞硝酸菌、硝酸菌；

3、pH和堿度，1g氨氮需要7.14g堿度（碳酸鈣計），PH最佳控制范圍是7.5-8.5，小于6或大于9.6硝化停止；

4、硝化過程細胞產率很低，增殖速率較異養菌低10倍，敏感性強 ，BOD5過高會導致其他異養型細菌大量繁殖，硝化菌將無法優勢生長，一般BOD5/TKN大于5；

5、污泥齡。為了保證好氧系統的微生物中有足夠的硝化菌，通常將污泥齡控制在10天以上；

6、水溫，影響增長速率和活性，最佳30-35℃（15 ℃以下需延長泥齡，低于 5 ℃完全停止）；

7、硝化反應速率取決于氨氮轉化為亞硝酸氮的反應速率，不會出現亞硝酸根的積累。

2.2 運行狀況介紹

通過調查兩套污水處理場及深度處理裝置運行情況，對低含鹽和高含鹽兩種不同水質的處理數據進行統計，對結果進行分析。數據統計見表-1和表-2。

兩套污水處理場在日常運行中存在的問題：（1）由于二段PACT進水可生化性差，氧氣消耗量小，為確保污泥不下沉必須給予一定的曝氣量，溶解氧長期控制在6mg/L以上，污泥處于過氧化狀態。（2）AO池污泥沉降性能差，SVI長期大于400，二沉池出水發黃，出水長期夾帶細小顆粒，通過鏡檢發現有典型的絲狀菌膨脹和污泥老化的特征[1]。

通過表-1和表-2數據可以看出，2019年9月份兩套污水處理場AO池及PACT出水COD均小于60 mg/L，去除率分別達到了89.9%和89.4%。然而AO池和PACT均無硝化作用，出水氨氮難以控制。接觸氧化池及深度處理曝氣生物濾池出水氨氮均小于2mg/L，去除率分別達到了98.4%和96.7%。

其中PACT二段生化進水BOD5 <10 mg/L，B/C小于0.2的情況下，仍無明顯硝化作用，對比深度處理BAF卻有高效、穩定的硝化反應，結合AO池及接觸氧化池出水數據可以得出結論：工藝控制參數（參見表-3）在滿足硝化作用的條件下，高含鹽及其他水質環境并非是造成兩套污水處理場生化系統無硝化作用的因素。

2.3 污泥性狀對硝化作用的影響

通過對不同工藝硝化菌生存環境的對比發現，AO工藝及PACT工藝都是通過附著在活性污泥菌膠團表面的硝化菌產生硝化作用從而達到去除氨氮的效果，接觸氧化池及曝氣生物濾池（BAF）時通過附著在填料上硝化菌產生硝化作用。在相同的水質條件下，硝化反應的強弱往往決定于硝化菌數量的多少。可以看出，曝氣生物濾池（BAF）硝化菌生物量遠遠要大于二段PACT，或者二段PACT出現了抑制硝化菌生長和作用的因素。可以推論，，活性污泥的性狀可能是影響去氨氮效果的主要因素。為此，對硝化菌的生理特性進行了詳細的分析。

硝化菌粒徑僅為1μm，對固體表面有一定的附著能力，具有附著在固體表面生長的習性，靠菌體的鞭毛和布朗作用兩種方式遷移。在遷移中的硝化菌是不能進行硝化作用的，必須附著在固體表面安定下來后才能進行，遷移過程中需要消耗大量能量，因此硝化菌通常不樂意作主動的遷移運動。硝化菌仍可能在以下情況作主動性遷移：（1）環境受到外界干擾，（2）缺少生存資源，（3）有掠奪者入侵，（4）生活環境突然改變。在活性污泥中，硝化菌一般附著在活性污泥顆粒的表層生長，，當活性污泥系統BOD5負荷很低，硝化菌相較于異養菌是優勢菌。但生化池長期處于過渡延時曝氣，營養物質耗盡時，異養菌多呈衰退型由穩定期進入內源呼吸期，此時不僅細胞內含物被消耗和降解，而且細胞間粘性物質（莢膜）也會被部分消耗和分解，活性污泥顆粒局部解體，粘附力減弱，污泥顆粒細微化，大量細碎污泥流失[2]。在這種情況下，處于活性污泥顆粒表層的硝化菌大幅流失。為了使活性污泥既有較好的活性和良好的沉降性能，在實際中常將活性污泥控制住穩定期末期和衰退期初期，這樣硝化菌也能穩定的生長。

通過對硝化菌特性，結合AO池和PACT運行情況進行診斷分析，發現絲狀菌膨脹和污泥老化解體是造成硝化菌流失的主要因素。

3、控制措施

通過以上分析，兩套污水處理場分別采取了以下應對措施：

1.針對AO池絲狀菌膨脹，通過向AO池投加氫氧化鈉，PH控制到9.5-10，對進行殺滅和抑制絲狀菌的生長。當絲狀菌鏡檢發現不占優勢后，停止強氧化鈉的投加，PH恢復至7-8促進生化系統的恢復；

2.增加AO池剩余活性污泥的排放量，將泥齡控制到30天，防止污泥老化。

3.針對二段PACT進水負荷低，污泥長期過氧化的情況，選擇適合的PAM進行連續投加，并適量從一段PACT補充性能好的污泥有利于提高污泥的絮凝性能，將細小污泥再次絮凝提高沉降性能，防止硝化菌的流失。

4、結果與討論

（1） 投加氫氧化鈉對生化系統的影響

氫氧化鈉投加采用質量分數30%的氫氧化鈉溶液，小量連續性投加，計量泵設置投加量約0.5t/h，PH控制9-10之間，防止對生化系統產生沖擊，影響出水水質。投加過程中，發現絲狀菌逐步減少，約3周的時間后鏡檢發現活性污泥無明顯絲狀菌存在，于是暫停氫氧化鈉的投加，PH逐步恢復至7-8之間，期間二沉池出水CODCr并未受到影響。具體數據見圖-5。

（2）控制合理的排泥，將食微比控制在合理范圍

由于絲狀菌的比表面巨大，其吸收污水中有機物的能力高于菌膠團，對低負荷運行有較好的耐受能力，所以長期低負荷運行，對活性污泥菌膠團是不利的，特別是因為低負荷運行導致活性污泥發生老化的時候。適當增加排泥量，將食微比（F/M）控制在0.1-0.3kg BOD5 /（kgMLSS·d-1），可以提高新生污泥的再生和活性污泥的活性，防止污泥老化解體，進而保證生化系統運行的穩定[3]。經過對絲狀菌的殺滅和活性污泥的再生，SV30從95降至80以下，SS降至20以下，沉降性能明顯改善，硝化作用逐步建立。

（3）選擇合適的絮凝劑投加

高濃度污水處理場二段PACT由于進水可生化性差，生化池中活性污泥處于內源呼吸期，活性污泥大量老化分解，硝化菌大量流失。通過從一段生化補充污泥維持一定污泥濃度的前提下，投加陽離子聚丙烯酰胺，減少污泥的流失。措施實施后效果明顯，二段澄清池出水SS明顯減少，一周內氨氮也逐步下降。

經過上述處理措施后，含油含鹽兩套污水處理系統氨氮去除能力逐步提高至95%以上，出水氨氮質量濃度趨勢圖見圖-6和圖-7 。

5、結論

生化系統是個復雜的系統，涉及多個控制參數，這些參數恰恰是相互關聯的。由于硝化菌增殖速率低，敏感性強，裝置源頭污水存在難監測，管理難度大的問題，造成硝化作用難建立和難穩定的現狀。對活性污泥性狀的觀察和分析，有助發現硝化作用難建立的原因。食微比過低，正常菌膠團環境受到抑制，污泥的老化分解和絲狀菌膨脹，放流出水就會出現夾帶細小顆粒的情況，加劇硝化菌的流失。根據生產情況，適當提高食微比，并投加絮凝劑加以輔助，在進水水質正常平穩的情況下，硝化作用能較快的建立和恢復。

參考文獻：

[1]高廷耀，顧國維，周琪.水污染控制工程[M] 第四版下冊.北京：高等教育出版社，2015. 92-95.

[2]張建豐.活性污泥法工藝控制[M].北京：中國電力出版社，2011.6： 149-168.

[3]張建豐.活性污泥法工藝控制[M].北京：中國電力出版社，2011.6： 45-47.