提高污水处理系统氨氮降解能力的总结

何启德

［甘肃刘化（集团）有限责任公司，甘肃永靖 731603］

0 引 言

甘肃刘化（集团）有限责任公司（简称甘肃刘化）主产品产能为合成氨400kt／a、尿素700kt／a、甲醇100kt／a，生产装置污水产生量约400m3／h，污水中主要污染物为氨氮（NH3-N）、硝态氮、COD、油以及悬浮物等，污水处理系统设计处理能力为500m3／h。在污水处理系统的操作与维护中，据甘肃刘化制定的污水处理岗位操作指标，进出水的总氮、硝态氮、COD、石油类物质、硫化物、悬浮物等水质指标均已达标，最难且对排放废水水质最有影响的控制项目（指标）是氨氮。因此，如何提高污水处理系统对氨氮的降解能力，是甘肃刘化环保工作中面临的一大问题。

甘肃刘化污水处理系统采用厌氧－好氧－缺氧生物处理工艺，即活性污泥与生物膜相结合的处理技术，所有生产废水总排口出水水质执行《污水综合排放标准》（GB8978—1996）一级标准。在污水处理过程中，污水处理厂排放废水中氨氮含量（指标）≤15mg／L，进水指标根据生产污水排放情况及微生物处理能力定为氨氮含量≤80mg／L；实际生产中，污水处理系统进水氨氮有时会超过80mg／L，导致微生物的新陈代谢活动受到冲击，影响出水达标排放。要保证生产污水达标排放，一方面要从源头（生产污水排放总下水）控制污水氨氮指标着手，另一方面需提高污水处理系统的氨氮降解能力，即污水处理系统工艺操作控制及微生物繁殖和控制也很关键。以下对甘肃刘化几年来为提高污水处理系统氨氮降解能力所采取的优化改进与工艺控制措施作一总结。

1 污水处理系统工艺流程及主要控制指标

甘肃刘化污水处理厂污水处理设施由预沉池、A1反硝化池（简称A1池）、格栅、曝气调节池、A2反硝化池（简称A2池）、竖流沉淀池、曝气生物滤池等组成，污泥处理设施由集泥池、加药装置、带式压滤机等组成。生产污水经过预沉池沉淀泥沙后进入清水区，通过预沉池提升泵提升至A1池，A1池通过推流机的提升、搅拌作用，使活性污泥、微生物和污水充分混合，通过反硝化菌降解废水中的硝态氮，而废水中的COD作为反硝化菌的营养源，并根据硝态氮的高低人为补充足够的碳源（投加甲醇），保证反硝化反应的充分进行，使污水总氮降低。A1池出水通过格栅去除污水中粗大的漂浮物后，自流到曝气调节池进行水量调节和水质均和，调节池池底设有微孔曝气管，一方面通过空气曝气、搅拌防止活性污泥在池中发生沉淀，另一方面为微生物供氧促进好氧硝化反应以降低氨氮和COD。曝气调节池污水经提升泵送至A2池，在A2池投加甲醇（提供碳源），进一步降低总氮。A2池出水经提升泵送至竖流沉淀池内进行泥水分离，分离出的活性污泥回流至A1池，浮渣经人工清理回收至专用垃圾池集中处理，据污泥沉降比定期将污泥排至污泥浓缩池浓缩并脱水处理后向外运输。竖流沉淀池上清液自流至曝气生物滤池，进一步降解污水中的COD、氨氮及悬浮物等污染物，达标后的废水进入清水池（作为中水回用），用作全厂生产区域、公司周边绿化山和家属区绿化浇水以及各单位厕所冲洗水，剩余部分水则排放至污水排污口。

污水处理系统主要进水指标为pH 7.5～9.0、氨氮≤80mg／L、CODCr≤300mg／L、悬浮物≤150mg／L、总氮（TN）≤150mg／L、石油类物质≤5mg／L、硫化物≤2.0mg／L；污水处理系统主要出水指标为pH6～9、氨氮≤15mg／L、CODCr≤80 mg／L、悬浮物≤50 mg／L、总氮（TN）≤35mg／L、石油类物质≤5mg／L、硫化物≤1.0mg／L。值得一提的是，污水排入的黄河水域属水源地二级保护区Ⅲ类水体，执行GB 8978—1996中表4之一级标准；实际生产中，污水处理系统出水中氨氮有时会超过15mg／L的排放（上限）标准。

2 优化改进措施

2.1 生产污水排放总下水氨氮控制

（1）甘肃刘化生产污水由各生产装置废水排入总排水渠后进入污水处理厂进行处理，当生产装置运行不正常及开停车过程中，易造成工艺指标波动，其总下水氨氮含量波动大（超标）。正常生产过程中，通过在污水处理厂入口安装的COD、氨氮、TN、流量、pH计等在线监测设备进行实时监控；甘肃刘化5000m3事故应急池进水与生产污水总下水在线氨氮监测仪联锁，实现自动控制，当总下水水质发生突变时，能够将生产污水排放总下水自动切入5000m3事故应急池，并定期对污水处理厂入口废水进行手工分析监测，确保生产污水排放总下水氨氮指标合格。当生产装置运行不正常及有计划开停车时，由排污单位按甘肃刘化规定要求办理“三废排放单”，据废水排放量及其化学性质，加大手工分析监测频次，当手工分析和在线氨氮监测仪所得数据其中之一超过80mg／L时，将废水直接切入5000m3事故应急池；待生产系统运行恢复正常后，监测生产污水排放总下水氨氮含量≤80 mg／L时，再通过20m3／h潜水泵连续或间断地以较小的流量将事故应急池污水并入生产污水排放总下水中（去污水处理系统）。

（2）从生产污水总排水渠进入预沉池的污水氨氮含量≤80mg／L，借助预沉池的储存能力，对不同时段的污水进行混合，沉淀时间保持在1～2h，自然沉淀水平流速度一般不大于3mm／s，达到污水中污染物浓度相对稳定的目的，以减少污染物浓度突然升高对系统造成的冲击。污水中大颗粒泥沙自然沉淀后，污水流入清水区，预沉池液位达到规定的2.5m且水质指标合格后，开预沉池提升泵向A1池供水。值得一提的是，冬季要保证污水处理系统运行温度在18～28℃之间，通过预沉池内设置的蒸汽加热盘管加热污水至适宜温度后再送A1池。

2.2 污水处理系统工艺操作优化

2.2.1 A1池碳源投加点及投加方式优化

据A1池污水中硝态氮化验分析数据，及时补充反硝化所需的碳源（有机碳源），并及时调整碳源的投加量，保证反硝化反应的充分进行，补充碳源会产生少量碱度。甘肃刘化采用合成车间生产的成品甲醇作为补充碳源，原投加方式为间断、分散在3个投加点（A1池进水口、污泥回流混合液进口、A1池出水口）投加，投加间隔时间约4h，投加量基本稳定。但由于进水水质和水量的波动，经常造成碳源投加量偏多或偏少，碳源投加多了影响后续工段的处理负荷，投加少了会使出水水质不达标，实际生产中很难精确把控。

经徐州水处理研究所（设计单位）进行工艺调整和现场运行人员的摸索，最终找到了合理、稳定投加碳源的优化方案，即将原来的间断、分散在3个点投加改为在A1池进水口1个点连续投加，据A1池在线ORP硝态氮监测仪（数据）控制投加量。碳源投加点及投加方式优化后，污水处理系统出水水质稳定且达标，既减轻了员工的劳动强度又保障了系统的稳定运行。

2.2.2 及时调节系统进水量及水质

均衡的水量水质有利于培养大量的反硝化菌群，使水中的污染物在反硝化菌作用下转化为易生化的COD，利用来水中的COD和回流水中的NO－3进行反硝化，减少碳源（甲醇）的投加量，减轻后工序曝气生物滤池降解COD的负荷；反硝化菌群的另一作用是，将进水中有机氮转化为氨氮，降低A1池污水对曝气生物滤池的冲击，保证生化系统的平稳运行。当来水水质及水量波动较大时，会对反硝化细菌造成一定的冲击，既影响反硝化菌对COD和总氮的去除率，又影响菌群的生长。因此，及时调节污水处理系统进水水量及水质尤为重要，其目的是培养一定量的活性污泥及微生物，使其能够充分地发挥反硝化的作用。

2.2.3 曝气调节池进出水量平衡措施

污水经格栅槽除去水中的漂浮物自流进入曝气调节池后，曝气调节池水位不断上升，当水位升至2.5m时，启动曝气风机，进行污水搅拌和生物给氧，然后启动污水提升泵，调节池进、出水量平衡，确保曝气调节池内水位平衡。硝化过程主要是进行好氧反应，去除水中的COD、氨氮。据系统处理负荷调整水量，均匀地向后续A2池进水。罗茨风机风量据好氧池污水中的氧含量进行手动调整，维持好氧池污水溶解氧含量在2～4mg／L，以满足微生物的生长繁殖需要。

曝气调节池进出水量的大幅变化对污水处理系统的正常运行不利，甚至会使其正常运行遭到破坏。据曝气调节池液位计（数据）设定自动启停污水提升泵，曝气调节池内进出水量平衡，有利于微生物的好氧硝化，使曝气调节池保持一定的微生物量来降解部分有机物，为减轻后续处理系统负荷提供有力的保障。

2.2.4 曝气生物滤池反冲洗控制

曝气生物滤池水位一般控制在超过滤料150～200mm，运行24～48h后滤池水位会超过设定值，水位不断上升的原因是滤料截留的SS和生物脱落的膜造成水头损失，此时应进行滤料反冲洗。反冲方式为，启动反冲气风机，先进行空气反冲，空气反冲5～10min后启动反冲水泵，然后打开反冲水阀，进行气水联合反冲，反冲时间5～10min后关闭反冲气风机，继续水反冲洗5～10min，完成后打开滤池进水阀与出水阀，滤池水位将下降。上述步骤完成了滤池的一次反冲洗，当水位再次超过滤料200mm则进行下一次反冲洗。反冲洗时应将各滤池错开进行，不允许多个滤池同时反冲洗；反冲洗操作应安排在夜间及用水量较小时进行，不宜白天进行；反冲洗前应检查回用水池水量能否达到反冲洗用水量需求，每次反冲洗操作步骤同上。

反冲洗操作控制是曝气生物滤池高效稳定运行的重要环节，对曝气生物滤池进行合理的反冲洗能够在较短的时间内最大程度地恢复生物膜的活性。通过近两年来的摸索与调整，曝气生物滤池滤料反冲洗效果明显，能耗低而效率高，利于曝气生物滤池稳定运行和出水水质达标。

2.3 控制好活性污泥的性能指标

（1）污水处理系统要稳定运行，需培养理想的活性污泥和保持合适的生物膜厚度。理想的活性污泥必须满足曝气时具有较强的吸附力和分解有机物的能力，沉降时具有良好的絮凝性能，利于泥水分离，生产中维持一定的污泥沉降比和污泥体积指数——一般控制污泥沉降比约15%～30%、污泥体积指数约50～150为宜（一般来说，进水有机物浓度较高，污泥沉降比和污泥体积指数较高），并在长期生产实践的基础上进行归纳总结。

（2）日常操作中，除了依托检测手段来评价活性污泥的性能外，通过观察来直观判断污泥性能也是非常重要的，有利于及时发现问题并及时采取措施。表观上，良好的活性污泥应当呈黄色或黄褐色，取样到玻璃量筒中能观察到明显的絮体，静置后很快聚并成大块颗粒，形似矾花，并能迅速沉降，上清液清澈透明。此外，活性污泥性能良好时常常能够在曝气生物滤池边嗅到其特有的土腥味。

（3）活性污泥系统的运行受很多因素的影响，要保持足够的溶解氧（DO），一般控制在2～3mg／L左右；要保持一定的水温（一般控制在20～30℃），水温较低时，污泥活性降低；适当增加曝气生物滤池中的微生物量，减轻活性污泥负荷；保持合适的pH （pH一般在6.5～9.0为宜）和营养，微生物适宜的营养比例为BOD5∶N∶P＝100∶5∶1，要根据实际生产情况适当地补充营养和调整污水的pH。

（4）污水处理系统运行过程中，要保持合适的污泥沉降比，当污泥沉降比高时，要及时排出剩余污泥，进行污泥更新，控制好污泥泥龄（污泥泥龄是曝气生物滤池中活性污泥总量与每日排放的污泥量之比，污泥泥龄过长，易造成活性污泥老化，活性降低），适当增加污泥量可使有机物氧化更彻底，能够提高处理效果。

2.4 保持曝气生物滤池一定量的生物膜厚度

增加污水处理系统的氨氮处理能力，需保持曝气生物滤池一定量的生物膜厚度，生物膜厚度决定了滤池中的微生物量，从而决定了氨氮降解效果的好坏。曝气生物滤池中装填有一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面及滤料内部微孔生长生物膜。其工作原理如下：一是生物氧化降解——滤池内部曝气，污水流经时利用滤料上高浓度生物量的氧化降解作用对污水进行快速净化；二是截留——污水流经时，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中大量的悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出；三是反冲洗——当滤池运行一段时间后，因水头损失增大，需对其进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，使曝气生物滤池的处理能力得到恢复。

曝气生物滤池运行过程中，生物膜不是越厚越好，保持合适的生物膜厚度是生物膜法系统运行中需要首先考虑的问题。生物膜过薄会因微生物的数量少而影响处理效果，生物膜过厚则内层容易因缺氧而发生厌氧反应，影响出水水质，且过厚的生物膜还会造成填料堵塞。而生物膜的厚度取决于两个相反过程之间的平衡：一是微生物生长增殖而变厚的过程，在供氧保证的前提下这一过程的速率由有机负荷决定；二是因表面水力冲刷而变薄的过程，这一过程的速率由水力负荷决定。因此，生物膜法系统运行管理要控制好有机负荷和水力负荷。曝气生物滤池中生物膜的厚度主要通过调节反冲洗的强度和频率来实现，有机负荷对其影响不大。生物膜因与载体附着力的减小及水力冲刷作用而脱落，然后又会生长出新的生物膜，并交替脱落，生物膜厚度2～3mm为宜，采用出水回流的方式可维持良好的生物膜活性及厚度。

2.5 控制好微生物数量

（1）污水处理中，微生物数量的控制尤为重要，控制好微生物数量是提高污水处理系统氨氮降解能力的前提。日常生产管理中，控制微生物数量最有效的办法是缩短迟缓期，在向污水中投放微生物菌种时，不要直接投放，自制好氧曝气生物滤池2m3菌种培养驯化液，放满指标合格的进水，投入10kg的微生物，曝气（溶解氧≥1mg／L），并检测确认pH为8.0～8.4、温度为20～30℃，周期为2～3d，这个阶段是微生物活化的过程，很关键；微生物活化好后，一次性投加20kg微生物所曝污水到曝气调节池、10kg微生物所曝污水到曝气生物滤池，在此过程中（24h内）严禁反洗曝气生物滤池，以利微生物在污泥胶团及滤料上附着、挂膜。

（2）检测曝气生物滤池污水pH，及时投加碳酸钠调节控制污水pH在7.5～8.5。调整竖流沉淀池回流量在50%左右，取竖流沉淀池污水100mL，观察其中微生物胶团的颜色、大小及形状，0.5h后观测沉降的胶团体积，若其颜色为黄褐色，正常；若发黑发灰，则表明缺乏营养物质，需投加磷酸二氢钾、甲醇 （粗）溶液（COD≤300mg／L为宜）；胶团形状大而圆且有凝聚网捕力，沉降效果好，同时上清液清澈透明，如若不然则在投加营养物质的同时开大竖流沉淀池回流量，运行一段时间后再反复观察。

（3）微生物培养好后，逐渐调整进水水质指标，使进水氨氮含量稳定在80mg／L左右，同时检测确认溶解氧（好氧菌）在2～3mg／L，观察微生物胶团的颜色、大小及形状，0.5h后观测沉降的胶团体积，若其颜色为黄褐色，表明菌群正常；若颜色发黑发灰，则表明缺乏营养物质，需投加磷酸二氢钾、甲醇 （粗）溶液（COD≤300mg／L为宜）。在调节进水氨氮指标的同时，调整曝气调节池活性污泥的沉降比，胶团颜色一定要为黄褐色，如果反常，需加大曝气量，激发微生物好氧活性，延长微生物稳定生长期，发挥其稳定的氨氮降解能力，降低污水处理系统的压力。如果出水出现氨氮含量超标，不要着急，可对曝气生物滤池进行反洗，使老化生物膜脱落、代谢产物排出，让新生物膜和具有抗性的微生物发挥作用。

3 优化效果

2019年与2020年甘肃刘化污水处理系统出水指标（COD、氨氮、总氮）月均值及年均值见表1。可以看出，出水指标全部达标，且2020年出水指标年均值较2019年有所降低。

表1 2019年与2020年出水指标（COD、氨氮、总氮）月均值及年均值mg／L

4 结束语

通过几年来不断地摸索与总结，甘肃刘化污水处理系统工艺操作得到优化、各种管控措施得到落实，目前污水处理系统保持稳定运行状态，进水、排水系统各项工艺指标达到《合成氨工业水污染物排放标准》（GB13458—2013）要求，进一步削减了水污染物——COD、氨氦、总氮的排放总量，并将污水处理后绝大部分作为中水充分加以利用，符合当前的节水和环保要求，为甘肃刘化的可持续发展提供了有力的保障。