制革廢水二沉池反硝化浮泥產生機理及解決措施
某制革廠生產過程中每天產生1500m3廢水，生化采用兩套單溝的Carrousel型氧化溝，幾年來運行狀況良好，2004年夏天二沉池出現大面積污泥上浮，PH降至6左右，生化系統處理能力下降。
1．工藝設計及運行狀況
廢水CODcr 、NH3濃度分別為6000mg/L、300 mg/L左右，采用物化+氧化溝工藝，其工藝流程見圖1。
| 廢水→格柵 → 調節池 —→ 混凝、沉淀池 → 氧化溝 → 二沉池 →出水 |
圖1：廢水處理工藝流程圖
運行幾年來，狀況一直良好，其生化處理段部分指標如表1所示，其SV在90%以上，鏡檢可以發現大量的絲狀菌，但并未對二沉池出水產生多大影響，生化處理段出水非常清澈，濁度一般小于10NTU。
表1：2004年以前生化段處理結果（單位：mg/L，PH無量綱）
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從04年4月分開始二沉池出現大面積污泥上浮并流失，同時氧化溝內混合液PH降至6左右，污泥增長減緩，取消剩余污泥排放并全部回流至氧化溝， SV仍降至20%左右，SVI在40~50ml/g，污泥活性變差，此時生化處理出水CODcr高于150mg/L，處理效果明顯比以前差了。在調節池中加入石灰，但兩個月下來均沒有效果。到10月分氣溫降了下來，沉淀池浮泥才逐漸減少并最終消失，但氧化溝內PH偏低的現象沒有多大改變。
2．硝化反應消耗堿度導致生化系統PH下跌
到05年4月上旬在測SV時發現，沉淀一段時間后量筒底部的污泥像木塞一樣，緩緩的上浮，泥中夾雜著大量的小氣泡，這是二沉池污泥上浮的先兆。取氧化溝內混合液加堿調節PH至7左右，曝氣一段時間后，再測其PH又跌至6以下，再加堿調節、曝氣也是同樣的結果。這跟在調節池內加石灰而PH始終升不上去可能是同樣的原因。取混合液就其氨氮和PH兩個指標做進一步研究，分兩份，一份靜置，另一份曝氣對比分析。4個小時后測其氨氮和PH，對其數據進行分析后將曝氣那份加大曝氣量再曝4個小時，其結果如表2所示。
表2：實驗測試結果
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由：NH+4+2O2→NO-3+2H++H2O知硝化反應會消耗堿度，使PH降低。從上述實驗的兩次曝氣的數據對比可以看出，曝氣過程中PH和氨氮變化趨勢基本是一致的。而靜置那份時則由于厭氧反硝化反應的作用，由：6 NO-3+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH- 知反硝化過程會增加堿度，而上述實驗測試正是PH值略有上升。由此可知對混合液進行曝氣是由于發生了硝化反應致使堿度被消耗，隨著PH的降低，消化反應的生物化學過程也受到了越來越大程度的抑制，最終PH穩定在5.5左右。
可以判定，氧化溝中PH的降低是因為硝化反應使系統內堿度被消耗，由于還有較高的氨氮含量，加入堿調節后進一步促進硝化反應，PH又重新跌下來。這也是在調節池加入石灰而氧化溝里PH始終沒有改變的原因。
3．偏低的PH使微生物代謝減緩，系統處理能力降低
找到了PH下降的原因再進一步研究為什么從04年開始二沉池會突然發生污泥上浮滯。因為兩套氧化溝和二沉池是各自獨立的系統，在運行中出現了不一樣的情況，正是這一差異為以后我們對問題的解決提供突破口。
4月，在測SV的時觀察靜置兩、三個小時后出現污泥上浮這一現象，而且從靜置到上浮的時間越來越短。連續幾天取兩個氧化溝的出水測其氨氮數據如表3所示。同樣的進水，出水氨氮的含量竟如此懸殊，西氧化溝的氨氮含量比較低可能是發生了比較徹底的硝化反應。因此，可以推斷西氧化溝的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮含量是比較高的，這也是為什么它的污泥在較短的時間內就上浮。而此時東氧化溝混合液雖靜置后污泥不上浮，但在搖晃量筒時能看到小氣泡從污泥中跑出，說明其發生反硝化的能力比較弱了。鑒于其氨氮含量還很高，再取混合液曝氣，氨氮含量降到53.3mg/L，PH為5.71。靜置后能觀察到污泥上浮，很明顯東
氧化溝混合液靜置后污泥不上浮是因為氧化溝內反硝化較徹底。經測定東氧化溝亞硝酸鹽氮、硝酸鹽含量小于1.0mg/L,而西氧化溝內其含量則大于10mg/ L，與上述推斷符合。由于對反硝化反應被抑制的原因未確定，所以采取增加負荷來降低系統內溶解氧，削弱消化反應的措施。雖然沒能從根本上解決問題，但二沉池污泥上浮這一問題得到了極大的遏制，PH上升了，微生物的生長也恢復了，而且生化出水CODcr降至100mg/L左右。
到了9月份東氧化溝內PH又逐漸下降，SV也跌至20%左右，出水CODcr升至150mg/L~180mg/L,出現了以往的情況,而西氧化溝則運行正常。此時東、西兩氧化溝氨氮和SVI值分別為150mg/L、250mg/L和50mL/g、80mL/g。東面氧化溝出水CODcr較高，而氨氮含量卻更低，可以推斷該氧化溝中溶解氧會高于西氧化溝，因為硝化反應需要充足的溶解氧。通過現場測定發現，東氧化溝溶解氧最低處在3mg/L左右，而西氧化溝溶解氧最低處在2mg/L左右。東氧化溝溶解氧含量明顯要高，但其處理出水CODcr卻反而較高，兩個氧化溝內MLSS均在5000mg/L~6000mg/L，比較SVI后初步判斷是由于東氧化溝內污泥活性較差，微生物量太少，微生物成為限制因素。通過把西氧化溝的剩余污泥排入東氧化溝，增加其微生物量，大約經過十天后，出水CODcr降至100mg/L左右，SV也升上去了，系統又恢復了。
在6月份時，由于一段時間生化進水CODcr濃度升高，在1500mg/L左右，生化系統嚴重惡化污泥由黃慢慢變黑，污泥由絮狀呈細沙狀，出水CODcr升高，最高達500mg/L以上。相比較2004年以前，有機負荷并不是很高，但由于污泥活性太差，超出了系統內微生物所能承受的負荷，所以導致整個生化處理的失敗。其根本原因是PH偏低，微生物的代謝減緩，生化系
統的處理能力和抗沖擊負荷能力降低了。
表3：2005年4月份、9月份監測數據表（平均值，單位：mg/L）
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4．污泥上浮的根本原因和解決辦法
把污泥上浮時和2004年前的生化處理監測數據進行對比分析，見表4所示。
表4：污泥上浮前后部分監測資料對比表
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由于物化處理效率提高，生化進水COD下降，生化系統負荷降低了,溶解氧增加了，以前負荷較高氨氮硝化程度較低，現在由于溶解氧的升高（最低處也在3mg/L左右）硝化作用增強，但較高的溶解氧使反消化被抑制導致系統PH下降，較低的PH又影響了微生物的生長，這也就是SV下跌的原因,反過來降低了系統的處理效率，形成了惡性循環。
對于生物化學過程，反硝化產生的堿度可以補償生物硝化所消耗的堿度的50%左右，在運行中也發現有時侯出水氨氮降到20mg/L左右，PH在7點多。我們認為這個時候負荷剛好恰到好處，氨氮得到了最大程度的消化，溶解氧被消耗后系統有缺氧的空間進行反消化，反硝化能進行得比較徹底，生化系統恢復酸堿平衡，同時溶解氧得到最大程度的利用，達到了一種平衡狀態。影響硝化反應速度的主要原因是溶解氧濃度，故如何將溶解氧控制在恰當的水平，使硝化和反硝化相適應是進一步研究的方向，這樣不僅可以使硝化反應進行得徹底，而且可以最大限度地提高反硝化脫氮效率。
從表3可以看西氧化溝出4月份有段時間出水氨氮相當低，硝化達到了非常高的程度，而此時該生化系統情況比較糟糕，對比9月份的數據讓人十分困惑。隨著生化系統好轉，出水CODcr逐漸降低，氨氮則在不斷上升。硝化菌比增長速率比異養菌小一個數量級左右，其增長特性與硝化菌的比增長速率和細胞平均停留時間有關，硝化菌這一特性決定了硝化系統一個十分有趣的事實，即活性污泥生物系統呈現要么硝化過程完全終止（硝化菌群完全被淘汰）；要么硝化進行得十分完全，除非微生物的增殖環境發生了變化，這一點已被大量的研究結果證實。在4月份由于西氧化溝未外排剩余污泥，形成了較長的污泥齡，積累了大量的硝化菌，加上有充足的溶解氧故硝化相當徹底。隨后生化系統漸漸好轉，我們認為是CODcr的降解消耗了更多的溶解氧，硝化反應受到了溶解氧的制約而減弱。受這一啟發，找到了解決問題的思路，控制硝化的程度，要讓溶解氧得到最大限度的消耗，在氧化溝中留下缺氧的空間讓生化系統較徹底的反硝化，控制適當污泥齡來維持硝化菌在一定的數量達到控制硝化的程度目的，把污泥齡控制在17～21d,取得了較好的效果。
5．結論
① 以前生化系統負荷較高，氧化溝內溶解氧較低，氨氮硝化的程度也很低。進水CODcr降低后，氧化溝內溶解氧升高，硝化程度提高，由于缺乏缺氧的空間反硝化反應受到嚴重抑制，PH下降，導致微生物的代謝速度減慢，系統處理能力和抗沖擊負荷能力降低。同時較高的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮含量使二沉池極易產生污泥上浮。
② 通過增加有機負荷來降低溶解氧，最終抑制硝化反應可以在很大程度上讓問題得到緩解，但通過污泥齡來控制硝化程度，讓溶解氧得到最大程度的利用，在氧化溝內形成好氧和厭氧交替狀態，確保比較徹底的反硝化，氮得到最大程度的脫除，生化系統形成一良性循環。
參考文獻：
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[2].沈耀良、王寶貞.廢水處理新技術-理論與應用[M].北京：中國環境科學出版社，1999。
[3]陳志艷．《論城市水資源的高效利用》[J]．現代商貿工業，2008，(8)．
收稿日期：2011-04-25
作者簡介：李玉強（1978-）， 男，學士學位，助理工程師，研究方向：工業廢水的治理。
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