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摘 要：结合武汉石化污水处理装置运行经验，论述了BAF对氨氮的处理的优势，通过AO工艺和PACT工艺过程的分析，详述了活性污泥法氨氮难控制的原因分析及处理。通过实践，指出了：活性污泥性状差是制约硝化作用的因素之一，通过调整食微比（F/M），抑制丝状菌和污泥老化，改变污泥沉降性能，活性污泥对氨氮去除率可以稳定达到90%以上 。
關键词：活性污泥 ；氨氮；污泥性状； 硝化作用； 丝状菌； 污泥老化
引言
2017年7月1日《石油炼制工业污染物排放标准》（GB-31570-2015）和《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571-2015）执行，对“废水、废气、固体废弃物”处理处置提出了更加严格要求，其中GB-31570要求氨氮小于8mg/L，GB 31571-2015要求氨氮小于5mg/L，而京津翼等地方标准甚至要求氨氮小于1mg/L。在很多企业中污水处理场都存在活性污泥法去除氨氮效果不佳，于是很多企业采用了活性污泥法+BAF或MAR等生物膜法的组合工艺，甚至通过投加大量的生物制剂来实现氨氮的降解，外排水质明显得到改善，但系统运行成本较高。
中国石化武汉分公司公用工程部根据装置污水水质情况“污污分治”，其中第二污水处理场采用“AO+接触氧化”工艺处理低浓度含油污水，，高浓度污水处理场采用西门子“PACT+WAR”工艺处理高浓度含盐污水。两套污水处理场在实际运行过程中，发现AO池去CODCr能力较强，对氨氮能力较差，甚至倒挂情况，硝化作用建立极不稳定，而PACT工艺也经历出水氨氮难去除的过程。在长期的工作积累和分析研究，逐渐找出了活性污泥去除氨氮效率低的原因及应对措施。
1.污水处理工艺概况
第二污水处理场采用“A/O法+接触氧化法” 工艺（见图-1），设计处理量400m3/h，实际处理量约320m3/h。主要处理1#2#常减压、1#2#催化、1#3#加氢、焦化、铁路、三污、罐区、聚丙烯装置、常压污水汽提、联合三装置等装置的含油污水。
高浓度污水处理场采用“PACT+WAR”工艺（见图-2），设计处理量为200t/h，实际处理量约为150t/h，主要处理1#2#电脱盐，1#2#脱硫脱硝，循环水排污水、热电中和池排污水、罐区切水及部分装置含油污水。
深度处理装置分含油和含盐两个系列由三套装置（反硝化滤池、BAF和臭氧催化氧化）组成，含盐含油系列处理量各为200m3/h。 含油系列对第二污水处理场污水进一步提标，因进水总氮较低，设计流程为“BAF+臭氧催化氧化”确保CODCr、氨氮达标；含盐系列对高浓度污水处理场污水进一步提标，因高浓度污水处理场无缺氧反硝化流程，设计流程为“反硝化+BAF+臭氧催化氧化”。
2. 硝化作用原理及运行状况分析
2.1 硝化阶段机理及工艺控制要求
硝化菌包括硝化菌和亚硝化菌，属于专性好氧菌，利用无机化合物如CO32-，HCO3-，CO2等作为碳源，从NH4+或NO2-的氧化反应中获得能量，氧化为NO2-的产生的能量约为242.8-351.7kj/mol，氧化为NO3-产生的能量约为64.5-87.5 kj/mol，能量利用率约为5%-15%。氨氮氧化是由两组自养好氧型微生物通过两个过程完成的：第一步由亚硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸根；第二步再由硝化菌将亚硝化菌氧化为硝酸根。具体过程见图-3和图-4。
硝化反应公式：
2NH4++3O2→NO2-+2H2O+4H+
2NO2·+O2→NO3-
硝化菌主要特点及影响因素：
1、好氧条件，以CO32-、HCO3-和CO2为碳源，溶解氧控制需要在2mg/L以上；
2、自养型细菌，利用硝化反应放出的能量进行细胞合成亚硝酸菌、硝酸菌；
3、pH和碱度，1g氨氮需要7.14g碱度（碳酸钙计），PH最佳控制范围是7.5-8.5，小于6或大于9.6硝化停止；
4、硝化过程细胞产率很低，增殖速率较异养菌低10倍，敏感性强 ，BOD5过高会导致其他异养型细菌大量繁殖，硝化菌将无法优势生长，一般BOD5/TKN大于5；
5、污泥龄。为了保证好氧系统的微生物中有足够的硝化菌，通常将污泥龄控制在10天以上；
6、水温，影响增长速率和活性，最佳30-35℃（15 ℃以下需延长泥龄，低于 5 ℃完全停止）；
7、硝化反应速率取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率，不会出现亚硝酸根的积累。
2.2 运行状况介绍
通过调查两套污水处理场及深度处理装置运行情况，对低含盐和高含盐两种不同水质的处理数据进行统计，对结果进行分析。数据统计见表-1和表-2。
两套污水处理场在日常运行中存在的问题：（1）由于二段PACT进水可生化性差，氧气消耗量小，为确保污泥不下沉必须给予一定的曝气量，溶解氧长期控制在6mg/L以上，污泥处于过氧化状态。（2）AO池污泥沉降性能差，SVI长期大于400，二沉池出水发黄，出水长期夹带细小颗粒，通过镜检发现有典型的丝状菌膨胀和污泥老化的特征[1]。
通过表-1和表-2数据可以看出，2019年9月份两套污水处理场AO池及PACT出水COD均小于60 mg/L，去除率分别达到了89.9%和89.4%。然而AO池和PACT均无硝化作用，出水氨氮难以控制。接触氧化池及深度处理曝气生物滤池出水氨氮均小于2mg/L，去除率分别达到了98.4%和96.7%。
其中PACT二段生化进水BOD5 <10 mg/L，B/C小于0.2的情况下，仍无明显硝化作用，对比深度处理BAF却有高效、稳定的硝化反应，结合AO池及接触氧化池出水数据可以得出结论：工艺控制参数（参见表-3）在满足硝化作用的条件下，高含盐及其他水质环境并非是造成两套污水处理场生化系统无硝化作用的因素。 2.3 污泥性状对硝化作用的影响
通过对不同工艺硝化菌生存环境的对比发现，AO工艺及PACT工艺都是通过附着在活性污泥菌胶团表面的硝化菌产生硝化作用从而达到去除氨氮的效果，接触氧化池及曝气生物滤池（BAF）时通过附着在填料上硝化菌产生硝化作用。在相同的水质条件下，硝化反应的强弱往往决定于硝化菌数量的多少。可以看出，曝气生物滤池（BAF）硝化菌生物量远远要大于二段PACT，或者二段PACT出现了抑制硝化菌生长和作用的因素。可以推论，，活性污泥的性状可能是影响去氨氮效果的主要因素。为此，对硝化菌的生理特性进行了详细的分析。
硝化菌粒径仅为1μm，对固体表面有一定的附着能力，具有附着在固体表面生长的习性，靠菌体的鞭毛和布朗作用两种方式迁移。在迁移中的硝化菌是不能进行硝化作用的，必须附着在固体表面安定下来后才能进行，迁移过程中需要消耗大量能量，因此硝化菌通常不乐意作主动的迁移运动。硝化菌仍可能在以下情况作主动性迁移：（1）环境受到外界干扰，（2）缺少生存资源，（3）有掠夺者入侵，（4）生活环境突然改变。在活性污泥中，硝化菌一般附着在活性污泥颗粒的表层生长，，当活性污泥系统BOD5负荷很低，硝化菌相较于异养菌是优勢菌。但生化池长期处于过渡延时曝气，营养物质耗尽时，异养菌多呈衰退型由稳定期进入内源呼吸期，此时不仅细胞内含物被消耗和降解，而且细胞间粘性物质（荚膜）也会被部分消耗和分解，活性污泥颗粒局部解体，粘附力减弱，污泥颗粒细微化，大量细碎污泥流失[2]。在这种情况下，处于活性污泥颗粒表层的硝化菌大幅流失。为了使活性污泥既有较好的活性和良好的沉降性能，在实际中常将活性污泥控制住稳定期末期和衰退期初期，这样硝化菌也能稳定的生长。
通过对硝化菌特性，结合AO池和PACT运行情况进行诊断分析，发现丝状菌膨胀和污泥老化解体是造成硝化菌流失的主要因素。
3、控制措施
通过以上分析，两套污水处理场分别采取了以下应对措施：
1.针对AO池丝状菌膨胀，通过向AO池投加氢氧化钠，PH控制到9.5-10，对进行杀灭和抑制丝状菌的生长。当丝状菌镜检发现不占优势后，停止强氧化钠的投加，PH恢复至7-8促进生化系统的恢复；
2.增加AO池剩余活性污泥的排放量，将泥龄控制到30天，防止污泥老化。
3.针对二段PACT进水负荷低，污泥长期过氧化的情况，选择适合的PAM进行连续投加，并适量从一段PACT补充性能好的污泥有利于提高污泥的絮凝性能，将细小污泥再次絮凝提高沉降性能，防止硝化菌的流失。
4、结果与讨论
（1） 投加氢氧化钠对生化系统的影响
氢氧化钠投加采用质量分数30%的氢氧化钠溶液，小量连续性投加，计量泵设置投加量约0.5t/h，PH控制9-10之间，防止对生化系统产生冲击，影响出水水质。投加过程中，发现丝状菌逐步减少，约3周的时间后镜检发现活性污泥无明显丝状菌存在，于是暂停氢氧化钠的投加，PH逐步恢复至7-8之间，期间二沉池出水CODCr并未受到影响。具体数据见图-5。
（2）控制合理的排泥，将食微比控制在合理范围
由于丝状菌的比表面巨大，其吸收污水中有机物的能力高于菌胶团，对低负荷运行有较好的耐受能力，所以长期低负荷运行，对活性污泥菌胶团是不利的，特别是因为低负荷运行导致活性污泥发生老化的时候。适当增加排泥量，将食微比（F/M）控制在0.1-0.3kg BOD5 /（kgMLSS·d-1），可以提高新生污泥的再生和活性污泥的活性，防止污泥老化解体，进而保证生化系统运行的稳定[3]。经过对丝状菌的杀灭和活性污泥的再生，SV30从95降至80以下，SS降至20以下，沉降性能明显改善，硝化作用逐步建立。
（3）选择合适的絮凝剂投加
高浓度污水处理场二段PACT由于进水可生化性差，生化池中活性污泥处于内源呼吸期，活性污泥大量老化分解，硝化菌大量流失。通过从一段生化补充污泥维持一定污泥浓度的前提下，投加阳离子聚丙烯酰胺，减少污泥的流失。措施实施后效果明显，二段澄清池出水SS明显减少，一周内氨氮也逐步下降。
经过上述处理措施后，含油含盐两套污水处理系统氨氮去除能力逐步提高至95%以上，出水氨氮质量浓度趋势图见图-6和图-7 。
5、结论
生化系统是个复杂的系统，涉及多个控制参数，这些参数恰恰是相互关联的。由于硝化菌增殖速率低，敏感性强，装置源头污水存在难监测，管理难度大的问题，造成硝化作用难建立和难稳定的现状。对活性污泥性状的观察和分析，有助发现硝化作用难建立的原因。食微比过低，正常菌胶团环境受到抑制，污泥的老化分解和丝状菌膨胀，放流出水就会出现夹带细小颗粒的情况，加剧硝化菌的流失。根据生产情况，适当提高食微比，并投加絮凝剂加以辅助，在进水水质正常平稳的情况下，硝化作用能较快的建立和恢复。
参考文献：
[1]高廷耀，顾国维，周琪.水污染控制工程[M] 第四版下册.北京：高等教育出版社，2015. 92-95.
[2]张建丰.活性污泥法工艺控制[M].北京：中国电力出版社，2011.6： 149-168.
[3]张建丰.活性污泥法工艺控制[M].北京：中国电力出版社，2011.6： 45-47.
關键词：活性污泥 ；氨氮；污泥性状； 硝化作用； 丝状菌； 污泥老化
引言
2017年7月1日《石油炼制工业污染物排放标准》（GB-31570-2015）和《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571-2015）执行，对“废水、废气、固体废弃物”处理处置提出了更加严格要求，其中GB-31570要求氨氮小于8mg/L，GB 31571-2015要求氨氮小于5mg/L，而京津翼等地方标准甚至要求氨氮小于1mg/L。在很多企业中污水处理场都存在活性污泥法去除氨氮效果不佳，于是很多企业采用了活性污泥法+BAF或MAR等生物膜法的组合工艺，甚至通过投加大量的生物制剂来实现氨氮的降解，外排水质明显得到改善，但系统运行成本较高。
中国石化武汉分公司公用工程部根据装置污水水质情况“污污分治”，其中第二污水处理场采用“AO+接触氧化”工艺处理低浓度含油污水，，高浓度污水处理场采用西门子“PACT+WAR”工艺处理高浓度含盐污水。两套污水处理场在实际运行过程中，发现AO池去CODCr能力较强，对氨氮能力较差，甚至倒挂情况，硝化作用建立极不稳定，而PACT工艺也经历出水氨氮难去除的过程。在长期的工作积累和分析研究，逐渐找出了活性污泥去除氨氮效率低的原因及应对措施。
1.污水处理工艺概况
第二污水处理场采用“A/O法+接触氧化法” 工艺（见图-1），设计处理量400m3/h，实际处理量约320m3/h。主要处理1#2#常减压、1#2#催化、1#3#加氢、焦化、铁路、三污、罐区、聚丙烯装置、常压污水汽提、联合三装置等装置的含油污水。
高浓度污水处理场采用“PACT+WAR”工艺（见图-2），设计处理量为200t/h，实际处理量约为150t/h，主要处理1#2#电脱盐，1#2#脱硫脱硝，循环水排污水、热电中和池排污水、罐区切水及部分装置含油污水。
深度处理装置分含油和含盐两个系列由三套装置（反硝化滤池、BAF和臭氧催化氧化）组成，含盐含油系列处理量各为200m3/h。 含油系列对第二污水处理场污水进一步提标，因进水总氮较低，设计流程为“BAF+臭氧催化氧化”确保CODCr、氨氮达标；含盐系列对高浓度污水处理场污水进一步提标，因高浓度污水处理场无缺氧反硝化流程，设计流程为“反硝化+BAF+臭氧催化氧化”。
2. 硝化作用原理及运行状况分析
2.1 硝化阶段机理及工艺控制要求
硝化菌包括硝化菌和亚硝化菌，属于专性好氧菌，利用无机化合物如CO32-，HCO3-，CO2等作为碳源，从NH4+或NO2-的氧化反应中获得能量，氧化为NO2-的产生的能量约为242.8-351.7kj/mol，氧化为NO3-产生的能量约为64.5-87.5 kj/mol，能量利用率约为5%-15%。氨氮氧化是由两组自养好氧型微生物通过两个过程完成的：第一步由亚硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸根；第二步再由硝化菌将亚硝化菌氧化为硝酸根。具体过程见图-3和图-4。
硝化反应公式：
2NH4++3O2→NO2-+2H2O+4H+
2NO2·+O2→NO3-
硝化菌主要特点及影响因素：
1、好氧条件，以CO32-、HCO3-和CO2为碳源，溶解氧控制需要在2mg/L以上；
2、自养型细菌，利用硝化反应放出的能量进行细胞合成亚硝酸菌、硝酸菌；
3、pH和碱度，1g氨氮需要7.14g碱度（碳酸钙计），PH最佳控制范围是7.5-8.5，小于6或大于9.6硝化停止；
4、硝化过程细胞产率很低，增殖速率较异养菌低10倍，敏感性强 ，BOD5过高会导致其他异养型细菌大量繁殖，硝化菌将无法优势生长，一般BOD5/TKN大于5；
5、污泥龄。为了保证好氧系统的微生物中有足够的硝化菌，通常将污泥龄控制在10天以上；
6、水温，影响增长速率和活性，最佳30-35℃（15 ℃以下需延长泥龄，低于 5 ℃完全停止）；
7、硝化反应速率取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率，不会出现亚硝酸根的积累。
2.2 运行状况介绍
通过调查两套污水处理场及深度处理装置运行情况，对低含盐和高含盐两种不同水质的处理数据进行统计，对结果进行分析。数据统计见表-1和表-2。
两套污水处理场在日常运行中存在的问题：（1）由于二段PACT进水可生化性差，氧气消耗量小，为确保污泥不下沉必须给予一定的曝气量，溶解氧长期控制在6mg/L以上，污泥处于过氧化状态。（2）AO池污泥沉降性能差，SVI长期大于400，二沉池出水发黄，出水长期夹带细小颗粒，通过镜检发现有典型的丝状菌膨胀和污泥老化的特征[1]。
通过表-1和表-2数据可以看出，2019年9月份两套污水处理场AO池及PACT出水COD均小于60 mg/L，去除率分别达到了89.9%和89.4%。然而AO池和PACT均无硝化作用，出水氨氮难以控制。接触氧化池及深度处理曝气生物滤池出水氨氮均小于2mg/L，去除率分别达到了98.4%和96.7%。
其中PACT二段生化进水BOD5 <10 mg/L，B/C小于0.2的情况下，仍无明显硝化作用，对比深度处理BAF却有高效、稳定的硝化反应，结合AO池及接触氧化池出水数据可以得出结论：工艺控制参数（参见表-3）在满足硝化作用的条件下，高含盐及其他水质环境并非是造成两套污水处理场生化系统无硝化作用的因素。 2.3 污泥性状对硝化作用的影响
通过对不同工艺硝化菌生存环境的对比发现，AO工艺及PACT工艺都是通过附着在活性污泥菌胶团表面的硝化菌产生硝化作用从而达到去除氨氮的效果，接触氧化池及曝气生物滤池（BAF）时通过附着在填料上硝化菌产生硝化作用。在相同的水质条件下，硝化反应的强弱往往决定于硝化菌数量的多少。可以看出，曝气生物滤池（BAF）硝化菌生物量远远要大于二段PACT，或者二段PACT出现了抑制硝化菌生长和作用的因素。可以推论，，活性污泥的性状可能是影响去氨氮效果的主要因素。为此，对硝化菌的生理特性进行了详细的分析。
硝化菌粒径仅为1μm，对固体表面有一定的附着能力，具有附着在固体表面生长的习性，靠菌体的鞭毛和布朗作用两种方式迁移。在迁移中的硝化菌是不能进行硝化作用的，必须附着在固体表面安定下来后才能进行，迁移过程中需要消耗大量能量，因此硝化菌通常不乐意作主动的迁移运动。硝化菌仍可能在以下情况作主动性迁移：（1）环境受到外界干扰，（2）缺少生存资源，（3）有掠夺者入侵，（4）生活环境突然改变。在活性污泥中，硝化菌一般附着在活性污泥颗粒的表层生长，，当活性污泥系统BOD5负荷很低，硝化菌相较于异养菌是优勢菌。但生化池长期处于过渡延时曝气，营养物质耗尽时，异养菌多呈衰退型由稳定期进入内源呼吸期，此时不仅细胞内含物被消耗和降解，而且细胞间粘性物质（荚膜）也会被部分消耗和分解，活性污泥颗粒局部解体，粘附力减弱，污泥颗粒细微化，大量细碎污泥流失[2]。在这种情况下，处于活性污泥颗粒表层的硝化菌大幅流失。为了使活性污泥既有较好的活性和良好的沉降性能，在实际中常将活性污泥控制住稳定期末期和衰退期初期，这样硝化菌也能稳定的生长。
通过对硝化菌特性，结合AO池和PACT运行情况进行诊断分析，发现丝状菌膨胀和污泥老化解体是造成硝化菌流失的主要因素。
3、控制措施
通过以上分析，两套污水处理场分别采取了以下应对措施：
1.针对AO池丝状菌膨胀，通过向AO池投加氢氧化钠，PH控制到9.5-10，对进行杀灭和抑制丝状菌的生长。当丝状菌镜检发现不占优势后，停止强氧化钠的投加，PH恢复至7-8促进生化系统的恢复；
2.增加AO池剩余活性污泥的排放量，将泥龄控制到30天，防止污泥老化。
3.针对二段PACT进水负荷低，污泥长期过氧化的情况，选择适合的PAM进行连续投加，并适量从一段PACT补充性能好的污泥有利于提高污泥的絮凝性能，将细小污泥再次絮凝提高沉降性能，防止硝化菌的流失。
4、结果与讨论
（1） 投加氢氧化钠对生化系统的影响
氢氧化钠投加采用质量分数30%的氢氧化钠溶液，小量连续性投加，计量泵设置投加量约0.5t/h，PH控制9-10之间，防止对生化系统产生冲击，影响出水水质。投加过程中，发现丝状菌逐步减少，约3周的时间后镜检发现活性污泥无明显丝状菌存在，于是暂停氢氧化钠的投加，PH逐步恢复至7-8之间，期间二沉池出水CODCr并未受到影响。具体数据见图-5。
（2）控制合理的排泥，将食微比控制在合理范围
由于丝状菌的比表面巨大，其吸收污水中有机物的能力高于菌胶团，对低负荷运行有较好的耐受能力，所以长期低负荷运行，对活性污泥菌胶团是不利的，特别是因为低负荷运行导致活性污泥发生老化的时候。适当增加排泥量，将食微比（F/M）控制在0.1-0.3kg BOD5 /（kgMLSS·d-1），可以提高新生污泥的再生和活性污泥的活性，防止污泥老化解体，进而保证生化系统运行的稳定[3]。经过对丝状菌的杀灭和活性污泥的再生，SV30从95降至80以下，SS降至20以下，沉降性能明显改善，硝化作用逐步建立。
（3）选择合适的絮凝剂投加
高浓度污水处理场二段PACT由于进水可生化性差，生化池中活性污泥处于内源呼吸期，活性污泥大量老化分解，硝化菌大量流失。通过从一段生化补充污泥维持一定污泥浓度的前提下，投加阳离子聚丙烯酰胺，减少污泥的流失。措施实施后效果明显，二段澄清池出水SS明显减少，一周内氨氮也逐步下降。
经过上述处理措施后，含油含盐两套污水处理系统氨氮去除能力逐步提高至95%以上，出水氨氮质量浓度趋势图见图-6和图-7 。
5、结论
生化系统是个复杂的系统，涉及多个控制参数，这些参数恰恰是相互关联的。由于硝化菌增殖速率低，敏感性强，装置源头污水存在难监测，管理难度大的问题，造成硝化作用难建立和难稳定的现状。对活性污泥性状的观察和分析，有助发现硝化作用难建立的原因。食微比过低，正常菌胶团环境受到抑制，污泥的老化分解和丝状菌膨胀，放流出水就会出现夹带细小颗粒的情况，加剧硝化菌的流失。根据生产情况，适当提高食微比，并投加絮凝剂加以辅助，在进水水质正常平稳的情况下，硝化作用能较快的建立和恢复。
参考文献：
[1]高廷耀，顾国维，周琪.水污染控制工程[M] 第四版下册.北京：高等教育出版社，2015. 92-95.
[2]张建丰.活性污泥法工艺控制[M].北京：中国电力出版社，2011.6： 149-168.
[3]张建丰.活性污泥法工艺控制[M].北京：中国电力出版社，2011.6： 45-47.