低溫氨氮減排技術的中試試驗

周維奇，張 鑫，周新宇，馬 艷

(上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

根據上海市《關于本市“十二五”期間城鎮污水處理廠執行標準有關要求的通知》(滬環保總〔2013〕11 號)的規定，所屬位于本市準水源保護區外、現執行二級標準的城鎮污水處理廠，到2015 年底以前分批執行一級B 標準，位于準水源保護區內的城鎮污水處理廠執行一級A 標準。根據上海某污水廠提供的2012 年全年～2013 年11 月的出水水質數據，污水廠的提標改造難點主要集中在冬季低溫條件下12 月～次年3 月，出水平均氨氮高于一級B 標準的最高允許排放濃度(15 mg /L，水溫＜12 ℃時)，平均去除率不足50%［1］。

污水水溫降至15 ℃左右時，低溫對活性污泥硝化反硝化性能的抑制作用開始逐漸增強，并影響出水水質［2，3］。針對冬季低溫條件，研究人員采用了多種辦法克服不利影響，比如增加停留時間、加大曝氣、提高污泥濃度、控制泥齡15 ～20 d［4-7］等。此外，還有投加填料、投加優勢低溫硝化菌種［8］、改良A /A/O 工藝［9］等手段。這些方案對企業實際運行有一定的指導意見，但不見得都具備可行性或經濟性。本課題研究的目的是找出本地區冬季硝化效果差的首要因素，并提出適合此廠水質和工藝特征的應對方案。

1 中試試驗

1.1 試驗裝置

裝置主體為不銹鋼材料制作，處理規模為100 t/d，由集水井、初沉池、合建式生化反應池、二沉池組成。合建式生化反應池水力停留時間(HRT)共12 h，其中厭氧段、缺氧段、好氧段HRT 分別為1.4、2.6、8 h。進水、混合液回流、污泥回流均由無堵塞排污泵進行控制，流量采用EM5000 型電磁流量計精確計量。缺氧區和好氧區由攪拌泵使混合液攪拌均勻，好氧池底部設有橡膠膜微孔曝氣管，并由羅茨風機供氣。

1.2 試驗方案

試驗進行時間為2013 年12 月～2014 年4 月，是全年氣溫最低的幾個月，主要考察水溫、pH、HRT、溶解氧對出水氨氮影響［10］。水溫和pH 通過每日實際測量，分別選取了3 組HRT 和3 組溶解氧(DO)做獨立試驗，用來考察HRT 和DO 對出水氨氮的影響，每個工況連續不間斷運行15 d。

在控制污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比為200%，污泥回流比為100%的條件下，調節進水流量來控制總HRT。三種工況的HRT 設定值如表1 所示

表1 3 種工況下，HRT 的設定值Tab.1 Set Value of HRT under 3 Kinds of Operating Conditions

在控制總HRT 為12 h，好氧段HRT 為8 h，污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比為200%，污泥回流比為100%的條件下，調節曝氣量大小，控制好氧段的DO。由于曝氣不均勻及生物量的變化，難以控制DO 為一個恒定值。由表2 可知工況4、5、6 的好氧 段DO 的平均值 為0. 9、2. 7、4.3 mg/L。

表2 3 種工況下，DO 的平均值Tab.2 Average Value of DO under 3 Kinds of Operating Conditions

1.3 測試方法與進水水質

試驗進水取自廠區沉砂池出水，水質情況如圖1 所示。試驗現場測試指標有pH、DO、水溫。pH 的測定點包括集水井、厭氧段、缺氧段、好氧段4 個點;DO 測定范圍包括曝氣池好氧末端在內的4 個不同測試點、厭氧段和缺氧段，以保證DO 在設定范圍內;水溫為曝氣池水溫。每天早中晚各時間段測試1 次，并記錄。實驗室測試指標有COD、BOD、NH3-N、TN、MLSS 和MLVSS，均采用國家標準方法分析測定。

圖1 進水水質圖Fig.1 Quality of Influent

由圖1 可知進水COD 變化幅度為250 ～350 mg/L、BOD 在100 ～150 mg /L 之間波動，氨氮、總氮變化幅度較少，平均值分別為24.5 和30.8 mg/L。BOD/COD 平均值為0.45，BOD/TN 平均值為4.05，由此可知該進水屬于低碳源水質。

2 結果與討論

2.1 水溫與pH 變化規律

根據實測結果，將每天的數據取平均值，得到水溫和pH 的變化規律，如圖2 所示。

圖2 2014 年1 ～3 月份水溫、進水pH 變化圖Fig.2 Changes of Temperature and pH of Influent from January to March in 2014

由圖2 可知1 ～3 月份期間，試驗基地生化池內水溫穩定，維持在11. 0 ～15. 5 ℃，每天早中晚變化幅度的差異不超過1 ℃。同一時期，氣溫變化幅度較大，1 月和2 月的平均最高溫度為10 ℃，平均最低溫度只有3 ℃，水溫比氣溫高約5 ℃。硝化反應被認為是所有生化反應中對溫度最為敏感的一步［11］，氨氧化細菌的比增長速率(μ)會隨水溫的降低而下降，不同的研究者得出了不同的公式，其中美國EPA 給出的方程是μ =0.47 × e0.09(T-15)，Barnard［12］給出的方程是μ = 0.33 × 1.27(T-15)。根據Head 等［13］的研究，當水溫突然下降20 ℃時，硝化反應依然可以繼續，水溫從30、25、20 ℃冷卻到10 ℃，硝化反應速率平均下降了82%、71%和58%。當水溫突然降低10 ℃時，硝化反應速率會比逐步下降10 ℃多下降20%。在曝氣池內，水溫在最極端的天氣下，不至于會下降到10 ℃之下，相對穩定的水溫對硝化菌的生化作用提供了保障基礎。在此期間，進水pH 維持在7.0 ～7.5。混合液pH 從厭氧池到缺氧池，最后到好氧末端，pH 的平均值為7.35→7.15→6.99，有小幅度的下降，但均不會對硝化作用造成較大的影響。

3.3.4 泛素化 泛素化是一種影響PTEN降解和核-質轉移的翻譯后調控機制。PTEN的C端尾部和C2結構域相互作用形成具有泛素化位點(Lys289)的環。PTEN可被表達泛素連接酶NEDD4-1的神經前體細胞泛素化。PTEN的多聚泛素化可使蛋白質穩定性降低，進而通過蛋白酶介導的衰變機制引起PTEN的降解，從而對PI3K/Akt通路的負調控減弱，細胞周期加速，細胞生長繁殖增快，促進腫瘤發生。而Lys13和Lys289上PTEN的單泛素化則促進PTEN的核轉移，引起其在核內的積累[14]。

2.2 HRT 對出水水質的變化規律

圖3 為HRT 與出水氨氮的關系，圖4 為HRT與出水總氮的關系。

由圖3 和圖4 可知隨著HRT 的增加，出水氨氮、總氮濃度均有一定程度的下降。當HRT 為10 h時，出水氨氮、總氮的平均值分別為6. 8 和15.6 mg/L，去除率分別為71.7%和50.9%;當HRT為12 h 時，出水氨氮、總氮的平均值為5. 2 和12.9 mg/ L，去除率分別為79. 5% 和56. 6%;當HRT 為14 h 時，出水氨氮、總氮的平均值為4.1 和12.6 mg/L，去除率分別為83.2%和60.1%。

增加HRT 目的是為了增加硝化反應的時間，在上述工況條件下，增加4 h 的HRT，出水氨氮和總氮值只降低了2.7 和3.0 mg/L，可以推斷出如果繼續增加HRT，出水氨氮和總氮只會緩慢下降，減排的效果不是十分明顯。

圖3 HRT 與出水氨氮的關系圖Fig.3 Relationship between HRT and NH4-N + of Effluent

圖4 HRT 與出水總氮的關系圖。Fig.4 Relationship between HRT and TN of Effluent

2.3 DO 對出水水質的變化規律

圖5 為DO 與出水氨氮的關系，圖6 為DO 與出水總氮的關系。

圖5 DO 與出水氨氮的關系圖Fig.5 Relationship between DO and NH4-N + of Effluent

圖6 DO 與出水總氮的關系圖Fig.6 Relationship between DO and TN of Effluent

由圖5 和圖6 可知隨著DO 的提高，出水氨氮、總氮均有較明顯降低。當DO 為0.9 mg/L 時，出水氨氮、總氮的平均值分別為16.5 和23.3 mg /L，去除率分別為34.8%和28.2%;當DO 為2.7 mg /L時，出水氨氮、總氮的平均值為5.2 和12.9 mg /L，去除率分別為79.5%和56.6%;當DO 為4.3 mg/L時，出水氨氮、總氮的平均值為0.8 和8.2 mg /L，去除率分別為96.6% 和72.3%;當水溫為11 ～15.5 ℃時，通過提高DO，氨氮去除率可以較明顯提高，氨氮指標可以達到一級A 的排放標準。氨氧化細菌與亞硝酸氧化細菌都屬于自養微生物，由于氨氧化細菌與亞硝酸氧化細菌都是利用單一生長基質生長的微生物，兩種微生物的反應動力學接近于Monod 關系的基本條件，由于兩類生化反應產生的能量不盡相同，一般而言，硝化反應中的速度限制步驟是亞硝酸菌屬將NH3-N 氧化成NO-2 -N 的過程［14，15］。亞硝酸菌的增殖與底物去除的動力學可以用Monod 方程表示，如式(1)所示。

其中μ—亞硝酸菌的比增長速率，d-1;

KN—亞硝酸菌氧化氨氮的飽和常數，范圍是0.15 ～2.0 mg /L;

SNH3— 氨氮的濃度，mg /L。

羅飛航［16，17］的模擬結果表明硝化反應過程中，溫度的靈敏度最大、DO 次之、堿度靈敏度相對最小。在冬季水溫相對恒定的情形下，DO 也是一個不可忽視的因子，提高DO 可以加快微生物硝化反應速率。另外，運行過程中，在較低DO 的情形下，二沉池內絮狀懸浮物增多，出水水質濁度變差，容易發生污泥膨脹，有發生SVI 超過200 的情況。氨氮削減率由0.9 減少到0.3 mg/VSS·h。

3 低溫脫氮的措施分析

常規生物脫氮處理法對水溫在12 ℃以上的污水往往有較好的硝化效果，面對冬季低溫(12 ±2℃)條件下，城鎮污水廠往往按照經驗，通過降低污泥負荷，延長污泥齡，增加HRT、提高DO 等方式來提高硝化反應，在這些方法中，選擇出合適的方法并不是一件容易的事情。根據中試的情況，并結合污水處理廠的實際運行情況，針對各種可能的情形進行逐一分析，以便得出更優的處理辦法，具體如表3 所示。

表3 中試運行參數與廠實際運營對比表Tab.3 Comparison of Parameters between Pilot Test and Practical Operation

由兩者相比較可知，污水處理廠實際運行參數部分優于中試，廠區污泥濃度高于中試基地，其他參數大體一致，唯有DO 一項指標，未有準確參數，廠區實際情況是曝氣池末端DO ＞2 mg /L，部分監測段DO ＞2 mg /L，當初設計是按照污水處理廠出水二級排放標準，氣水比為4.5，可見有可能存在曝氣不均導致實際曝氣量不夠的問題。廠內目前采取提高污泥濃度，冬季低溫下污泥濃度平均為3.5 g /L，HRT 增加至13 小時，但均未取得良好的效果，氨氮出水去除率不到50%，出水濃度為12 ～15 mg /L。另外，還嘗試投加硝化菌、投加填料等手段，但因成本問題，未能有效實施。結合該廠生產運行情況或可能的提標改造工程，在提高污泥濃度、增加HRT和提高曝氣量等多種措施中，可能的最優方案是提高曝氣量。

4 結論

根據在廠區日處理量100 t/d 的中試基地運行情況，提出影響低溫條件下脫氮工藝的因子和優化控制措施。

(1)2014 年1 ～3 月，中試基地內水溫變化范圍是11.0 ～15.5 ℃，且水溫早晚溫差變化較小，在曝氣充足的情況下，未見氨氮出水超標現象，均小于8 mg/L。進水pH 維持在7.0 ～7.5，不太低的溫度為生物脫氮提供了良好的基礎環境。

(2)HRT 從10 增加到14 h，出水氨氮和總氮平均下降了2.7 和3.0 mg/L，減排效果并不明顯。

(3)當水溫為11.0 ～15.5 ℃時，通過提高DO，氨氮去除率可以提高，氨氮指標可以達到一級A 的排放標準，如果當DO 低于1 mg /L 時，會嚴重影響出水氨氮。

為實現上海“十二五”城鎮污水處理廠脫氮減排的目標，出水氨氮指標達到GB 18918—2002 的一級B 標準，污泥負荷宜采用0.10 ～0.14 kg BOD5/kg MLSS·d，生物池的泥齡可采用15 ～20 d，HRT 為12 h，污泥濃度為2.0 ～3.0 g /L，曝氣池DO 控制在2 mg /L 以上，內回流為200%，外回流為100%，關鍵是從設計上或將來的提標改造中，提高氣水比，另外在實際運行過程中，加強對曝氣池DO 的整體監測。

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