PH值和堿度對(duì)生物硝化的影響

◎朱國(guó)普

引言：隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)化程度提高，但同時(shí)也導(dǎo)致含氮化合物排放量日益增加，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題愈加嚴(yán)重化，“赤潮”現(xiàn)象在各地區(qū)海域中高頻率出現(xiàn)，對(duì)我國(guó)漁業(yè)、旅游業(yè)等相關(guān)行業(yè)發(fā)展帶來(lái)極大危害影響。因此，國(guó)家逐漸開(kāi)始重視防治廢水氮素污染，其中生物脫氮法是目前廢水處理過(guò)程中廣泛應(yīng)用的技術(shù)手段之一，硝化作為廢水生物脫氮工藝流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無(wú)論新舊硝化-反硝化工藝均需要硝化反應(yīng)支持。不同PH值對(duì)生物硝化工藝應(yīng)用效果均有不同的影響，主要包括硝化速度、轉(zhuǎn)化效率等，也會(huì)間接影響硝化反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在明確pH值和堿度對(duì)生物硝化產(chǎn)生影響的前提下，如何采取相應(yīng)措施控制極易大幅度波動(dòng)的pH值，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問(wèn)題。

一、pH值對(duì)生物硝化的影響

1.pH值影響硝化細(xì)菌生長(zhǎng)與代謝。

生物硝化效果與硝化細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝有著十分密切的關(guān)系，硝化細(xì)菌保持良好的活性與合適的數(shù)量，能夠有效保障硝化作用強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)此方面相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)研，當(dāng)達(dá)到一定環(huán)境條件下的pH值，在某種程度上硝化細(xì)菌的活性會(huì)受到抑制影響，難以確保硝化細(xì)菌正常生長(zhǎng)與代謝；各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)pH值在7.0-8.5范圍區(qū)間內(nèi)，是適合亞硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)最佳環(huán)境條件，適合硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)最佳生長(zhǎng)環(huán)境條件則是在6.0-7.5的pH值范圍區(qū)間內(nèi)。從整體上看，相較于硝酸細(xì)菌，在適宜pH值、生長(zhǎng)速率以及細(xì)胞產(chǎn)出率等方面，亞硝酸細(xì)菌的工作性質(zhì)均高于后者。

亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌所需能源均由氨和亞硝酸鹽提供，當(dāng)發(fā)生氮氧化反應(yīng)與亞硝酸鹽氧化反應(yīng)時(shí)，可以根據(jù)氧化反應(yīng)情況來(lái)判斷是否是亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌，在合適的pH值環(huán)境中，亞硝酸細(xì)菌的氨氧化速率明顯高于硝酸細(xì)菌，說(shuō)明硝化細(xì)菌活性也高于硝酸細(xì)菌。

氨以離子形態(tài)或者以游離的狀態(tài)在水溶液中出現(xiàn)，氨離子形態(tài)會(huì)抑制亞硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)及代謝，而游離狀態(tài)的氨則是亞硝酸細(xì)菌真正基質(zhì)。高濃度游離氨，會(huì)對(duì)亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝產(chǎn)生抑制影響，當(dāng)濃度值達(dá)到40mgN／L時(shí)，抑制影響直接發(fā)生。與此同時(shí)，游離氨也會(huì)對(duì)硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝產(chǎn)生一定抑制影響，當(dāng)濃度值達(dá)到0.6mgN／L時(shí)，氨對(duì)硝酸細(xì)菌的抑制影響明顯低于前者。

亞硝酸細(xì)菌代謝后，則會(huì)生成游離亞硝酸，為硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)提供基質(zhì)，反過(guò)來(lái)當(dāng)濃度值達(dá)到0.6mgN／L時(shí)，游離亞硝酸將抑制亞硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)及代謝；當(dāng)濃度值達(dá)到2.8mgN／L時(shí)，相較于游離亞硝酸對(duì)亞硝酸細(xì)菌抑制的敏感性，硝酸細(xì)菌明顯高于前者。

導(dǎo)致pH值下降的成因主要涉及兩個(gè)方面：一是進(jìn)水堿度未達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)要求；二是進(jìn)水碳源不足支撐生物硝化反應(yīng)，無(wú)法對(duì)生物硝化所消耗的堿度進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)廢水中堿度不足時(shí)候，再加上受到高TKN負(fù)荷影響，使得廢水中原有堿度內(nèi)全部耗盡，促使溶液中pH值下降，進(jìn)而制約生物硝化速率。當(dāng)廢水中無(wú)強(qiáng)酸排進(jìn)時(shí)，此時(shí)廢水更加偏向堿性，所顯示的pH值普遍高于7.0，廢水中堿度大小直接關(guān)系著pH值。因此，在生物硝化反應(yīng)系統(tǒng)中，必須對(duì)pH值進(jìn)行合理調(diào)控，適宜的pH值，更加有利于生物硝化系統(tǒng)運(yùn)行效能產(chǎn)出。另外，當(dāng)pH值高于既定限值時(shí)，則表示需要增加廢水中堿度，確保生物硝化反應(yīng)效果。

2.pH值影響硝化基質(zhì)及產(chǎn)出物質(zhì)形態(tài)。

上述提到，游離氨即會(huì)抑制亞硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝，同時(shí)也為亞硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)及代謝提供基質(zhì)。環(huán)境溫度達(dá)到20度時(shí)，游離氨占總氨濃度比例分析參考圖1。

圖1 環(huán)境溫度達(dá)到20度時(shí)，游離氨占總氨濃度比例分析

從圖1所顯示的信息來(lái)看，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到20度時(shí)，游離氨占據(jù)總氨濃度較大比例，呈急劇增大趨勢(shì)；若總氨濃度在此環(huán)境中較低，可對(duì)pH值進(jìn)行增大調(diào)整，以此來(lái)達(dá)到將基質(zhì)有效性進(jìn)行增強(qiáng)目的；若總氨濃度在此環(huán)境中過(guò)高，在增大pH值影響下，容易引發(fā)氨毒，這一點(diǎn)情況是操作生物硝化反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，需要給予高度關(guān)注的問(wèn)題。

游離亞硝酸為硝酸細(xì)菌生長(zhǎng)及代謝提供基質(zhì)，同時(shí)也會(huì)抑制亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到20度，低于6.0的pH值，游離亞硝酸占據(jù)總氨濃度比例呈快速上升趨勢(shì)，若總氨濃度在此環(huán)境中較低，可對(duì)pH值進(jìn)行降低調(diào)整，以此來(lái)達(dá)到將基質(zhì)有效性進(jìn)行增強(qiáng)目的；若總氨濃度在此環(huán)境中過(guò)高，則需要控制pH值，提升至6.5以上，有利于避免游離亞硝酸誘發(fā)氨毒。

3.pH值影響生物硝化反應(yīng)系統(tǒng)效能。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)調(diào)研與分析，不同pH值對(duì)生物硝化反應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)出效能也有著不同程度上的影響。開(kāi)展過(guò)兩段SBR硝化試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在亞硝化第一階段，當(dāng)pH值達(dá)到6.8左右，此時(shí)亞硝化速率達(dá)到最大值；當(dāng)pH值提升至7.5左右，此時(shí)亞硝化速率接近最低限值。因操作條件差異，不同亞消化階段的pH值也各不相同，其中二、三亞硝化階段的pH值試驗(yàn)顯示最高。當(dāng)pH值重新降至原有數(shù)值，亞硝化速率呈緩速下降趨勢(shì)。

短程硝化工藝是較早出現(xiàn)的一種生物脫氮技術(shù)手段，此項(xiàng)工藝實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能夠有效激發(fā)亞硝酸細(xì)菌活性，并同時(shí)對(duì)硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝進(jìn)行抑制，該硝化-反硝化反應(yīng)是短程硝化工藝明顯特征，也是工藝流程核心，對(duì)pH值進(jìn)行合理控制，更加有利于發(fā)揮短程硝化工藝實(shí)際效能。7.5-8.5的pH值是短程硝化效應(yīng)最佳條件，當(dāng)pH值過(guò)高時(shí)，其游離氨濃度也相對(duì)較高，亞硝酸細(xì)菌所需基質(zhì)要求能夠充分滿足；若游離亞硝酸濃度降低時(shí)，可通過(guò)調(diào)整pH值，達(dá)到制約硝酸細(xì)菌所需基質(zhì)的效果。

二、堿度對(duì)生物硝化的影響

1.堿度。

堿度在水溶液中起到中和pH 值的作用，對(duì)水溶液中的堿度進(jìn)行測(cè)定時(shí)，通常情況下，會(huì)選用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)酸來(lái)中和水樣中的pH值，基于標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)酸實(shí)際消耗量，完成對(duì)應(yīng)堿度計(jì)算。其中C032-、NH3、HS-以及H2PO4等均屬于廢水中較為常見(jiàn)的堿度種類(lèi)，按照性質(zhì)來(lái)劃分，堿度被劃分為三種類(lèi)型，分別是苛性堿度、碳酸鹽堿度和總堿度。各項(xiàng)數(shù)據(jù)中所提及到廢水堿度，均指總堿度。

2.碳酸鹽堿度。

6.5 -8.5范圍區(qū)間的pH是大部分生物硝化系統(tǒng)中較高頻率調(diào)控的數(shù)值，此環(huán)境條件下，pH在溶液中，主要被溶解的碳酸鹽類(lèi)加以控制，如二氧化碳、碳酸鹽。

在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，針對(duì)H2CO3的測(cè)定存在一定阻礙，雖然CO2被溶解，但只有小部分被溶解轉(zhuǎn)化成H2CO3，基于此，可將被溶解的CO2與H2CO3所顯示的濃度值結(jié)合在一起，進(jìn)而獲得一個(gè)近似的電離常數(shù)。

在常溫環(huán)境條件下，pH不同，碳酸鹽類(lèi)分布也有著一定差異性，經(jīng)常以重碳酸鹽形態(tài)出現(xiàn)在廢水生物硝化工藝流程中[4]。

3.碳酸鹽堿度緩沖特性影響生物硝化。

碳酸鹽類(lèi)不僅能夠起到中和酸堿度的作用，在溶解過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生不同等級(jí)的緩沖強(qiáng)度。將一定量溶液的pH值轉(zhuǎn)化成某單位所需氫離子，即為緩沖強(qiáng)度。

因pH范圍不同，所呈現(xiàn)的鹽酸鹽類(lèi)緩沖強(qiáng)度等級(jí)也有所不同，當(dāng)pH值達(dá)到3.8或8.3時(shí)，此時(shí)鹽酸鹽類(lèi)緩沖強(qiáng)度處于最低等級(jí)，一個(gè)pH單位消耗堿度的改變，比其他pH范圍內(nèi)的堿度消耗量相對(duì)較小。由于6.5-8.5范圍區(qū)間的pH值是生物硝化反應(yīng)最佳條件，此pH范圍內(nèi)的碳酸鹽類(lèi)所呈現(xiàn)的緩沖強(qiáng)度等級(jí)較低，進(jìn)而導(dǎo)致生物硝化過(guò)程中產(chǎn)生大幅度pH波動(dòng)變化。

三、提升生物硝化效果的有效建議

1.做好源頭預(yù)處理。

通常情況下，必須要保證廢水終端排放口部位的氨氮符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)行排放，生物硝化工藝屬于系統(tǒng)性流程，預(yù)處理含氨氮量較高的廢水，以此來(lái)提升硝化容積負(fù)荷，達(dá)到提升廢水處理效果及降低成本費(fèi)用目的。

2.結(jié)合水質(zhì)特性明確對(duì)應(yīng)硝化工藝。

廢水處理工作中的生物硝化，建立于廢水二級(jí)生化處理，無(wú)特殊要求前提下，無(wú)論是哪一種類(lèi)型生物處理系統(tǒng)均可滿足生物硝化作用要求。如果想進(jìn)一步提升生物硝化效果，在實(shí)際操作過(guò)程中，盡可能結(jié)合被處理水質(zhì)特性明確對(duì)應(yīng)生物硝化工藝，更加有利于獲得高效且穩(wěn)定的生物硝化效果。

廢水水質(zhì)成分對(duì)生物硝化反應(yīng)器中的生物群落有著極大地影響，不同范圍的pH值，均會(huì)抑制硝化細(xì)菌生長(zhǎng)與代謝，硝化細(xì)菌比例變化過(guò)大，則會(huì)降低對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用，硝化細(xì)菌活性受到影響。合適的生物硝化工藝，有助于更好地調(diào)控pH值，既能滿足硝化細(xì)菌所需基質(zhì)要求，又能抑制硝化細(xì)菌生長(zhǎng)與代謝，消除抑制生物硝化作用的有毒物質(zhì)，以此來(lái)增加硝化負(fù)荷，增強(qiáng)生物硝化效果。

3.精準(zhǔn)把控pH值。

若想實(shí)現(xiàn)生物硝化反應(yīng)達(dá)到最大產(chǎn)出速率，且不影響生物硝化反應(yīng)高效、穩(wěn)定進(jìn)行，在實(shí)際操作過(guò)程中，必須精準(zhǔn)把控pH值，如何將pH值控制在6.5-8.5范圍區(qū)間尤為關(guān)鍵，是操作過(guò)程中需要給予高度關(guān)注的問(wèn)題。處理含氮量高的廢水時(shí)，其中pH值呈急速下降趨勢(shì)，此過(guò)程中高精度加堿操作以及合理調(diào)控pH值，更加有助于保證生物硝化反應(yīng)順利進(jìn)行。此類(lèi)型廢水處理，對(duì)堿的消耗量極大，是導(dǎo)致生物硝化工藝運(yùn)行成本增加的主要因素，經(jīng)濟(jì)性較低?；诖耍枰獙⑾趸c反硝化反應(yīng)有機(jī)結(jié)合，在此基礎(chǔ)上形成生物脫氮核心工藝，利用反硝化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量堿，來(lái)補(bǔ)足硝化反應(yīng)過(guò)程中對(duì)應(yīng)堿消耗量，有效降低成本費(fèi)用同時(shí)，又能起到預(yù)防水體局部pH值升高的作用。

上述提及到硝化細(xì)菌對(duì)pH有著較高的敏感性，適宜的pH值條件，能夠保證硝化細(xì)菌良好活性，一旦pH值高于或低于既定限制，硝化細(xì)菌的活性將會(huì)被抑制，此時(shí)生物硝化反應(yīng)逐漸停止。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的生物硝化系統(tǒng)，盡可能加強(qiáng)對(duì)pH值的精準(zhǔn)調(diào)控，以保持良好的硝化速率為核心，時(shí)刻觀察硝化速率變化與pH值變化，當(dāng)pH值低于6.5時(shí)，需要立即進(jìn)行加堿操作。精準(zhǔn)投加堿是維持pH值有效途徑，導(dǎo)致pH值降低的成因包括多個(gè)方面，需要相關(guān)人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，生物硝化系統(tǒng)崩潰，及時(shí)調(diào)控pH值，并適量投加堿量，盡快恢復(fù)生物硝化系統(tǒng)運(yùn)行。

四、其他影響生物硝化作用的因素

其他影響生物硝化作用的因素，還包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

1.污泥負(fù)荷與泥齡。從工藝技術(shù)角度上分析，生物硝化工藝具有低負(fù)荷性，生物硝化反應(yīng)越好，說(shuō)明污泥負(fù)荷越低，轉(zhuǎn)換效率同樣也能得到提升。大部分生物硝化系統(tǒng)中的泥齡普遍較長(zhǎng)，與硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)與代謝速率相關(guān)，硝化細(xì)菌生長(zhǎng)與代謝受到抑制，將會(huì)直接影響生物硝化效果，因此需要控制泥齡，而溫度等外界因素關(guān)系著泥齡控制。若想獲得高效且穩(wěn)定的生物硝化效果，需要將污泥齡控制在半個(gè)月以上。

2.溶解氧。一般情況下，在應(yīng)用生物硝化工藝時(shí)，對(duì)溶解氧的含量控制有著明確要求，當(dāng)溶解氧低于2.0mg/L時(shí)，此時(shí)生物硝化作用將會(huì)受到抑制影響；當(dāng)溶解氧低于1.0mg/L時(shí)，此時(shí)生物硝化作用將被完全抑制，或停止硝化反應(yīng)。高濃度溶解氧維持是生物硝化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要額外關(guān)注的情況。硝化細(xì)菌屬于好氧菌，低濃度溶解氧則會(huì)降低硝化細(xì)菌活性；相較于有機(jī)物細(xì)菌，硝化細(xì)菌對(duì)溶解氧的需求遠(yuǎn)低于前者，但氧量無(wú)法充足供應(yīng)，失去氧量供應(yīng)的硝化細(xì)菌其活性降低，將不能支持生物硝化反應(yīng)。因此，需要根據(jù)廢水處理需要，控制生物硝化系統(tǒng)實(shí)際供氧量，合理設(shè)置溶解氧濃度，確保生物硝化反應(yīng)順利進(jìn)行。

3.有毒物質(zhì)與溫度。部分重金屬離子與有機(jī)物質(zhì)屬于有毒性物質(zhì)，則會(huì)對(duì)生物硝化反應(yīng)中的硝化細(xì)菌生長(zhǎng)與代謝進(jìn)行破壞；當(dāng)廢水中有毒物質(zhì)濃度含量過(guò)高，則會(huì)對(duì)生物硝化作用產(chǎn)生抑制影響。以鉛離子為例，當(dāng)鉛離子濃度高于0.5mg/L時(shí)，抑制生物硝化過(guò)程，進(jìn)而降低生物硝化效果，無(wú)法達(dá)到預(yù)期工藝投入使用目的。

因硝化細(xì)菌對(duì)溫度變化有著較高敏感性，當(dāng)環(huán)境溫度維持在10-30度范圍內(nèi)，此時(shí)硝化細(xì)菌可以正常生長(zhǎng)與代謝，當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)急速升高時(shí)，則會(huì)激發(fā)硝化細(xì)菌活性，呈逐漸增大趨勢(shì)；當(dāng)環(huán)境溫度低于10度以下時(shí)，硝化細(xì)菌將無(wú)法正常生長(zhǎng)與代謝。

由此說(shuō)明，有毒物質(zhì)與溫度對(duì)生物硝化作用的影響較為突出，特別是針對(duì)硝化細(xì)菌正常生理代謝的抑制影響，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，需要提升對(duì)有毒物質(zhì)與溫度控制的重視程度，降低此方面因素對(duì)生物硝化效果的負(fù)面影響。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，通過(guò)分析與研究pH值對(duì)生物硝化的影響，發(fā)現(xiàn)pH值不同，將會(huì)對(duì)亞硝酸細(xì)菌與硝酸細(xì)菌的生長(zhǎng)及代謝產(chǎn)生不同程度上的抑制影響，達(dá)到某種條件時(shí)，硝化基質(zhì)及產(chǎn)出物質(zhì)則會(huì)存在一定毒性，繼而對(duì)生物硝化反應(yīng)系統(tǒng)效能形成制約。碳酸鹽類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成影響溶液堿度，當(dāng)對(duì)6.5-8.5范圍內(nèi)的pH值進(jìn)行調(diào)整與控制，將會(huì)直接影響碳酸鹽類(lèi)緩沖強(qiáng)度，此范圍區(qū)間內(nèi)pH值條件下的碳酸鹽類(lèi)，其緩沖強(qiáng)度明顯下降，使得在生物硝化過(guò)程中，極易誘發(fā)大幅度pH值波動(dòng)。在實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)額外關(guān)注pH值和堿度對(duì)生物硝化的影響，保證硝化效果。