城鎮(zhèn)污水處理廠氨氮各處理階段去除機理研究

楊昌萍，田 飛，張 磊

(貴州省貴陽市環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州 貴陽550002)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題，尤其是水污染給城鎮(zhèn)地區(qū)居民的生產(chǎn)、生活帶來了十分嚴(yán)重的影響，引起了社會的廣泛關(guān)注。因此城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)加強對污水中氨氮各處理階段的機理研究，加強對污水處理的出水水質(zhì)監(jiān)測以及增強污水的處理效率，從而降低水污染對環(huán)境造成的影響。

2 城鎮(zhèn)地區(qū)污水處理現(xiàn)狀

我國是一個水資源相對短缺的國家，但隨著石油、化工等行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的高氨氮污水，當(dāng)含有過高氨氮水平的污水進(jìn)入水域后，會引起水質(zhì)的富營養(yǎng)化，不但降低了水的欣賞價值，還會對水中的生物造成影響，進(jìn)而威脅到人類的身體健康。

當(dāng)前城鎮(zhèn)的污水排放總量已經(jīng)超出了環(huán)境所固有的承載能力，幾乎形成“有水皆臭、有水皆臟”的局面，但城鎮(zhèn)建設(shè)中仍缺乏必要的污水收集及污水處理系統(tǒng)設(shè)施，部分生活用水、工業(yè)用水在未經(jīng)處理的情況下被直接排出，造成了城鎮(zhèn)水源氨氮、重金屬、磷質(zhì)、化學(xué)需氧量等一系列的指標(biāo)在不同程度上超出標(biāo)準(zhǔn)，富含氨氮的污水危害表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)氨氮進(jìn)入水體會消耗水中的氧氣，借助硝化細(xì)菌作用，氨氮被氧化成硝酸鹽，而硝酸鹽會對水中生物的生存環(huán)境造成不利影響。

(2)若污水處理廠用氯氣進(jìn)行消毒，氨氮與氯氣結(jié)合會生成氯胺，接著氯胺被氧化，形成氮氣，則會明顯影響自由氯的消毒效果。

(3)氮化合物會在一定條件下對人體及生物進(jìn)行毒害，魚類對水中的游離氯的濃度十分敏感，其濃度太高，會造成魚類的大量死亡。1mg/L為氯氣對魚類的致死量。

(4)亞硝酸鹽與硝酸鹽若在人體中結(jié)合，會生成亞硝胺，亞硝胺是一種致癌、致畸物質(zhì)，嚴(yán)重威脅人體健康。

3 城鎮(zhèn)污水處理廠氨氮各處理階段的去除機理探討

3.1 城鎮(zhèn)污水處理廠主要氨氮處理方法

3.1.1 空氣吹脫法

這一方法的主要原理為:污水中的NH3和NH4+受到溫度以及pH值的影響，所以存在著化學(xué)平衡，若將溫度和pH值增大，則NH3的比例將會提高，反之比例越小。這一方法的除氨流程為:將污水的pH值調(diào)整至10.5～11.5，用污水泵將污水引至吹脫塔內(nèi)，用硫酸將吹脫的氨氣回收。該法常用CaO或者NaOH來對pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般情況下保持9.0的pH值，則氨氣的吹脫率能達(dá)到90%以上。

3.1.2 折點加氯的方法

污水處理廠在采用這一工藝時主要是向污水中加入足夠多的氯氣，最終將氨氮氧化為氮氣的脫氮方法，折點加氯的方法的化學(xué)反應(yīng)公式為如下:

在圖1中余氯的表示曲線存在A點、B點兩個轉(zhuǎn)折點，A點前的余氯大部分為氯胺，在B點轉(zhuǎn)折后余氯經(jīng)過作用大部分已經(jīng)屬于游離氯，即自由氯。因此，加氯脫氮法添加的氯量須以折點處的對應(yīng)氯量作為標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行嚴(yán)格的控制，但是這一方法的主要缺點在于加入的氯量太大，成本過高，而其在反應(yīng)后留下的余氯，也有二次污染的危險。

圖1 典型加氯圖

3.2 某污水處理廠的氨氮處理機理

3.2.1 某污水處理廠概況

某市現(xiàn)有的污水處理技術(shù)較為先進(jìn)，處理污水的能力較高，該區(qū)某污水處理廠的建設(shè)規(guī)模為55萬m3/d，使用的是A2O污水處理工藝，每日處理污水的均量為25萬t，污水經(jīng)過處理后水體中的氨氮濃度明顯降低，保持在0.1 ～4.0mg/L 的水平(圖2)。

圖2 污水處理廠改良后A/A/O工藝流程

3.2.2 實驗及數(shù)據(jù)分析

以對該污水處理廠的常用工藝的改良流程為基礎(chǔ)，在處理污水過程中的入口、好氧區(qū)、厭氧區(qū)、出口等不同的工序位置布置試驗點進(jìn)行采樣，在整個工序中，好氧區(qū)的主要目的在于去除氨氮，所以應(yīng)在這一區(qū)域設(shè)置密集試驗點進(jìn)行采樣分析。

經(jīng)過監(jiān)測分析，污水處理廠的污水入口位置氨氮量為17 mg/L，預(yù)缺氧之前的氨氮量為14 mg/L，直至厭氧結(jié)束，其氨氮量為9mg/L，在好氧道內(nèi)氨氮濃度有所起伏，但是在出口位置，出口1采集到的氨氮量為0.4 mg/L，而在出口2已經(jīng)只有0.38mg/L。

4 結(jié)果與分析

4.1 生物合成、污泥排除工藝去除氨氮的機理研究

好氧池、厭氧池、缺氧池、缺氧區(qū)是污水中廢棄污泥排除以及生物合成過程的主要場所。由于污水中微生物的內(nèi)源呼吸產(chǎn)生作用，活性污泥含有的氮量會逐漸下降，原因在于活性微生物中的含氮量較之呼吸殘留物較高，污泥泥齡在對污泥產(chǎn)生量的影響下間接影響廢棄污泥中的含氮量。

這一過程中，如果將污水中微生物進(jìn)行內(nèi)源呼吸時產(chǎn)生的殘留物用XP來表示，將活性生物的固體產(chǎn)量用 XB，H表示，則去除氮氣的公式可表為:N生物=0.125 XB，H+0.08XP，該公式中 XB，H的計算方法為:XB，H=BOD5YH/(1+ θCbH)，在這一公式中，泥齡用 θC表示，產(chǎn)率系數(shù)為YH，而異養(yǎng)菌微生物的內(nèi)源衰減的系數(shù)就用bH表示。

養(yǎng)菌微生物進(jìn)行內(nèi)源呼吸時，其形成的內(nèi)源殘留量的計算公式可以表述為 XP=fpbHθCXB，H，其中 fp所代表的意義為微生物不可降解的存在比例，其值為0.2。另外在利用污水處理工藝數(shù)污水中固體污泥進(jìn)行排放時，也可以有效去除部分氮NS，公式為NS=N初沉+N生物。N初沉指污水中初沉的污泥量，在生物固體中去除的含氮量常用NSS/BOD進(jìn)行表示。若異養(yǎng)菌微生物的產(chǎn)率系常小于0.65，那么在同化作用下，去除單位BOD與去除的氮量之間壁紙最大是0.65×0.125=0.081，但是通常泥齡會產(chǎn)生作用使識記的比較小于0.081，舉個例子，如果污水中的泥齡為20d，那么這個比值大概會變成0.018。

根據(jù)以上分析可知，生物合成、同化過程中進(jìn)水去除單位BOD與氨氮的去除量間的比例維持在2%～5%之間。該污水處理廠的沉淀池的含有的氨氮濃度與氨氮出水去除單位BOD分別為30mg/L、120mg/L，這種情況下，生物合成、污泥排除工藝去除氨氮的效率為8% ～20%，相應(yīng)地，在污水處理的二沉池階段，其氨氮濃度大概是24～28mg/L。在活性污泥體系內(nèi)，厭氧消化處理階段中排水若回流到處理污水的工序之內(nèi)，會導(dǎo)致部分的有機氮和氨氮返回污水處理體系，降低最終固體排除的氨氮含量。

另外，在常見的活性污泥處理系統(tǒng)中，處理污水之后的形成的氮的常見形式為氨氮，若該污泥系統(tǒng)中的污泥泥齡較長，則污泥會含有數(shù)量較多的硝化菌，在硝化菌的作用下氨氮可轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮。而活性污泥體系中能夠進(jìn)行生物脫氮或者具有硝化、反硝化作用時，硝化作用會使氨氮變成硝態(tài)氮，反硝化則會使硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2，并得以去除。

4.2 生物硝化過程去除部分氨的機理研究

氧化氨氮進(jìn)而形成硝酸鹽需要利用自養(yǎng)型的兩組好氧微生物在兩個重要步驟中進(jìn)行，而好氧池就是進(jìn)行生物硝化的主要場所。這兩個十分重要的步驟為:首先利用亞硝酸菌把氨氮氣體轉(zhuǎn)換為亞硝酸鹽，接著再利用硝酸菌將已經(jīng)形成的亞硝酸鹽氧化，最后形成硝酸鹽。

氨氮被亞硝酸菌氧化成為硝酸鹽以及亞硝酸鹽利用硝酸菌進(jìn)行氧化作用的總的反應(yīng)公式可以表示為以下形式:通過這一反應(yīng)公式，可以得出一個結(jié)論:將1g的氨氮氧化成為硝酸鹽時，需要損耗4.57g氧以及7.14g堿度。

較之異養(yǎng)的微生物，硝化菌最大的增長速率小了一個數(shù)量級，反過來說，即硝化菌依存的污泥的泥齡相應(yīng)得也應(yīng)大于異養(yǎng)菌一個數(shù)量級。需要明確的是，通常硝化菌飽和常數(shù)較小，而該污水處理廠的污水進(jìn)水濃度中氨氮的濃度通常保持在10～15mg/L，如果能夠保證有泥齡較長的污泥，就能夠讓硝化菌保持穩(wěn)定的生長，這樣在生化池內(nèi)就能夠達(dá)到較高的硝化程度。

4.3 同化過程去除部分氨的機理研究

在污水處理廠中，利用同化作用也可以有效去除氨，其過程主要在厭氧池、好氧池、缺氧池區(qū)域進(jìn)行。在進(jìn)行污水處理的過程中，污水中的部分氨氮會在同化作用中成為微生物的組成部分，從細(xì)胞干重角度計算，微生物中的含氮量大于為12.5%，而微生物會通過內(nèi)源呼吸將部分氨氮以有機氮的形式排入污水之中，另外部分的氨氮則繼續(xù)存在與微生物的細(xì)胞內(nèi)或保留在微生物殘留物之中，微生物存在物污水中的活性污泥內(nèi)，如此氨氮能夠在二次沉淀池中排除活性污泥時，一并將氨氮排除。這一過程用公式表示為N合成=0.125XB，H，在同化作用下排除了氨氮量用 N合成表示，XB，H則代表微生物的固體產(chǎn)量。

5 結(jié)語

在微生物環(huán)境的條件中進(jìn)行硝化作用這一過程主要發(fā)生的主要區(qū)域為缺氧池、厭氧池預(yù)、缺氧區(qū)。在微環(huán)境之中，如果出現(xiàn)攪拌加劇、DO濃度過高等情況，傳遞氧氣的能力得以強化時，活性污泥內(nèi)部所存在的微環(huán)境就會從厭氧轉(zhuǎn)變成好氧，這種情況下，就會有部分氨氮在消化作用之下被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽或者亞硝酸鹽。

該污水處理廠的好氧區(qū)能夠溶解的氧的含量超過了2mg/L，生化池 pH值大約為7.4，而該廠的進(jìn)水荷載能力較強，客觀制造了一個利于硝化作用的環(huán)境。在該污水處理廠的生化池中，部分的氨氮經(jīng)過同化成為了微生物的一部分，如此就會消耗部分氨氮，另外，在微環(huán)境之下，有部分氨氮在消化作用之下被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽或者亞硝酸鹽，又會有部分氨氮被消耗，經(jīng)過以上這些階段氨氮將能被有效去除。

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