城鎮(zhèn)污水處理廠污水脫氮的生物強(qiáng)化技術(shù)研究

汪 琳

（上饒市玉山生態(tài)環(huán)境局，江西 上饒）

引言

我國污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中要求COD（化學(xué)需氧量）和NH4+-N（氨態(tài)氮）一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)為50 mg/L 和5（8）mg/L，一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn)為60 mg/L 和8（15）mg/L。但該標(biāo)準(zhǔn)仍超過自然水域環(huán)境中的自主凈化能力，長時(shí)間排放下，區(qū)域水環(huán)境TN（總氮）＞0.2 mg/L、TP（總磷）＞0.02 mg/L 的情況下，該區(qū)域水體呈現(xiàn)為富營養(yǎng)化[1-3]。

基于此，為降低污水排放對(duì)環(huán)境帶來的影響，需要進(jìn)一步升級(jí)污水處理技術(shù)[4]。AAO 技術(shù)作為我國污水處理廠中常見的工藝技術(shù)，在尚未實(shí)現(xiàn)技術(shù)全面突破時(shí)，應(yīng)將目標(biāo)放在強(qiáng)化AAO 技術(shù)的脫氮除磷效果上，提高技術(shù)的作用效果，降低污染影響[5]。

1 污水脫氮技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 AAO 技術(shù)

該技術(shù)是指厭氧- 缺氧- 好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic）技術(shù)，可以應(yīng)用于二級(jí)和三級(jí)污水以及中水回收工作中，不僅應(yīng)用方法便捷，同時(shí)具有較為良好的脫氮除磷效果。在該污水處理技術(shù)實(shí)施過程中，污水依次進(jìn)入?yún)捬醭亍⑷毖醭亍⒑醚醭兀S后進(jìn)入二沉池，其中上層清水排出，下層淤泥回流或排出。厭氧池中聚磷菌釋放多聚磷酸鹽，缺氧池借助硝化液對(duì)有機(jī)物進(jìn)行反硝化作用，其中氮元素存在一定變化，結(jié)合價(jià)態(tài)變化能夠了解當(dāng)前存在的形態(tài)，如圖1 所示。

圖1 硝化- 反硝化過程中氮元素價(jià)態(tài)變化

完成脫氮作用好氧池聚磷菌分解多聚磷酸鹽同時(shí)吸收污水中的磷酸鹽，達(dá)到脫磷效果，最終將污水混合物在二沉池進(jìn)行分離，完成對(duì)污水的脫氮除磷作用，其在作用過程中特點(diǎn)曲線如圖2 所示。

圖2 AAO 工藝特點(diǎn)曲線

在工藝運(yùn)行過程中，影響其污水處理效果的主要因素包括：①污泥齡（SRT）。活性污泥能夠?yàn)橄趸?xì)菌提供生存環(huán)境，但由于其繁殖速度相對(duì)緩慢，需要提供污泥齡才能保障硝化細(xì)菌總量符合污水處理要求。污泥齡越高，整體污泥量越多，影響污水處理效率，二者之間的矛盾對(duì)工藝實(shí)施效果存在一定影響；②溶解氧（DO）濃度。該濃度主要對(duì)聚磷菌產(chǎn)生影響，厭氧池中保持低氧狀態(tài)下能夠幫助聚磷菌釋放磷，但在含氧量不足的情況下，不僅影響反硝化效率，同時(shí)制約硝酸鹽還原酶的合成效果，進(jìn)而影響脫氮效率，因此需要控制DO 濃度；③污泥回流比是指二沉池底部污泥回流到厭氧段的不利，回流比提升，污泥回流量增大，使系統(tǒng)SRT 延長，同時(shí)抑制聚磷菌釋磷，最后影響系統(tǒng)除磷效果；④硝化液回流比。其指的是回流到缺氧池中的硝化液的占比，該占比增大時(shí)，運(yùn)行成本增加，但脫氮效果不明顯，從而使污水處理效果不理想。

1.2 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)是利用具有特定功能的微生物來處理污染物的方式，在實(shí)施過程中具有應(yīng)用靈活、針對(duì)性強(qiáng)、效率較高等特點(diǎn)。在生物強(qiáng)化技術(shù)中，常見的脫氮技術(shù)包括：同步硝化反硝化技術(shù)（SND）、短層硝化- 反硝化技術(shù)（SHARON）、厭氧氨氧化脫氮技術(shù)（ANAMMOX）、全程氨氧化脫氮技術(shù)。在處理時(shí)，主要利用反硝化細(xì)菌和聚磷菌等微生物分解有機(jī)物，使污水恢復(fù)正常狀態(tài)，以短程硝化- 反硝化技術(shù)為例，其利用硝化反應(yīng)生成NO2-，并利用反硝化菌分解氮氧化合物，并釋放N，使其還原為N2。技術(shù)的應(yīng)用效果如表1所示。

表1 常見生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用效果分析

2 AAO 反應(yīng)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 AAO 反應(yīng)裝置

使用AAO 技術(shù)完成生物強(qiáng)化脫氮實(shí)驗(yàn)，已知硝化細(xì)菌對(duì)生物強(qiáng)化污水處理技術(shù)影響較大，為了解硝化細(xì)菌的富集效果影響因素，應(yīng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)完成分析。實(shí)驗(yàn)中使用AAO 反應(yīng)裝置，具體如圖3 所示。

圖3 AAO 實(shí)驗(yàn)裝置示意

該技術(shù)實(shí)施過程中，選擇城鎮(zhèn)污水處理廠中的進(jìn)水作為實(shí)驗(yàn)污水，分析該污水的進(jìn)水水質(zhì)情況，結(jié)果如表2 所示。

表2 污水水質(zhì)檢查結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中需要準(zhǔn)備材料、藥品以及硝化細(xì)菌載體填料，設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器需要提前準(zhǔn)備，并進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其使用符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)分析方法

實(shí)驗(yàn)過程中，分別使用常規(guī)理化分析法、污泥檢測(cè)方法、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)法等完成結(jié)果檢測(cè)。以常規(guī)理化分析方法為例，檢測(cè)項(xiàng)目除指標(biāo)含量外，還需檢測(cè)溫度變化、生物相、蛋白質(zhì)等項(xiàng)目。各檢測(cè)方法均需要參考《水和廢水檢測(cè)分析方法》等相關(guān)規(guī)范要求。

2.3 硝化菌富集效果判定分析

按照實(shí)驗(yàn)要求完成取樣、實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)等程序，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析硝化菌富集效果判定情況。在判定時(shí)，主要通過兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，其一，氨氧化活性。該指標(biāo)需要對(duì)有氧條件下微生物轉(zhuǎn)化NH4+-N 情況衡量。測(cè)量需要計(jì)算FA（游離氨）和FNA（游離亞硝酸）濃度，使用公式：

其中：C1為溶液中NH4+-N 濃度，（mg/L）；C2為溶液中NH2+-N 濃度，（mg/L）；T 為溶液溫度，（℃）；e 為指數(shù)函數(shù)。

其二，微生物豐富度。在判定時(shí)，需要使用高通量測(cè)序方法分析微生物群落情況，使用基因分析并定量微生物豐富度。

2.4 AAO 實(shí)驗(yàn)中硝化細(xì)菌影響因素結(jié)果分析

第一，填料因素。實(shí)驗(yàn)設(shè)置6 種填料：活性污泥空白對(duì)照、活性污泥+粉煤灰、活性污泥+纖維球、活性污泥+生物陶粒、活性污泥+聚乙烯、活性污泥+懸浮球。對(duì)比反應(yīng)器中填料體積變化情況，判斷菌群活性。結(jié)合結(jié)果判斷，能夠發(fā)現(xiàn)在NH4+-N 濃度控制在180 mg/L 內(nèi)時(shí)，活性污泥+ 粉煤灰填料中平均NH4+-N 去除率為95.84%，效果最佳，超過該濃度后各同類型填料的效果均有所下降。

第二，pH 值。pH 值對(duì)污水中微生物的活性影響相對(duì)較大，在pH 值較為極端的情況下，微生物無法順利進(jìn)行硝化反應(yīng)，進(jìn)而難以達(dá)到脫氮除磷的效果。正常情況下，AOB 和NOB 反應(yīng)中，恰當(dāng)?shù)膒H 值分別為7.0～8.5 和6.5～7.5，因此在污水處理過程中，需要對(duì)其pH 值進(jìn)行觀察，合理控制其變化情況。調(diào)整實(shí)驗(yàn)第一和第二小組中不同實(shí)驗(yàn)條件中pH 值情況，根據(jù)其反應(yīng)情況，將pH 值分別控制在6～9 之間，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中pH 值變化情況進(jìn)行分析，計(jì)算其中NH4+-N 濃度和NH2+-N 濃度變化情況。根據(jù)做種結(jié)果判斷，發(fā)現(xiàn)在酸性增強(qiáng)時(shí)，硝化菌活性被抑制，抑制下來高達(dá)53.46%；在堿性條件下微生物酶活性降低，抑制率為46.24%。

第三，DO 濃度。在硝化作用中，DO 濃度的影響相對(duì)較大。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)分析，了解到在DO＞0.5 mg/L 時(shí)，硝化細(xì)菌停止活動(dòng)，NH4+-N 的去除率約為4.37%。DO 濃度在0.5 mg/L～1.5 mg/L 之間時(shí)，硝化細(xì)菌活動(dòng)較為積極，該條件下NH4+-N 的去除率能夠達(dá)到81.37%左右。當(dāng)DO 濃度在1.5 mg/L～3.5 mg/L 之間時(shí)硝化細(xì)菌活動(dòng)效果達(dá)到最大化，其中NH4+-N 的去除率約為100%。但在超過3.5 mg/L 后，硝化細(xì)菌的功能逐漸下降，去除NH4+-N 效率明顯降低。

第四，溫度因素。微生物處理污水過程中，需要產(chǎn)生一定的酶，利用酶來分解和固定相應(yīng)的游離元素，以達(dá)到分解和處理效果。酶作為蛋白質(zhì)的一種，其作用時(shí)受到環(huán)境溫度的影響相對(duì)較大，且硝化細(xì)菌作為微生物的一種，其適宜的溫度一般在25～30 ℃之間，超出該溫度范圍內(nèi)，其生長和活性必然受到影響。調(diào)整實(shí)驗(yàn)組中環(huán)境溫度情況，在0～35 ℃之間設(shè)置6 個(gè)溫度區(qū)間，并計(jì)算不同溫度區(qū)間下溶液中NH4+-N 濃度變化情況，判斷硝化菌的活性變化情況。結(jié)果如表3所示。

表3 溫度對(duì)硝化菌活性影響

由此可見，溫度對(duì)硝化細(xì)菌活性存在明顯影響，在污水處理過程中應(yīng)盡量保持其溫度在25 ℃左右，確保硝化細(xì)菌活性保持在最高的狀態(tài)。

3 生物強(qiáng)化AAO 系統(tǒng)脫氮可行性研究

生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理過程中主要的思路是提升微生物活性，提高其對(duì)污水的處理效率，以此加快污水的凈化效果。基于此，為提高AAO 系統(tǒng)的脫氮效率，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)中的影響因素，調(diào)整AAO 反應(yīng)系統(tǒng)中不同環(huán)節(jié)的具體參數(shù)，以此加快硝化細(xì)菌的生長和活動(dòng)效率，提高污水處理廠中的實(shí)際硝化作用效果，通過對(duì)AAO 系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化，加強(qiáng)污水處理水平。

AAO 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制其溫度，使其在室溫條件（20 ℃～30 ℃）下運(yùn)行，控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，檢查進(jìn)水口和出水口中水質(zhì)情況，判斷其中硝化細(xì)菌的實(shí)際作用效果。

在去除污水相關(guān)指標(biāo)物質(zhì)時(shí)，需要通過污泥吸附、附著，隨后微生物完成氧化分解，去除污泥中的污染物。控制AAO 系統(tǒng)運(yùn)行，分析并測(cè)量不同時(shí)間段污染物的濃度變化情況。最終發(fā)現(xiàn)控制AAO 系統(tǒng)中污泥成分、DO 濃度、pH 值能夠明顯優(yōu)化硝化反應(yīng)效率，提高系統(tǒng)的污水處理效率。

4 結(jié)論

通過對(duì)AAO 污水處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）生物強(qiáng)化技術(shù)在污水脫氮處理中具有良好效果；

（2）測(cè)量計(jì)算實(shí)驗(yàn)溶液中NH4+-N 濃度、NH3+-N濃度、NH2+-N 濃度能夠幫助判斷微生物的作用效果；

（3）AAO 系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，選擇污泥+粉煤灰填料、溫度控制在25 ℃左右、pH 值控制在7.5、DO 濃度控制在1.5 mg/L～3.5 mg/L 之間時(shí)，硝化細(xì)菌的活性處于最佳狀態(tài)，此時(shí)的脫氮效率達(dá)到最佳狀態(tài)。