实战：氨氮超标那些事
每年的11月到次年的1月份是寒冬季节，北方的污水厂都在不同程度的面临着低温运行的问题，运营人员比较头疼的问题有很多，但是很直接的反应到环保部门的，应该是出水氨氮超标的情况。当水温下降到12摄氏度以下后，出水在线的氨氮超标成为大多数北方污水处理厂在寒冬季节最为头疼的问题之一。这个在北方是有季节性的共性问题，但是也带有一些各个水厂里面的个性问题，这次就结合几个运行的水厂聊聊污水厂的氨氮问题。由于市政污水厂绝大部分采用的是活性污泥的生物处理法，我们来看看在市政污水厂中生物脱氮的基本原理，脱氮过程一般包括氨化、硝化和反硝化三个过程。
① 氨化：污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；
② 硝化：污水中的氨氮在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO2- 和NO3-的过程；
③ 反硝化：污水中的NO2-和NO3-在缺氧条件下在反硝化菌（兼性异养型细菌）的作用下被还原为N2的过程。
从原理上看，污水厂的整个生物脱氮分为三步，结合现阶段的环保部门对市政污水处理厂主要进行的监管是COD和氨氮，因此我们现阶段第一步和第二步是比较关注的。
先看第一步的氨化作用，污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被好氧或厌氧异养型微生物氧化分解为氨氮的过程；氨化其实就是把污水中高分子的含氮有机物(例如蛋白质、尿素等)转化成氨氮的反应。在早期传统的工艺，由于没有设计脱氮工艺，会检测出氨氮的倒挂现象，出水的氨氮比进水大氨氮还要高，这也是其中一个原因。在整个污水处理中，这一步不是我们今天主要讨论的，因为我们需要的是降低出水氨氮，不是提高氨氮。
我们来看第二步的硝化反应：污水中的氨氮在硝化菌（好氧自养型微生物）的作用下被转化为NO2-和NO3-的过程。它包括两个基本反应步骤，第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺旋杆菌属和亚硝化球菌属等。第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝化反应，硝酸菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属等。
亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，均是化能自养菌。这类菌利用无机碳化合物如CO2、CO32-、HCO3-等作为碳源，通过与NH3、NH4+、NO2的氧化反应来获得能量。
了解了硝化菌的作用以后，我们就明白，污水厂的氨氮去除其实主要就是来源于这两种微生物，这两种细菌在活性污泥中，对污水中的氨氮进行硝化，所以我们出水氨氮的升高，绝大部分原因就是这两种细菌没有很好的工作的原因。而污水厂的微生物管理理念，其实就是为了微生物提供更适宜的环境条件，使微生物充分发挥其作用，那么去除氨氮就是让这两种细菌高效的工作，那么我们就来细致的了解下这两种微生物的进行硝化反应的环境条件吧。
亚硝化菌和硝化菌硝化反应所需要的环境条件，两种硝化菌对环境的变化都很敏感，要求较苛刻，主要如下：
1．有机碳源
硝化菌是自养型细菌，如果污水中的碳源-BOD浓度过高，就会使增殖速度较高的异养型细菌迅速繁殖，从而使自养型的硝化菌得不到优势而不能成为优占种属，严重影响硝化反应的进行。因此应保持污水厂的低有机负荷，也就是高浓度的进水一定要对应高浓度的污泥浓度，在生物反应池内保持一个低的有机负荷从而有利于硝化菌的生长繁殖，达到处理氨氮的效果。
2．污泥龄
污泥龄是保证微生物在污水处理系统中的停留时间，即系统的污泥龄应大于硝化菌的最小世代时间，实际运行中，一般应取系统的污泥龄为硝化菌最小世代时间的三倍以上，不小于 3~5d，一般污水厂为了保证硝化反应的充分进行，污泥龄应大于 10d。
3．溶解氧
硝化反应过程中的第一步和第二步都是有氧参与的，所以污水厂的生物反应池内溶解氧的高低必将影响硝化的进程。有关研究表明，当DO＜2mg/L，氨氮有可能完全硝化，但需要过长的污泥龄，因此，反应池内的硝化反应的溶解氧浓度≥2mg/L。
4．温度
温度不但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。硝化反应的适宜温度范围是20~30℃。在10~30℃的范围内，温度的每升高10℃硝化的反应速率加快一倍。但达到30℃时增加幅度减少。当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。
5．pH值
硝化菌对pH值的变化非常敏感，最佳pH值范围内为7.5~8.5，当 pH值低于7时，硝化速率明显降低，低于6和高于9.6时,硝化反应将停止进行。
7．有害物质
对硝化反应产生抑制作用的有害物质主要有重金属，高浓度的NH4+-N、NOX--N络合阳离子和某些有机物。一般情况下，有毒物质主要抑制亚硝酸菌的生长，个别物质主要抑制硝酸菌的生长。
这是单独分开对硝化反应的各个影响条件进行阐述的，但污水厂的实际中，往往是各种因素相互交织在一起的，比如说对于同时去除有机物和进行硝化反硝化的工艺，硝化菌约占活性污泥的5%左右，大部分硝化菌将处于生物絮体的内部。在这种情况下，溶解氧浓度的增加将会提高溶解氧对生物絮体的穿透力，从而提高硝化反应速率。因此，在污泥龄短时，由于含碳有机物氧化速率的增加，致使耗氧速率增加，减少了溶解氧对生物絮体的穿透力，进而降低了硝化反应速率；相反，在污泥龄长的情况下，耗氧速率较低，即使溶解氧浓度不高，也可保证溶解氧对生物絮体的穿透作用，从而维持较高的硝化反应速率。所以，当污泥龄降低时，为维持较高的硝化速率，则相应地提高溶解氧的浓度。
而北方冬季存在的问题更为复杂，北方的污水到了冬季由于居民用水习惯问题，冬季污水的各项浓度指标会增加，有机负荷增加，利于异养型的微生物生长，同时进水水温开始下降，部分地区下降到10℃，，基本达到硝化菌活跃的最低温度，同时由于冬季是北方活性污泥膨胀和泡沫的多发期，污水厂往往会控制污泥浓度，降低了污泥龄。这样的情况，对硝化菌的硝化环境造成了很大的破环，因此冬季的北方污水处理厂的氨氮处理往往会出现各种各样的问题，最终导致出水氨氮超标。
了解了硝化反应的微生物机理和环境条件以后，我们来结合近期的几个污水厂的氨氮去除情况具体分析一下。
A 、LL污水处理厂。LL污水处理厂的工艺是A2O+MBR工艺，设计进水量为20000吨/日，实际进水量为7000吨/日之间。在之前的处理效果一直很好，出水的Cod在15mg/L上下，氨氮在1mg/L上下。2016年1月份外管网接入新的污水源，水量增加到12000吨/日左右，出水氨氮很快超标，最高能达到20mg/L。经过到厂里实地观察，
（A2O池）
分析的超标原因有：
一、主要原因是由于污水干管的接入，入流水量增加，有机负荷提高。
二、对于污水量增大后的工艺调整不及时，曝气量和污泥浓度没有相应提高。三、冬季气温较低，微生物的活性较差，使氨氮超标。
四、现场A2O缺氧池内有部分推进器停用，造成活性污泥处理效果下降。
主要做的调整是：
一、有针对性的增加曝气风量。全天的气水比控制在9.88，可满足新增污水的氨氮硝化反应所需气量。
二、注意控制A2O池内的污泥浓度。调整污泥浓度为6000mg/L左右，回流污泥浓度为6800mg/L左右。重新确定污泥浓度的最佳值。
三、对现场设备进行检修恢复正常运行。
（MBR池）
通过这些工作，氨氮很快恢复到达标出水的情况。LL水厂的主体工艺的可靠性还是很强，因为有MBR作为保障，它的出水超标原因主要是因为进水水量增加，厂内的工艺参数没有及时调整。从反应机理来说在LL水厂的应用就是硝化反应的好氧条件的保障，进水量增大，有机负荷增加，异养型菌种的环境转好，大量消耗氧气，硝化菌的好氧条件无法保障，造成氨氮超标。
污水的生物处理一定是水、气、泥的三者的一个动态平衡，当任何一个参数发生改变的时候，一定要及时采取措施保证其他两个参数及时配合，这样才能保证整个出水的稳定达标。因此通过调高气水比，增加污泥浓度，保证了氨氮的处理。从机理得到原因，就能够控制到最后的出水达标。
Ｂ、运行较好的WH污水厂。WW污水处理厂是卡鲁塞尔２０００型氧化沟工艺，设计进水量为６００００吨／日，实际进水量在４００００吨／日上下，２０１４年做了三沟运行的工艺调整以后，２０１５年至今一直保持了稳定的运行。氨氮指标偶有超标，但都在可控范围内。
（卡鲁赛尔2000型氧化沟）
在2015年对WH厂的全年分析可以得出，氨氮的超标主要有两种原因：一是与氧化沟的工艺调整有关，排泥不及时，表曝机损坏造成溶解氧供给不充足是造成超标的主要原因。二是进水水质中突然升高的情况，在年度分析中，可以看到在周末期间由于居民饮食习惯，造成进水中的有机污染物质高升，造成有机负荷增加，工艺调整无法实时跟进，造成处理出水的氨氮超标。这些超标的偶然因素高，大部分通过调整表曝机运行频率，减少排泥，延长污泥龄等措施，就能及时恢复。
WH厂从总体来说，高浓度的进水氨氮，出水氨氮能够稳定达标，分析原因有:一个是停留时间长，现阶段进水40000吨/日，池体容积为60000吨/日，停留时间增加1.5倍，利于长泥龄的微生物存活反应，污泥龄长，有机负荷低，适合硝化菌生存。二是溶解氧充足，三沟运行，六台表曝机运行提供了充足的溶解氧，因此氨氮的处理效果一直稳定。
C、LSQ污水处理厂。LSQ污水处理厂是2015年进行的生物膜改造成活性污泥的A2O工艺的一个污水处理厂，改造部分处理水量在10000吨/日。LSQ污水处理厂原有的土建结构为是地下式的污水处理厂，因此造成了改造工程中的很多问题，在冬季的运行中，改造部分的出水氨氮一直保持了稳定在2~3mg/L以下的水质，进水在40mg/L左右。LSQ厂的污泥浓度在2~3g/L之间，溶解氧很高，出口的溶解氧能达到3~4mg/L之间。分析LSQ厂氨氮稳定的原因，主要是保证了充足的溶解氧，另外地下式的构造，也保证了冬季的水温稳定在12℃以上，受气温变化影响较少，从而保证了氨氮的稳定处理。
（地下式A2O池）
D、LS污水处理厂。LS污水处理厂在某年5月份进行了大修维护改造，从7月下旬开始培养活性污泥，出水水质在活性污泥稳定以后达标。但经过雨季后，出水水质开始有变化。LS水厂设计为10000吨/日的处理规模，实际进水量在7000吨/日之间，LS厂的主要运行难点有两个，一个是雨污不分流导致夏季雨水稀释过大，进水的碳源远远不足，二是厌、缺氧区设计的过于大，停留时间太长，导致进入到好氧阶段的污水中的碳源急剧下降，不能满足异养型细菌的生存，导致活性污泥老化解体，造成膨胀和污泥泡沫问题凸显。
由于上述原因，LS水厂在季节交替期间容易发生活性污泥的生物泡沫情况。进水的碳源不足，如果依靠高溶解氧，低污泥负荷，长污泥龄来控制出水的氨氮和总氮，造成污泥老化和SV较高的现象也是正常，但是容易诱发生物泡沫的池体表面堆积。要保证出水氨氮、总氮达标，要保持高的浓度，可能池体表面就不会好看，要好看，氨氮就会超，这就是北方中小型污水厂冬季的最大问题。LS厂有典型的北方小城镇的污水厂特性，C源不足，设计不完善，可调设备较少。因此LS厂的工艺操作一般比较保守，主要通过排泥的周期和排泥量来调控。气温的回升对水厂出水氨氮的影响很大。
（A2O池）
在冬季期间，LS厂曝气池内水温逐步下降到12℃左右，氨氮出水迅速超标到20mg/L。主要通过逐步增大活性污泥浓度，延长污泥龄，污泥浓度由原来的2g/L提高到4g/L左右，促进硝化菌的生长来控制氨氮，同时间断性的增加曝气风机的开启台数，由原来的一台37KW的罗茨鼓风机24小时运行改为一台24小时运行，另一台夜间10点到第二天10点运行12小时，通过增加运行鼓风机台数，增加了曝气池内的曝气量40000m3/日，保证了冬季低温下的硝化菌耗氧量。在调整后4~5天后，出水氨氮从20mg/L下降到10mg/L，并有持续下降的趋势。
以上就是四个污水厂的氨氮控制的一些简单的介绍，这四个污水厂都在北方地区，冬季期间，水温最低可达到8~9℃，从几个污水厂的工艺运行控制来看，夏天同样的工艺和条件，在冬季就要进行改变，才能保证出水达标。这是因为我们上篇讲到了硝化菌的适宜温度为25~30℃，冬季水温下降，硝化菌的活性受到极大的抑制，在低温情况下，我们还是希望硝化菌能够发挥其作用，那么我们就人为的改变硝化菌的生存环境，比如提高浓度，就意味着增加了硝化菌的数量。硝化菌个体的处理能力下降，但是我们可以增加它们的数量，通过数量的提高弥补个体能力下降。而增加曝气量可以提供更多的氧气给硝化菌的硝化反应，虽然硝化菌不再活跃，但是更丰富的氧气环境，可以打破原来的化学平衡，促进它的反应向右进行，还有就是采用底曝的生物反应池，鼓风机在冬季的出风温度可以达到50~60℃，对水温也起到一个升温的作用，也有利于硝化菌的硝化反应。
但是我们也要注意，在冬季北方污水厂受到污泥膨胀和污泥泡沫的影响很大，污泥龄的提高会对丝状菌及诺卡式菌提供适宜的环境，这样就会导致丝状菌和硝化菌同时得到适宜的环境，因此冬季的工艺管理也同样需要对膨胀和泡沫进行关注。冬季工艺调整需要逐步稳妥进行，如果发现了污泥膨胀迹象，要及时进行排泥等方式进行控制，冬季的工艺管控其实更是平衡的把控。
污水厂的实战操作往往受到污水厂的各种实地情况的制约，造成很多调整需要进行现场的权衡来进行决定工艺操作。所以工艺的调整一定要明确调整的原理和调整的目标，在调整过程中，对改变的环境因素进行监控，保障我们工艺调整的目标达到。
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