低温氨氮减排技术的中试试验

周维奇，张 鑫，周新宇，马 艳

(上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082)

根据上海市《关于本市“十二五”期间城镇污水处理厂执行标准有关要求的通知》(沪环保总〔2013〕11 号)的规定，所属位于本市准水源保护区外、现执行二级标准的城镇污水处理厂，到2015 年底以前分批执行一级B 标准，位于准水源保护区内的城镇污水处理厂执行一级A 标准。根据上海某污水厂提供的2012 年全年～2013 年11 月的出水水质数据，污水厂的提标改造难点主要集中在冬季低温条件下12 月～次年3 月，出水平均氨氮高于一级B 标准的最高允许排放浓度(15 mg /L，水温＜12 ℃时)，平均去除率不足50%［1］。

污水水温降至15 ℃左右时，低温对活性污泥硝化反硝化性能的抑制作用开始逐渐增强，并影响出水水质［2，3］。针对冬季低温条件，研究人员采用了多种办法克服不利影响，比如增加停留时间、加大曝气、提高污泥浓度、控制泥龄15 ～20 d［4-7］等。此外，还有投加填料、投加优势低温硝化菌种［8］、改良A /A/O 工艺［9］等手段。这些方案对企业实际运行有一定的指导意见，但不见得都具备可行性或经济性。本课题研究的目的是找出本地区冬季硝化效果差的首要因素，并提出适合此厂水质和工艺特征的应对方案。

1 中试试验

1.1 试验装置

装置主体为不锈钢材料制作，处理规模为100 t/d，由集水井、初沉池、合建式生化反应池、二沉池组成。合建式生化反应池水力停留时间(HRT)共12 h，其中厌氧段、缺氧段、好氧段HRT 分别为1.4、2.6、8 h。进水、混合液回流、污泥回流均由无堵塞排污泵进行控制，流量采用EM5000 型电磁流量计精确计量。缺氧区和好氧区由搅拌泵使混合液搅拌均匀，好氧池底部设有橡胶膜微孔曝气管，并由罗茨风机供气。

1.2 试验方案

试验进行时间为2013 年12 月～2014 年4 月，是全年气温最低的几个月，主要考察水温、pH、HRT、溶解氧对出水氨氮影响［10］。水温和pH 通过每日实际测量，分别选取了3 组HRT 和3 组溶解氧(DO)做独立试验，用来考察HRT 和DO 对出水氨氮的影响，每个工况连续不间断运行15 d。

在控制污泥浓度为2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比为200%，污泥回流比为100%的条件下，调节进水流量来控制总HRT。三种工况的HRT 设定值如表1 所示

表1 3 种工况下，HRT 的设定值Tab.1 Set Value of HRT under 3 Kinds of Operating Conditions

在控制总HRT 为12 h，好氧段HRT 为8 h，污泥浓度为2.0 ～3.0 g /L，混合液回流比为200%，污泥回流比为100%的条件下，调节曝气量大小，控制好氧段的DO。由于曝气不均匀及生物量的变化，难以控制DO 为一个恒定值。由表2 可知工况4、5、6 的好氧 段DO 的平均值 为0. 9、2. 7、4.3 mg/L。

表2 3 种工况下，DO 的平均值Tab.2 Average Value of DO under 3 Kinds of Operating Conditions

1.3 测试方法与进水水质

试验进水取自厂区沉砂池出水，水质情况如图1 所示。试验现场测试指标有pH、DO、水温。pH 的测定点包括集水井、厌氧段、缺氧段、好氧段4 个点;DO 测定范围包括曝气池好氧末端在内的4 个不同测试点、厌氧段和缺氧段，以保证DO 在设定范围内;水温为曝气池水温。每天早中晚各时间段测试1 次，并记录。实验室测试指标有COD、BOD、NH3-N、TN、MLSS 和MLVSS，均采用国家标准方法分析测定。

图1 进水水质图Fig.1 Quality of Influent

由图1 可知进水COD 变化幅度为250 ～350 mg/L、BOD 在100 ～150 mg /L 之间波动，氨氮、总氮变化幅度较少，平均值分别为24.5 和30.8 mg/L。BOD/COD 平均值为0.45，BOD/TN 平均值为4.05，由此可知该进水属于低碳源水质。

2 结果与讨论

2.1 水温与pH 变化规律

根据实测结果，将每天的数据取平均值，得到水温和pH 的变化规律，如图2 所示。

图2 2014 年1 ～3 月份水温、进水pH 变化图Fig.2 Changes of Temperature and pH of Influent from January to March in 2014

由图2 可知1 ～3 月份期间，试验基地生化池内水温稳定，维持在11. 0 ～15. 5 ℃，每天早中晚变化幅度的差异不超过1 ℃。同一时期，气温变化幅度较大，1 月和2 月的平均最高温度为10 ℃，平均最低温度只有3 ℃，水温比气温高约5 ℃。硝化反应被认为是所有生化反应中对温度最为敏感的一步［11］，氨氧化细菌的比增长速率(μ)会随水温的降低而下降，不同的研究者得出了不同的公式，其中美国EPA 给出的方程是μ =0.47 × e0.09(T-15)，Barnard［12］给出的方程是μ = 0.33 × 1.27(T-15)。根据Head 等［13］的研究，当水温突然下降20 ℃时，硝化反应依然可以继续，水温从30、25、20 ℃冷却到10 ℃，硝化反应速率平均下降了82%、71%和58%。当水温突然降低10 ℃时，硝化反应速率会比逐步下降10 ℃多下降20%。在曝气池内，水温在最极端的天气下，不至于会下降到10 ℃之下，相对稳定的水温对硝化菌的生化作用提供了保障基础。在此期间，进水pH 维持在7.0 ～7.5。混合液pH 从厌氧池到缺氧池，最后到好氧末端，pH 的平均值为7.35→7.15→6.99，有小幅度的下降，但均不会对硝化作用造成较大的影响。

3.3.4 泛素化 泛素化是一种影响PTEN降解和核-质转移的翻译后调控机制。PTEN的C端尾部和C2结构域相互作用形成具有泛素化位点(Lys289)的环。PTEN可被表达泛素连接酶NEDD4-1的神经前体细胞泛素化。PTEN的多聚泛素化可使蛋白质稳定性降低，进而通过蛋白酶介导的衰变机制引起PTEN的降解，从而对PI3K/Akt通路的负调控减弱，细胞周期加速，细胞生长繁殖增快，促进肿瘤发生。而Lys13和Lys289上PTEN的单泛素化则促进PTEN的核转移，引起其在核内的积累[14]。

2.2 HRT 对出水水质的变化规律

图3 为HRT 与出水氨氮的关系，图4 为HRT与出水总氮的关系。

由图3 和图4 可知随着HRT 的增加，出水氨氮、总氮浓度均有一定程度的下降。当HRT 为10 h时，出水氨氮、总氮的平均值分别为6. 8 和15.6 mg/L，去除率分别为71.7%和50.9%;当HRT为12 h 时，出水氨氮、总氮的平均值为5. 2 和12.9 mg/ L，去除率分别为79. 5% 和56. 6%;当HRT 为14 h 时，出水氨氮、总氮的平均值为4.1 和12.6 mg/L，去除率分别为83.2%和60.1%。

增加HRT 目的是为了增加硝化反应的时间，在上述工况条件下，增加4 h 的HRT，出水氨氮和总氮值只降低了2.7 和3.0 mg/L，可以推断出如果继续增加HRT，出水氨氮和总氮只会缓慢下降，减排的效果不是十分明显。

图3 HRT 与出水氨氮的关系图Fig.3 Relationship between HRT and NH4-N + of Effluent

图4 HRT 与出水总氮的关系图。Fig.4 Relationship between HRT and TN of Effluent

2.3 DO 对出水水质的变化规律

图5 为DO 与出水氨氮的关系，图6 为DO 与出水总氮的关系。

图5 DO 与出水氨氮的关系图Fig.5 Relationship between DO and NH4-N + of Effluent

图6 DO 与出水总氮的关系图Fig.6 Relationship between DO and TN of Effluent

由图5 和图6 可知随着DO 的提高，出水氨氮、总氮均有较明显降低。当DO 为0.9 mg/L 时，出水氨氮、总氮的平均值分别为16.5 和23.3 mg /L，去除率分别为34.8%和28.2%;当DO 为2.7 mg /L时，出水氨氮、总氮的平均值为5.2 和12.9 mg /L，去除率分别为79.5%和56.6%;当DO 为4.3 mg/L时，出水氨氮、总氮的平均值为0.8 和8.2 mg /L，去除率分别为96.6% 和72.3%;当水温为11 ～15.5 ℃时，通过提高DO，氨氮去除率可以较明显提高，氨氮指标可以达到一级A 的排放标准。氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌都属于自养微生物，由于氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌都是利用单一生长基质生长的微生物，两种微生物的反应动力学接近于Monod 关系的基本条件，由于两类生化反应产生的能量不尽相同，一般而言，硝化反应中的速度限制步骤是亚硝酸菌属将NH3-N 氧化成NO-2 -N 的过程［14，15］。亚硝酸菌的增殖与底物去除的动力学可以用Monod 方程表示，如式(1)所示。

其中μ—亚硝酸菌的比增长速率，d-1;

KN—亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数，范围是0.15 ～2.0 mg /L;

SNH3— 氨氮的浓度，mg /L。

罗飞航［16，17］的模拟结果表明硝化反应过程中，温度的灵敏度最大、DO 次之、碱度灵敏度相对最小。在冬季水温相对恒定的情形下，DO 也是一个不可忽视的因子，提高DO 可以加快微生物硝化反应速率。另外，运行过程中，在较低DO 的情形下，二沉池内絮状悬浮物增多，出水水质浊度变差，容易发生污泥膨胀，有发生SVI 超过200 的情况。氨氮削减率由0.9 减少到0.3 mg/VSS·h。

3 低温脱氮的措施分析

常规生物脱氮处理法对水温在12 ℃以上的污水往往有较好的硝化效果，面对冬季低温(12 ±2℃)条件下，城镇污水厂往往按照经验，通过降低污泥负荷，延长污泥龄，增加HRT、提高DO 等方式来提高硝化反应，在这些方法中，选择出合适的方法并不是一件容易的事情。根据中试的情况，并结合污水处理厂的实际运行情况，针对各种可能的情形进行逐一分析，以便得出更优的处理办法，具体如表3 所示。

表3 中试运行参数与厂实际运营对比表Tab.3 Comparison of Parameters between Pilot Test and Practical Operation

由两者相比较可知，污水处理厂实际运行参数部分优于中试，厂区污泥浓度高于中试基地，其他参数大体一致，唯有DO 一项指标，未有准确参数，厂区实际情况是曝气池末端DO ＞2 mg /L，部分监测段DO ＞2 mg /L，当初设计是按照污水处理厂出水二级排放标准，气水比为4.5，可见有可能存在曝气不均导致实际曝气量不够的问题。厂内目前采取提高污泥浓度，冬季低温下污泥浓度平均为3.5 g /L，HRT 增加至13 小时，但均未取得良好的效果，氨氮出水去除率不到50%，出水浓度为12 ～15 mg /L。另外，还尝试投加硝化菌、投加填料等手段，但因成本问题，未能有效实施。结合该厂生产运行情况或可能的提标改造工程，在提高污泥浓度、增加HRT和提高曝气量等多种措施中，可能的最优方案是提高曝气量。

4 结论

根据在厂区日处理量100 t/d 的中试基地运行情况，提出影响低温条件下脱氮工艺的因子和优化控制措施。

(1)2014 年1 ～3 月，中试基地内水温变化范围是11.0 ～15.5 ℃，且水温早晚温差变化较小，在曝气充足的情况下，未见氨氮出水超标现象，均小于8 mg/L。进水pH 维持在7.0 ～7.5，不太低的温度为生物脱氮提供了良好的基础环境。

(2)HRT 从10 增加到14 h，出水氨氮和总氮平均下降了2.7 和3.0 mg/L，减排效果并不明显。

(3)当水温为11.0 ～15.5 ℃时，通过提高DO，氨氮去除率可以提高，氨氮指标可以达到一级A 的排放标准，如果当DO 低于1 mg /L 时，会严重影响出水氨氮。

为实现上海“十二五”城镇污水处理厂脱氮减排的目标，出水氨氮指标达到GB 18918—2002 的一级B 标准，污泥负荷宜采用0.10 ～0.14 kg BOD5/kg MLSS·d，生物池的泥龄可采用15 ～20 d，HRT 为12 h，污泥浓度为2.0 ～3.0 g /L，曝气池DO 控制在2 mg /L 以上，内回流为200%，外回流为100%，关键是从设计上或将来的提标改造中，提高气水比，另外在实际运行过程中，加强对曝气池DO 的整体监测。

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