每年的11月到次年的1月份是寒冬季節，北方的污水處理廠都在不同程度的面臨著低溫運行的問題，運營人員比較頭疼的問題有很多，但是很直接的反應到環保部門的，應該是出水氨氮超標的情況。當水溫下降到12攝氏度以下后，出水在線的氨氮超標成為大多數北方污水處理廠在寒冬季節最為頭疼的問題之一。這個在北方是有季節性的共性問題，但是也帶有一些各個水廠里面的個性問題，這次就結合幾個運行的水廠聊聊污水廠的氨氮問題。

　　由于市政污水廠絕大部分采用的是活性污泥的生物處理法，我們來看看在市政污水廠中生物脫氮的基本原理，脫氮過程一般包括氨化、硝化和反硝化三個過程。

　　① 氨化：污水中的含氮有機物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養型微生物氧化分解為氨氮的過程;

　　② 硝化：污水中的氨氮在硝化菌(好氧自養型微生物)的作用下被轉化為NO2-- 和NO3-的過程;

　　③ 硝化：污水中的NO2--和NO3--在缺氧條件下在反硝化菌(兼性異養型細菌)的作用下被還原為N2的過程。

　　從原理上看，污水廠的整個生物脫氮分為三步，結合現階段的環保部門對市政污水處理廠主要進行的監管是COD和氨氮，因此我們現階段第一步和第二步是比較關注的。

　　先看第一步的氨化作用，污水中的含氮有機物，在生物處理過程中被好氧或厭氧異養型微生物氧化分解為氨氮的過程;氨化其實就是把污水中高分子的含氮有機物(例如蛋白質、尿素等)轉化成氨氮的反應。在早期傳統的工藝，由于沒有設計脫氮工藝，會檢測出氨氮的倒掛現象，出水的氨氮比進水大氨氮還要高，這也是其中一個原因。在整個污水處理中，這一步不是我們今天主要討論的，因為我們需要的是降低出水氨氮，不是提高氨氮。

　　我們來看第二步的硝化反應：污水中的氨氮在硝化菌(好氧自養型微生物)的作用下被轉化為NO2-和NO3-的過程。它包括兩個基本反應步驟，第一階段是由亞硝酸菌將氨氮轉化為亞硝酸鹽，稱為亞硝化反應，亞硝酸菌中有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺旋桿菌屬和亞硝化球菌屬等。第二階段則由硝酸菌將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽，稱為硝化反應，硝酸菌有硝酸桿菌屬、螺菌屬和球菌屬等。

　　亞硝酸菌和硝酸菌統稱為硝化菌，均是化能自養菌。這類菌利用無機碳化合物如CO2、CO32-、HCO3-等作為碳源，通過與NH3、NH4+、NO2的氧化反應來獲得能量。

　　了解了硝化菌的作用以后，我們就明白，污水廠的氨氮去除其實主要就是來源于這兩種微生物，這兩種細菌在活性污泥中，對污水中的氨氮進行硝化，所以我們出水氨氮的升高，絕大部分原因就是這兩種細菌沒有很好的工作的原因。而污水廠的微生物管理理念，其實就是為了微生物提供更適宜的環境條件，使微生物充分發揮其作用，那么去除氨氮就是讓這兩種細菌高效的工作，那么我們就來細致的了解下這兩種微生物的進行硝化反應的環境條件吧。

　　亞硝化菌和硝化菌硝化反應所需要的環境條件，兩種硝化菌對環境的變化都很敏感，要求較苛刻，主要如下：

　　1.有機碳源

　　硝化菌是自養型細菌，如果污水中的碳源-BOD濃度過高，就會使增殖速度較高的異養型細菌迅速繁殖，從而使自養型的硝化菌得不到優勢而不能成為優占種屬，嚴重影響硝化反應的進行。因此應保持污水廠的低有機負荷，也就是高濃度的進水一定要對應高濃度的污泥濃度，在生物反應池內保持一個低的有機負荷從而有利于硝化菌的生長繁殖，達到處理氨氮的效果。

　　2.污泥齡

　　污泥齡是保證微生物在污水處理系統中的停留時間，即系統的污泥齡應大于硝化菌的最小世代時間，實際運行中，一般應取系統的污泥齡為硝化菌最小世代時間的三倍以上，不小于 3~5d，一般污水廠為了保證硝化反應的充分進行，污泥齡應大于 10d。

　　3.溶解氧

　　硝化反應過程中的第一步和第二步都是有氧參與的，所以污水廠的生物反應池內溶解氧的高低必將影響硝化的進程。有關研究表明，當DO<2mg/L，氨氮有可能完全硝化，但需要過長的污泥齡，因此，反應池內的硝化反應的溶解氧濃度≥2mg/L。

　　4.溫度

　　溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性。硝化反應的適宜溫度范圍是20~30℃。在10~30℃的范圍內，溫度的每升高10℃硝化的反應速率加快一倍。但達到30℃時增加幅度減少。當溫度低于5℃時，硝化細菌的生命活動幾乎停止。

　　5.pH值

　　硝化菌對pH值的變化非常敏感，最佳pH值范圍內為7.5~8.5，當 pH值低于7時，硝化速率明顯降低，低于6和高于9.6時,硝化反應將停止進行。

　　7.有害物質

　　對硝化反應產生抑制作用的有害物質主要有重金屬，高濃度的NH4+-N、NOX--N絡合陽離子和某些有機物。一般情況下，有毒物質主要抑制亞硝酸菌的生長，個別物質主要抑制硝酸菌的生長。

　　這是單獨分開對硝化反應的各個影響條件進行闡述的，但污水廠的實際中，往往是各種因素相互交織在一起的，比如說對于同時去除有機物和進行硝化反硝化的工藝，硝化菌約占活性污泥的5%左右，大部分硝化菌將處于生物絮體的內部。在這種情況下，溶解氧濃度的增加將會提高溶解氧對生物絮體的穿透力，從而提高硝化反應速率。因此，在污泥齡短時，由于含碳有機物氧化速率的增加，致使耗氧速率增加，減少了溶解氧對生物絮體的穿透力，進而降低了硝化反應速率;相反，在污泥齡長的情況下，耗氧速率較低，即使溶解氧濃度不高，也可保證溶解氧對生物絮體的穿透作用，從而維持較高的硝化反應速率。所以，當污泥齡降低時，為維持較高的硝化速率，則相應地提高溶解氧的濃度。

　　而北方冬季存在的問題更為復雜，北方的污水到了冬季由于居民用水習慣問題，冬季污水的各項濃度指標會增加，有機負荷增加，利于異養型的微生物生長，同時進水水溫開始下降，部分地區下降到10℃，，基本達到硝化菌活躍的最低溫度，同時由于冬季是北方活性污泥膨脹和泡沫的多發期，污水廠往往會控制污泥濃度，降低了污泥齡。這樣的情況，對硝化菌的硝化環境造成了很大的破環，因此冬季的北方污水處理廠的氨氮處理往往會出現各種各樣的問題，最終導致出水氨氮超標。

　　了解了硝化反應的微生物機理和環境條件以后，我們來結合近期的幾個污水廠的氨氮去除情況具體分析一下。

　　A 、LL污水處理廠。LL污水處理廠的工藝是A2O+MBR工藝，設計進水量為20000噸/日，實際進水量為7000噸/日之間。在之前的處理效果一直很好，出水的Cod在15mg/L上下，氨氮在1mg/L上下。2016年1月份外管網接入新的污水源，水量增加到12000噸/日左右，出水氨氮很快超標，最高能達到20mg/L。經過到廠里實地觀察。

　　(A2O池)

　　分析的超標原因有：

　　一、主要原因是由于污水干管的接入，入流水量增加，有機負荷提高。

　　二、對于污水量增大后的工藝調整不及時，曝氣量和污泥濃度沒有相應提高。三、冬季氣溫較低，微生物的活性較差，使氨氮超標。

　　四、現場A2O缺氧池內有部分推進器停用，造成活性污泥處理效果下降。

　　主要做的調整是：

　　一、有針對性的增加曝氣風量。全天的氣水比控制在9.88，可滿足新增污水的氨氮硝化反應所需氣量。

　　二、注意控制A2O池內的污泥濃度。調整污泥濃度為6000mg/L左右，回流污泥濃度為6800mg/L左右。重新確定污泥濃度的最佳值。

　　三、對現場設備進行檢修恢復正常運行。

　　(MBR池)

　　通過這些工作，氨氮很快恢復到達標出水的情況。LL水廠的主體工藝的可靠性還是很強，因為有MBR作為保障，它的出水超標原因主要是因為進水水量增加，廠內的工藝參數沒有及時調整。從反應機理來說在LL水廠的應用就是硝化反應的好氧條件的保障，進水量增大，有機負荷增加，異養型菌種的環境轉好，大量消耗氧氣，硝化菌的好氧條件無法保障，造成氨氮超標。污水的生物處理一定是水、氣、泥的三者的一個動態平衡，當任何一個參數發生改變的時候，一定要及時采取措施保證其他兩個參數及時配合，這樣才能保證整個出水的穩定達標。因此通過調高氣水比，增加污泥濃度，保證了氨氮的處理。從機理得到原因，就能夠控制到最后的出水達標。

　　B、運行較好的WH污水廠。WW污水處理廠是卡魯塞爾2000型氧化溝工藝，設計進水量為60000噸/日，實際進水量在40000噸/日上下，2014年做了三溝運行的工藝調整以后，2015年至今一直保持了穩定的運行。氨氮指標偶有超標，但都在可控范圍內。

　　(卡魯賽爾2000型氧化溝)

　　在2015年對WH廠的全年分析可以得出，氨氮的超標主要有兩種原因：一是與氧化溝的工藝調整有關，排泥不及時，表曝機損壞造成溶解氧供給不充足是造成超標的主要原因。二是進水水質中突然升高的情況，在年度分析中，可以看到在周末期間由于居民飲食習慣，造成進水中的有機污染物質高升，造成有機負荷增加，工藝調整無法實時跟進，造成處理出水的氨氮超標。這些超標的偶然因素高，大部分通過調整表曝機運行頻率，減少排泥，延長污泥齡等措施，就能及時恢復。

　　WH廠從總體來說，高濃度的進水氨氮，出水氨氮能夠穩定達標，分析原因有:一個是停留時間長，現階段進水40000噸/日，池體容積為60000噸/日，停留時間增加1.5倍，利于長泥齡的微生物存活反應，污泥齡長，有機負荷低，適合硝化菌生存。二是溶解氧充足，三溝運行，六臺表曝機運行提供了充足的溶解氧，因此氨氮的處理效果一直穩定。

　　C、LSQ污水處理廠。LSQ污水處理廠是2015年進行的生物膜改造成活性污泥的A2O工藝的一個污水處理廠，改造部分處理水量在10000噸/日。LSQ污水處理廠原有的土建結構為是地下式的污水處理廠，因此造成了改造工程中的很多問題，在冬季的運行中，改造部分的出水氨氮一直保持了穩定在2~3mg/L以下的水質，進水在40mg/L左右。LSQ廠的污泥濃度在2~3g/L之間，溶解氧很高，出口的溶解氧能達到3~4mg/L之間。分析LSQ廠氨氮穩定的原因，主要是保證了充足的溶解氧，另外地下式的構造，也保證了冬季的水溫穩定在12℃以上，受氣溫變化影響較少，從而保證了氨氮的穩定處理。

　　(地下式A2O池)

　　D、LS污水處理廠。LS污水處理廠在某年5月份進行了大修維護改造，從7月下旬開始培養活性污泥，出水水質在活性污泥穩定以后達標。但經過雨季后，出水水質開始有變化。LS水廠設計為10000噸/日的處理規模，實際進水量在7000噸/日之間，LS廠的主要運行難點有兩個，一個是雨污不分流導致夏季雨水稀釋過大，進水的碳源遠遠不足，二是厭、缺氧區設計的過于大，停留時間太長，導致進入到好氧階段的污水中的碳源急劇下降，不能滿足異養型細菌的生存，導致活性污泥老化解體，造成膨脹和污泥泡沫問題凸顯。

　　由于上述原因，LS水廠在季節交替期間容易發生活性污泥的生物泡沫情況。進水的碳源不足，如果依靠高溶解氧，低污泥負荷，長污泥齡來控制出水的氨氮和總氮，造成污泥老化和SV較高的現象也是正常，但是容易誘發生物泡沫的池體表面堆積。要保證出水氨氮、總氮達標，要保持高的濃度，可能池體表面就不會好看，要好看，氨氮就會超，這就是北方中小型污水廠冬季的最大問題。LS廠有典型的北方小城鎮的污水廠特性，C源不足，設計不完善，可調設備較少。因此LS廠的工藝操作一般比較保守，主要通過排泥的周期和排泥量來調控。氣溫的回升對水廠出水氨氮的影響很大。

　　(A2O池)

　　在冬季期間，LS廠曝氣池內水溫逐步下降到12℃左右，氨氮出水迅速超標到20mg/L。主要通過逐步增大活性污泥濃度，延長污泥齡，污泥濃度由原來的2g/L提高到4g/L左右，促進硝化菌的生長來控制氨氮，同時間斷性的增加曝氣風機的開啟臺數，由原來的一臺37KW的羅茨鼓風機24小時運行改為一臺24小時運行，另一臺夜間10點到第二天10點運行12小時，通過增加運行鼓風機臺數，增加了曝氣池內的曝氣量40000m3/日，保證了冬季低溫下的硝化菌耗氧量。在調整后4~5天后，出水氨氮從20mg/L下降到10mg/L，并有持續下降的趨勢。

　　以上就是四個污水廠的氨氮控制的一些簡單的介紹，這四個污水廠都在北方地區，冬季期間，水溫最低可達到8~9℃，從幾個污水廠的工藝運行控制來看，夏天同樣的工藝和條件，在冬季就要進行改變，才能保證出水達標。這是因為我們上篇講到了硝化菌的適宜溫度為25~30℃，冬季水溫下降，硝化菌的活性受到極大的抑制，在低溫情況下，我們還是希望硝化菌能夠發揮其作用，那么我們就人為的改變硝化菌的生存環境，比如提高濃度，就意味著增加了硝化菌的數量。硝化菌個體的處理能力下降，但是我們可以增加它們的數量，通過數量的提高彌補個體能力下降。而增加曝氣量可以提供更多的氧氣給硝化菌的硝化反應，雖然硝化菌不再活躍，但是更豐富的氧氣環境，可以打破原來的化學平衡，促進它的反應向右進行，還有就是采用底曝的生物反應池，鼓風機在冬季的出風溫度可以達到50~60℃，對水溫也起到一個升溫的作用，也有利于硝化菌的硝化反應。

　　但是我們也要注意，在冬季北方污水廠受到污泥膨脹和污泥泡沫的影響很大，污泥齡的提高會對絲狀菌及諾卡式菌提供適宜的環境，這樣就會導致絲狀菌和硝化菌同時得到適宜的環境，因此冬季的工藝管理也同樣需要對膨脹和泡沫進行關注。冬季工藝調整需要逐步穩妥進行，如果發現了污泥膨脹跡象，要及時進行排泥等方式進行控制，冬季的工藝管控其實更是平衡的把控。

　　污水廠的實戰操作往往受到污水廠的各種實地情況的制約，造成很多調整需要進行現場的權衡來進行決定工藝操作。所以工藝的調整一定要明確調整的原理和調整的目標，在調整過程中，對改變的環境因素進行監控，保障我們工藝調整的目標達到。今后公眾號會推出更多的實戰操作，來和大家一起討論污水廠的工藝運行中的問題解決，歡迎大家持續關注。