氨氮、氨氮、又见氨氮--污水厂实战篇（一）
本来这周应该是活性污泥法里的溶解氧DO的介绍，但是最近频频接到北方各地污水厂的电话，对现阶段出水氨氮超标的情况进行咨询。因为这个公众号的服务对象是污水处理厂，所以临时插进来两篇氨氮超标的问题，同时这个公众号在2017年伊始发这一篇，表明今年开始公众号分为三个板块，一个是污水厂污水知识科普，一个是污水厂的管理知识，一个是污水厂的实战操作（主要会结合各个污水厂的实际进行一个问题的阐述），三个内容会穿插进行。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。项目亚硝酸菌硝酸菌形状椭球或棒状椭球或棒状细胞尺寸/μm1×1.50.5×1.5自养性专性兼性世代期/h8~3612~59需氧性严格好氧严格好氧电镜照片
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。污水厂实战篇的思路是这样的，一般分两篇写完，第一篇写有关实战的问题的原理，第二篇写实战的污水厂实例。为了更加紧凑，第一天发第一篇，第二天发第二篇，这样结合的比较紧密，大家不会相隔太远而对文中内容生疏，欢迎大家持续关注，并提出意见，一起讨论提高。治污者说是以传播污水处理厂运营管理知识，共同提高污水处理的运营管理水平为目标的污水个人运营号，公众号内所有文章文字皆为原创，转发请注明出处，部分图片来源于互联网。公众号升级为原创号，并开通了留言功能，欢迎大家留言发表意见共同讨论。