提高活性污泥性狀改善氨氮去除效果

王建

摘 要：結(jié)合武漢石化污水處理裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，論述了BAF對(duì)氨氮的處理的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)AO工藝和PACT工藝過(guò)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(guò)實(shí)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(guò)調(diào)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(duì)氨氮去除率可以穩(wěn)定達(dá)到90%以上 。

關(guān)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(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB-31570-2015）和《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571-2015）執(zhí)行，對(duì)“廢水、廢氣、固體廢棄物”處理處置提出了更加嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)甚至要求氨氮小于1mg/L。在很多企業(yè)中污水處理場(chǎng)都存在活性污泥法去除氨氮效果不佳，于是很多企業(yè)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(guò)投加大量的生物制劑來(lái)實(shí)現(xiàn)氨氮的降解，外排水質(zhì)明顯得到改善，但系統(tǒng)運(yùn)行成本較高。

中國(guó)石化武漢分公司公用工程部根據(jù)裝置污水水質(zhì)情況“污污分治”，其中第二污水處理場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)AO池去CODCr能力較強(qiáng)，對(duì)氨氮能力較差，甚至倒掛情況，硝化作用建立極不穩(wěn)定，而PACT工藝也經(jīng)歷出水氨氮難去除的過(guò)程。在長(zhǎng)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(yīng)對(duì)措施。

1.污水處理工藝概況

第二污水處理場(chǎng)采用“A/O法+接觸氧化法” 工藝（見(jiàn)圖-1），設(shè)計(jì)處理量400m3/h，實(shí)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(qū)、聚丙烯裝置、常壓污水汽提、聯(lián)合三裝置等裝置的含油污水。

高濃度污水處理場(chǎng)采用“PACT+WAR”工藝（見(jiàn)圖-2），設(shè)計(jì)處理量為200t/h，實(shí)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(huán)水排污水、熱電中和池排污水、罐區(qū)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(gè)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(duì)第二污水處理場(chǎng)污水進(jìn)一步提標(biāo)，因進(jìn)水總氮較低，設(shè)計(jì)流程為“BAF+臭氧催化氧化”確保CODCr、氨氮達(dá)標(biāo)；含鹽系列對(duì)高濃度污水處理場(chǎng)污水進(jìn)一步提標(biāo)，因高濃度污水處理場(chǎng)無(wú)缺氧反硝化流程，設(shè)計(jì)流程為“反硝化+BAF+臭氧催化氧化”。

2. 硝化作用原理及運(yùn)行狀況分析

2.1 硝化階段機(jī)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(wú)機(jī)化合物如CO32-，HCO3-，CO2等作為碳源，從NH4+或NO2-的氧化反應(yīng)中獲得能量，氧化為NO2-的產(chǎn)生的能量約為242.8-351.7kj/mol，氧化為NO3-產(chǎn)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(yǎng)好氧型微生物通過(guò)兩個(gè)過(guò)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(guò)程見(jiàn)圖-3和圖-4。

硝化反應(yīng)公式：

2NH4++3O2→NO2-+2H2O+4H+

2NO2·+O2→NO3-

硝化菌主要特點(diǎn)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(yǎng)型細(xì)菌，利用硝化反應(yīng)放出的能量進(jìn)行細(xì)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(jì)），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(guò)程細(xì)胞產(chǎn)率很低，增殖速率較異養(yǎng)菌低10倍，敏感性強(qiáng) ，BOD5過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其他異養(yǎng)型細(xì)菌大量繁殖，硝化菌將無(wú)法優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，一般BOD5/TKN大于5；

5、污泥齡。為了保證好氧系統(tǒng)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(zhǎng)速率和活性，最佳30-35℃（15 ℃以下需延長(zhǎng)泥齡，低于 5 ℃完全停止）；

7、硝化反應(yīng)速率取決于氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮的反應(yīng)速率，不會(huì)出現(xiàn)亞硝酸根的積累。

2.2 運(yùn)行狀況介紹

通過(guò)調(diào)查兩套污水處理場(chǎng)及深度處理裝置運(yùn)行情況，對(duì)低含鹽和高含鹽兩種不同水質(zhì)的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表-1和表-2。

兩套污水處理場(chǎng)在日常運(yùn)行中存在的問(wèn)題：（1）由于二段PACT進(jìn)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(zhǎng)期控制在6mg/L以上，污泥處于過(guò)氧化狀態(tài)。（2）AO池污泥沉降性能差，SVI長(zhǎng)期大于400，二沉池出水發(fā)黃，出水長(zhǎng)期夾帶細(xì)小顆粒，通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)有典型的絲狀菌膨脹和污泥老化的特征[1]。

通過(guò)表-1和表-2數(shù)據(jù)可以看出，2019年9月份兩套污水處理場(chǎng)AO池及PACT出水COD均小于60 mg/L，去除率分別達(dá)到了89.9%和89.4%。然而AO池和PACT均無(wú)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(dá)到了98.4%和96.7%。

其中PACT二段生化進(jìn)水BOD5 <10 mg/L，B/C小于0.2的情況下，仍無(wú)明顯硝化作用，對(duì)比深度處理BAF卻有高效、穩(wěn)定的硝化反應(yīng)，結(jié)合AO池及接觸氧化池出水?dāng)?shù)據(jù)可以得出結(jié)論：工藝控制參數(shù)（參見(jiàn)表-3）在滿足硝化作用的條件下，高含鹽及其他水質(zhì)環(huán)境并非是造成兩套污水處理場(chǎng)生化系統(tǒng)無(wú)硝化作用的因素。

2.3 污泥性狀對(duì)硝化作用的影響

通過(guò)對(duì)不同工藝硝化菌生存環(huán)境的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，AO工藝及PACT工藝都是通過(guò)附著在活性污泥菌膠團(tuán)表面的硝化菌產(chǎn)生硝化作用從而達(dá)到去除氨氮的效果，接觸氧化池及曝氣生物濾池（BAF）時(shí)通過(guò)附著在填料上硝化菌產(chǎn)生硝化作用。在相同的水質(zhì)條件下，硝化反應(yīng)的強(qiáng)弱往往決定于硝化菌數(shù)量的多少?？梢钥闯?，曝氣生物濾池（BAF）硝化菌生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于二段PACT，或者二段PACT出現(xiàn)了抑制硝化菌生長(zhǎng)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(duì)硝化菌的生理特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

硝化菌粒徑僅為1μm，對(duì)固體表面有一定的附著能力，具有附著在固體表面生長(zhǎng)的習(xí)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(jìn)行硝化作用的，必須附著在固體表面安定下來(lái)后才能進(jìn)行，遷移過(guò)程中需要消耗大量能量，因此硝化菌通常不樂(lè)意作主動(dòng)的遷移運(yùn)動(dòng)。硝化菌仍可能在以下情況作主動(dòng)性遷移：（1）環(huán)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(huán)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(zhǎng)，，當(dāng)活性污泥系統(tǒng)BOD5負(fù)荷很低，硝化菌相較于異養(yǎng)菌是優(yōu)勢(shì)菌。但生化池長(zhǎng)期處于過(guò)渡延時(shí)曝氣，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)耗盡時(shí)，異養(yǎng)菌多呈衰退型由穩(wěn)定期進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，此時(shí)不僅細(xì)胞內(nèi)含物被消耗和降解，而且細(xì)胞間粘性物質(zhì)（莢膜）也會(huì)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(xì)微化，大量細(xì)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(shí)際中常將活性污泥控制住穩(wěn)定期末期和衰退期初期，這樣硝化菌也能穩(wěn)定的生長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)硝化菌特性，結(jié)合AO池和PACT運(yùn)行情況進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)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(guò)以上分析，兩套污水處理場(chǎng)分別采取了以下應(yīng)對(duì)措施：

1.針對(duì)AO池絲狀菌膨脹，通過(guò)向AO池投加氫氧化鈉，PH控制到9.5-10，對(duì)進(jìn)行殺滅和抑制絲狀菌的生長(zhǎng)。當(dāng)絲狀菌鏡檢發(fā)現(xiàn)不占優(yōu)勢(shì)后，停止強(qiáng)氧化鈉的投加，PH恢復(fù)至7-8促進(jìn)生化系統(tǒng)的恢復(fù)；

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(duì)二段PACT進(jìn)水負(fù)荷低，污泥長(zhǎng)期過(guò)氧化的情況，選擇適合的PAM進(jìn)行連續(xù)投加，并適量從一段PACT補(bǔ)充性能好的污泥有利于提高污泥的絮凝性能，將細(xì)小污泥再次絮凝提高沉降性能，防止硝化菌的流失。

4、結(jié)果與討論

（1） 投加氫氧化鈉對(duì)生化系統(tǒng)的影響

氫氧化鈉投加采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的氫氧化鈉溶液，小量連續(xù)性投加，計(jì)量泵設(shè)置投加量約0.5t/h，PH控制9-10之間，防止對(duì)生化系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，影響出水水質(zhì)。投加過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)絲狀菌逐步減少，約3周的時(shí)間后鏡檢發(fā)現(xiàn)活性污泥無(wú)明顯絲狀菌存在，于是暫停氫氧化鈉的投加，PH逐步恢復(fù)至7-8之間，期間二沉池出水CODCr并未受到影響。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jī)物的能力高于菌膠團(tuán)，對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行有較好的耐受能力，所以長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)活性污泥菌膠團(tuán)是不利的，特別是因?yàn)榈拓?fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致活性污泥發(fā)生老化的時(shí)候。適當(dāng)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(jìn)而保證生化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定[3]。經(jīng)過(guò)對(duì)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(chǎng)二段PACT由于進(jìn)水可生化性差，生化池中活性污泥處于內(nèi)源呼吸期，活性污泥大量老化分解，硝化菌大量流失。通過(guò)從一段生化補(bǔ)充污泥維持一定污泥濃度的前提下，投加陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，減少污泥的流失。措施實(shí)施后效果明顯，二段澄清池出水SS明顯減少，一周內(nèi)氨氮也逐步下降。

經(jīng)過(guò)上述處理措施后，含油含鹽兩套污水處理系統(tǒng)氨氮去除能力逐步提高至95%以上，出水氨氮質(zhì)量濃度趨勢(shì)圖見(jiàn)圖-6和圖-7 。

5、結(jié)論

生化系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及多個(gè)控制參數(shù)，這些參數(shù)恰恰是相互關(guān)聯(lián)的。由于硝化菌增殖速率低，敏感性強(qiáng)，裝置源頭污水存在難監(jiān)測(cè)，管理難度大的問(wèn)題，造成硝化作用難建立和難穩(wěn)定的現(xiàn)狀。對(duì)活性污泥性狀的觀察和分析，有助發(fā)現(xiàn)硝化作用難建立的原因。食微比過(guò)低，正常菌膠團(tuán)環(huán)境受到抑制，污泥的老化分解和絲狀菌膨脹，放流出水就會(huì)出現(xiàn)夾帶細(xì)小顆粒的情況，加劇硝化菌的流失。根據(jù)生產(chǎn)情況，適當(dāng)提高食微比，并投加絮凝劑加以輔助，在進(jìn)水水質(zhì)正常平穩(wěn)的情況下，硝化作用能較快的建立和恢復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

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

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