制革废水二沉池反硝化浮泥产生机理及解决措施
某制革厂生产过程中每天产生1500m3废水，生化采用两套单沟的Carrousel型氧化沟，几年来运行状况良好，2004年夏天二沉池出现大面积污泥上浮，PH降至6左右，生化系统处理能力下降。
1．工艺设计及运行状况
废水CODcr 、NH3浓度分别为6000mg/L、300 mg/L左右，采用物化+氧化沟工艺，其工艺流程见图1。
| 废水→格栅 → 调节池 —→ 混凝、沉淀池 → 氧化沟 → 二沉池 →出水 |
图1：废水处理工艺流程图
运行几年来，状况一直良好，其生化处理段部分指标如表1所示，其SV在90%以上，镜检可以发现大量的丝状菌，但并未对二沉池出水产生多大影响，生化处理段出水非常清澈，浊度一般小于10NTU。
表1：2004年以前生化段处理结果（单位：mg/L，PH无量纲）
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从04年4月分开始二沉池出现大面积污泥上浮并流失，同时氧化沟内混合液PH降至6左右，污泥增长减缓，取消剩余污泥排放并全部回流至氧化沟， SV仍降至20%左右，SVI在40~50ml/g，污泥活性变差，此时生化处理出水CODcr高于150mg/L，处理效果明显比以前差了。在调节池中加入石灰，但两个月下来均没有效果。到10月分气温降了下来，沉淀池浮泥才逐渐减少并最终消失，但氧化沟内PH偏低的现象没有多大改变。
2．硝化反应消耗碱度导致生化系统PH下跌
到05年4月上旬在测SV时发现，沉淀一段时间后量筒底部的污泥像木塞一样，缓缓的上浮，泥中夹杂着大量的小气泡，这是二沉池污泥上浮的先兆。取氧化沟内混合液加碱调节PH至7左右，曝气一段时间后，再测其PH又跌至6以下，再加碱调节、曝气也是同样的结果。这跟在调节池内加石灰而PH始终升不上去可能是同样的原因。取混合液就其氨氮和PH两个指标做进一步研究，分两份，一份静置，另一份曝气对比分析。4个小时后测其氨氮和PH，对其数据进行分析后将曝气那份加大曝气量再曝4个小时，其结果如表2所示。
表2：实验测试结果
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由：NH+4+2O2→NO-3+2H++H2O知硝化反应会消耗碱度，使PH降低。从上述实验的两次曝气的数据对比可以看出，曝气过程中PH和氨氮变化趋势基本是一致的。而静置那份时则由于厌氧反硝化反应的作用，由：6 NO-3+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH- 知反硝化过程会增加碱度，而上述实验测试正是PH值略有上升。由此可知对混合液进行曝气是由于发生了硝化反应致使碱度被消耗，随着PH的降低，消化反应的生物化学过程也受到了越来越大程度的抑制，最终PH稳定在5.5左右。
可以判定，氧化沟中PH的降低是因为硝化反应使系统内碱度被消耗，由于还有较高的氨氮含量，加入碱调节后进一步促进硝化反应，PH又重新跌下来。这也是在调节池加入石灰而氧化沟里PH始终没有改变的原因。
3．偏低的PH使微生物代谢减缓，系统处理能力降低
找到了PH下降的原因再进一步研究为什么从04年开始二沉池会突然发生污泥上浮滞。因为两套氧化沟和二沉池是各自独立的系统，在运行中出现了不一样的情况，正是这一差异为以后我们对问题的解决提供突破口。
4月，在测SV的时观察静置两、三个小时后出现污泥上浮这一现象，而且从静置到上浮的时间越来越短。连续几天取两个氧化沟的出水测其氨氮数据如表3所示。同样的进水，出水氨氮的含量竟如此悬殊，西氧化沟的氨氮含量比较低可能是发生了比较彻底的硝化反应。因此，可以推断西氧化沟的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量是比较高的，这也是为什么它的污泥在较短的时间内就上浮。而此时东氧化沟混合液虽静置后污泥不上浮，但在摇晃量筒时能看到小气泡从污泥中跑出，说明其发生反硝化的能力比较弱了。鉴于其氨氮含量还很高，再取混合液曝气，氨氮含量降到53.3mg/L，PH为5.71。静置后能观察到污泥上浮，很明显东
氧化沟混合液静置后污泥不上浮是因为氧化沟内反硝化较彻底。经测定东氧化沟亚硝酸盐氮、硝酸盐含量小于1.0mg/L,而西氧化沟内其含量则大于10mg/ L，与上述推断符合。由于对反硝化反应被抑制的原因未确定，所以采取增加负荷来降低系统内溶解氧，削弱消化反应的措施。虽然没能从根本上解决问题，但二沉池污泥上浮这一问题得到了极大的遏制，PH上升了，微生物的生长也恢复了，而且生化出水CODcr降至100mg/L左右。
到了9月份东氧化沟内PH又逐渐下降，SV也跌至20%左右，出水CODcr升至150mg/L~180mg/L,出现了以往的情况,而西氧化沟则运行正常。此时东、西两氧化沟氨氮和SVI值分别为150mg/L、250mg/L和50mL/g、80mL/g。东面氧化沟出水CODcr较高，而氨氮含量却更低，可以推断该氧化沟中溶解氧会高于西氧化沟，因为硝化反应需要充足的溶解氧。通过现场测定发现，东氧化沟溶解氧最低处在3mg/L左右，而西氧化沟溶解氧最低处在2mg/L左右。东氧化沟溶解氧含量明显要高，但其处理出水CODcr却反而较高，两个氧化沟内MLSS均在5000mg/L~6000mg/L，比较SVI后初步判断是由于东氧化沟内污泥活性较差，微生物量太少，微生物成为限制因素。通过把西氧化沟的剩余污泥排入东氧化沟，增加其微生物量，大约经过十天后，出水CODcr降至100mg/L左右，SV也升上去了，系统又恢复了。
在6月份时，由于一段时间生化进水CODcr浓度升高，在1500mg/L左右，生化系统严重恶化污泥由黄慢慢变黑，污泥由絮状呈细沙状，出水CODcr升高，最高达500mg/L以上。相比较2004年以前，有机负荷并不是很高，但由于污泥活性太差，超出了系统内微生物所能承受的负荷，所以导致整个生化处理的失败。其根本原因是PH偏低，微生物的代谢减缓，生化系
统的处理能力和抗冲击负荷能力降低了。
表3：2005年4月份、9月份监测数据表（平均值，单位：mg/L）
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4．污泥上浮的根本原因和解决办法
把污泥上浮时和2004年前的生化处理监测数据进行对比分析，见表4所示。
表4：污泥上浮前后部分监测资料对比表
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由于物化处理效率提高，生化进水COD下降，生化系统负荷降低了,溶解氧增加了，以前负荷较高氨氮硝化程度较低，现在由于溶解氧的升高（最低处也在3mg/L左右）硝化作用增强，但较高的溶解氧使反消化被抑制导致系统PH下降，较低的PH又影响了微生物的生长，这也就是SV下跌的原因,反过来降低了系统的处理效率，形成了恶性循环。
对于生物化学过程，反硝化产生的碱度可以补偿生物硝化所消耗的碱度的50%左右，在运行中也发现有时侯出水氨氮降到20mg/L左右，PH在7点多。我们认为这个时候负荷刚好恰到好处，氨氮得到了最大程度的消化，溶解氧被消耗后系统有缺氧的空间进行反消化，反硝化能进行得比较彻底，生化系统恢复酸碱平衡，同时溶解氧得到最大程度的利用，达到了一种平衡状态。影响硝化反应速度的主要原因是溶解氧浓度，故如何将溶解氧控制在恰当的水平，使硝化和反硝化相适应是进一步研究的方向，这样不仅可以使硝化反应进行得彻底，而且可以最大限度地提高反硝化脱氮效率。
从表3可以看西氧化沟出4月份有段时间出水氨氮相当低，硝化达到了非常高的程度，而此时该生化系统情况比较糟糕，对比9月份的数据让人十分困惑。随着生化系统好转，出水CODcr逐渐降低，氨氮则在不断上升。硝化菌比增长速率比异养菌小一个数量级左右，其增长特性与硝化菌的比增长速率和细胞平均停留时间有关，硝化菌这一特性决定了硝化系统一个十分有趣的事实，即活性污泥生物系统呈现要么硝化过程完全终止（硝化菌群完全被淘汰）；要么硝化进行得十分完全，除非微生物的增殖环境发生了变化，这一点已被大量的研究结果证实。在4月份由于西氧化沟未外排剩余污泥，形成了较长的污泥龄，积累了大量的硝化菌，加上有充足的溶解氧故硝化相当彻底。随后生化系统渐渐好转，我们认为是CODcr的降解消耗了更多的溶解氧，硝化反应受到了溶解氧的制约而减弱。受这一启发，找到了解决问题的思路，控制硝化的程度，要让溶解氧得到最大限度的消耗，在氧化沟中留下缺氧的空间让生化系统较彻底的反硝化，控制适当污泥龄来维持硝化菌在一定的数量达到控制硝化的程度目的，把污泥龄控制在17～21d,取得了较好的效果。
5．结论
① 以前生化系统负荷较高，氧化沟内溶解氧较低，氨氮硝化的程度也很低。进水CODcr降低后，氧化沟内溶解氧升高，硝化程度提高，由于缺乏缺氧的空间反硝化反应受到严重抑制，PH下降，导致微生物的代谢速度减慢，系统处理能力和抗冲击负荷能力降低。同时较高的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量使二沉池极易产生污泥上浮。
② 通过增加有机负荷来降低溶解氧，最终抑制硝化反应可以在很大程度上让问题得到缓解，但通过污泥龄来控制硝化程度，让溶解氧得到最大程度的利用，在氧化沟内形成好氧和厌氧交替状态，确保比较彻底的反硝化，氮得到最大程度的脱除，生化系统形成一良性循环。
参考文献：
[1].高廷耀、顾国维.水污染控制工程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1999。
[2].沈耀良、王宝贞.废水处理新技术-理论与应用[M].北京：中国环境科学出版社，1999。
[3]陈志艳．《论城市水资源的高效利用》[J]．现代商贸工业，2008，(8)．
收稿日期：2011-04-25
作者简介：李玉强（1978-）， 男，学士学位，助理工程师，研究方向：工业废水的治理。
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