AO脱氮工艺pH与总氮去除相关性分析

AO脱氮工艺pH与总氮去除相关性分析

在AO（缺氧-好氧）脱氮工艺中，各个单元的pH值与总氮（TN）的去除效率高度相关。这种相关性主要体现在微生物活性（硝化菌和反硝化菌）和反应过程（硝化和反硝化）对pH的敏感性上。

以下是AO工艺各单元（缺氧池、好氧池）pH与总氮去除相关性的详细分析：

一. 缺氧池 (Anoxic Tank)

1.主要功能： 反硝化。反硝化菌利用有机碳源（BOD）作为电子供体，将好氧池回流过来的硝态氮（NO??）或亚硝态氮（NO??）还原为氮气（N?），从而去除氮。

2.pH与反硝化的关系：

（1）最佳范围： 反硝化菌在较宽的pH范围内都能工作，但最佳pH范围通常在7.0 - 8.5之间。

（2）低pH (<6.0 - 6.5) 的影响：

*显著抑制反硝化速率： 酶活性降低，微生物生长缓慢。

*积累亚硝酸盐 (NO??)： 低pH下，亚硝酸盐还原酶活性受抑制更严重，导致反硝化不完全，中间产物NO??积累。NO??本身也是总氮的一部分，其积累意味着TN去除不彻底。

*可能产生笑气 (N?O)： 低pH是导致反硝化过程中产生强温室气体N?O的主要因素之一。

（2）高pH (>9.0) 的影响：

*抑制反硝化： 虽然不如低pH敏感，但过高的pH也会抑制反硝化菌活性。

*游离氨 (FA) 毒性： 如果进水氨氮高，高pH条件下会形成更多游离氨（FA），FA对反硝化菌也有毒性。

3.pH变化趋势：

*上升： 反硝化过程会产生碱度（OH?离子）。每还原1克硝态氮（以NO??-N计），约产生3.57克碱度（以CaCO?计）。因此，缺氧池的pH通常高于进水pH，并高于好氧池pH。

4.对总氮去除的影响：

（1）关键作用： 缺氧池是TN去除的核心环节，反硝化效率直接决定了TN去除率。

（2）pH不合适的后果： pH过低会严重降低反硝化速率和彻底性，导致出水硝态氮（NO??）或亚硝态氮（NO??）浓度升高，总氮去除率下降。即使好氧池硝化效果很好，如果缺氧池反硝化因低pH受阻，TN也无法有效去除。

二. 好氧池 (Aerobic Tank)

1.主要功能： 硝化。硝化菌（氨氧化菌AOB和亚硝酸盐氧化菌NOB）将进水中的氨氮（NH??/NH?）氧化为亚硝酸盐（NO??），再进一步氧化为硝酸盐（NO??）。

2.pH与硝化的关系：

（1）最佳范围： 硝化菌对pH非常敏感。最佳pH范围在7.5 - 8.2之间。

（2）低pH (<7.0) 的影响：

*强烈抑制硝化速率： AOB和NOB的活性急剧下降，硝化过程变得非常缓慢甚至停止。

*AOB vs NOB抑制差异： 通常NOB比AOB对低pH更敏感。在pH低于7.0时，NOB活性受抑制程度大于AOB，可能导致亚硝酸盐（NO??）积累（部分亚硝化）。NO??也是总氮的一部分。

*游离亚硝酸 (FNA) 毒性： 如果发生亚硝态氮积累，在低pH下会形成游离亚硝酸（HNO?），对硝化菌（尤其是AOB）和反硝化菌都有强烈毒性，形成恶性循环。

（3）高pH (>8.5) 的影响：

*抑制硝化： 虽然不如低pH严重，但高pH也会降低硝化速率。

*游离氨 (FA) 毒性： 高pH条件下，即使总氨氮浓度不高，游离氨（FA）的比例也会显著升高。FA对AOB和NOB都有毒性（对NOB毒性更强），同样可能导致亚硝态氮积累。

（4）pH变化趋势：

*下降： 硝化过程是产酸反应，会消耗大量碱度。每氧化1克氨氮（以NH??-N计），约消耗7.14克碱度（以CaCO?计）。因此，好氧池的pH通常低于进水pH，并显著低于缺氧池pH。这是AO工艺中最常见的pH下降点。

（5）对总氮去除的影响：

基础作用： 好氧池高效的硝化是将氨氮转化为可被反硝化去除的硝态氮的前提。没有充分的硝化，缺氧池的反硝化就失去了作用对象（NO??/NO??）。

（6）pH不合适的后果：

*硝化不完全： 低pH或高pH（尤其是低pH）导致硝化速率下降或不完全，出水氨氮升高。氨氮是总氮的重要组成部分，其升高直接导致TN升高。

*亚硝态氮积累： 因pH导致的NOB抑制或FA/FNA毒性造成的亚硝态氮积累，增加了出水中可溶性氮的浓度（NO??也是TN的一部分）。

*影响回流液： 好氧池末端的pH过低，其混合液回流到缺氧池后，会降低缺氧池的pH，进而抑制缺氧池的反硝化效率，形成连锁负面效应。

三、总结：pH、碱度平衡与TN去除的全局观

1.硝化耗碱，反硝化产碱： 这是AO工艺pH变化的核心驱动力。好氧池的硝化消耗碱度导致pH下降，缺氧池的反硝化产生碱度导致pH上升。

2.碱度是缓冲剂： 进水中的碱度（主要是HCO??）是抵抗硝化引起的pH下降的关键缓冲物质。进水碱度不足是导致好氧池pH过低、硝化失败的最常见原因之一。

3.pH影响微生物活性： 硝化菌和反硝化菌都有其最佳pH范围。偏离最佳范围会降低其反应速率和效率。

4.单元间相互影响：

（1）好氧池硝化效果差（氨氮高） → 缺氧池缺乏反硝化底物（NO??） → TN去除率低。

（2）好氧池末端pH过低 → 回流液（内回流）pH低 → 降低缺氧池pH → 抑制缺氧池反硝化 → TN去除率低。

（3）缺氧池反硝化效率低 → 产碱少 → 回流到好氧池的混合液碱度低 → 削弱对好氧池硝化产酸的缓冲能力 → 好氧池pH更容易下降 → 抑制硝化 → 恶性循环。

（4）缺氧池反硝化效率高 → 产碱多 → 回流液碱度高 → 有助于稳定好氧池pH → 促进硝化。

2.总氮去除的瓶颈：

（1）当好氧池pH过低（<7.0）时，硝化通常是TN去除的瓶颈。

（2）当缺氧池pH过低（<6.5）时，即使硝化效果良好，反硝化也会成为TN去除的瓶颈。

3.操作建议与优化方向

（1）监测： 必须持续监测进水、缺氧池、好氧池（尤其是末端）、出水的pH值。

2.控制目标：

（1）好氧池： 尽可能维持在7.2 - 8.0（最好靠近7.5-8.0）。

（2）缺氧池： 尽可能维持在7.0 - 8.0。

（3）补充碱度： 如果好氧池pH持续低于7.2（尤其低于7.0），且确认是硝化耗碱所致，必须在好氧池（通常在进水端或前段）补充碱度。常用药剂：碳酸钠（Na?CO?, 苏打）、氢氧化钠（NaOH, 烧碱）、石灰（Ca(OH)?或CaO）。碳酸氢钠（NaHCO?, 小苏打）也是直接提供碱度的选择。选择需考虑成本、溶解性、对系统（如钙垢）的影响等。

（3）优化缺氧池反硝化： 确保缺氧池有充足且易降解的碳源（BOD）和合适的缺氧环境（DO<0.5 mg/L）。高效的反硝化能产生更多碱度，自然提升缺氧池pH并有助于稳定好氧池pH。

（4）优化回流比： 合理的内回流比（R）确保足够的硝态氮回流到缺氧池。合理的外回流比（r）将缺氧池产生的碱度带回好氧池，起到一定的pH缓冲作用。

（5）避免进水pH剧烈波动： 工业废水或特殊来源污水可能pH异常，需预处理调整。

三、结论：

在AO脱氮工艺中，维持好氧池和缺氧池在各自适宜的pH范围内，并确保有足够的碱度缓冲硝化过程的产酸，是保证硝化和反硝化高效进行、从而实现高效总氮去除的关键因素。pH控制不当（特别是好氧池pH过低）是导致AO工艺总氮去除失败的最常见原因之一。必须从全局角度理解硝化耗碱、反硝化产碱的平衡关系，并据此进行工艺监控和调控。