生产运行需要了解如何测试制水过程的硝化潜力
氨氮、亚硝酸盐等含氮物质是现代自来水处理工艺中被非常重视的污染物质，不同于微生物或无机颗粒物，对含氮物质的有效控制一直是水厂中很重要的话题。了解如何使用不同类型的过程控制测试来检测原水中存在的硝化作用，可以指导水厂生产运行人员采取不同的应对措施。
当大多数水厂生产运行人员听到硝化这个词时，他们知道这一定是一个他们并不想在制水系统中处理的水质挑战，因为并不存在简单的方法来完全消除这个水质问题。硝化作用是一个自然的微生物过程，在条件适宜的情况下会导致重大的水质问题。如果有正确的水质监测手段，并适当调整输配系统的操作，这也可以是一个可控的问题。所有的加氯系统和原水中氨含量较高的供水系统都需要考虑硝化作用的预防和控制。
生产运行人员可以在实验室或现场使用过程控制测试来监测水质参数，他们可以使用所得到的数据来简单判断系统中硝化作用的进展情况，以及在看到出现预警信号后该如何处理。本文讨论了实验室过程控制测试如何帮助生产运行人员了解硝化的迹象和症状，如何根据数据信息来减少其影响，以及可能的缓解对策。建议读者与当地政府合作，针对他们的具体条件做出最佳的消毒应用和硝化作用的补救决定。
*硝化作用是一个自然发生的微生物过程，通过这个过程，还原的氮化合物（主要是氨）被依次氧化成亚硝酸盐和硝酸盐。生产运行人员可以使用过程控制测试来确定硝化作用在其系统中可能的进展情况，以及在看到预警信号时决定该如何做。
硝化作用和氯污染系统
硝化作用是拥有两个步骤的生物过程，氨（NH3）被氧化，这意味着它失去电子并与氧气结合。第一步涉及氨氧化细菌（AOBs），如亚硝化单胞菌、亚硝化球菌和亚硝化螺旋体，在溶解氧（DO）和碱度存在的情况下，将NH3氧化为亚硝酸盐（NO2-）（图1）。第二步涉及亚硝酸盐氧化细菌（NOBs），如硝化细菌和硝化孢子菌，将NO2-转化为硝酸盐（NO3-）。
图1输配系统中的硝化作用
硝化作用是两个步骤的生物过程，通过这个过程，氨（NH3）被氧化。
使用氯胺作为二级消毒剂的饮用水系统尤其面临风险，因为氯胺会随着时间的推移而降解，而游离氨的浓度会随着降解的发生而增加。游离氨可以作为硝化细菌的食物来源，随着硝化作用的发展和微生物数量的增加，导致水质的整体退化。硝酸盐是硝化作用的最终产品，不容易降解，当反硝化细菌不存在时，输配系统中硝酸盐的浓度会升高，造成水质问题和潜在的对健康的有害影响（如蓝婴综合症）。输配系统入口处的硝酸盐-N的最大污染物水平（MCL）是10毫克/升；然而，不同的司法管辖区管理方式不同，有的只对输配系统入口处进行监管，而其他地区则对整个饮用水系统都要进行监管，因此请务必了解当地的立法要求。
什么导致了硝化作用
硝化作用的根本原因是存在适合硝化细菌繁殖的温度（>14°C），有游离氨的存在（>0.1毫克/升，作为硝化细菌增殖的食物），以及消毒剂残留量（如氯胺）减少到不足以使硝化细菌失活的水平。可导致硝化作用的水质参数和条件包括以下几点：
输配系统入口处的氯-氨氮（Cl2：NH3-N）质量比不合适。形成一氯胺的完美化学比例是5.07:1，并假设水中没有氯的需求，只有一氯胺的生成，这两种情况在典型的饮用水源中是不现实的。重要的是要确保水的初始氯需求在水厂内得到满足，这样就可以在输配系统入口处之前形成稳定的氯胺残留物。典型的Cl2:NH3-N投加比例从4.5到5.0不等，这取决于混合情况和由总氯、一氯胺、游离氨和总氨监测的残留稳定性。理想情况下，在输配系统入口处，一氯胺的浓度应在总氯的10%以内，游离氨的浓度应最小（以NH3-N计小于0.05mg/L）。
输配水系统中消毒剂的残留量不足和存在游离氨。当水通过输配系统时，由于滞留水和管壁的反应，消毒剂残留水平可能会下降。残余消毒剂浓度的下降通常发生在停留时间长、混合不充分的储水箱内以及输配水系统的管道内。氯胺的降解会释放出游离氨，然后可能引发硝化作用。因此，对整个输配系统的关键水质参数，如游离氨、总氨、NO2-、NO3-、单氯胺、总氯、温度、pH值和三磷酸腺苷/异养板计数（ATP/HPC）进行常规监测，对于识别正在或可能发生硝化作用的区域/设施至关重要。当出现发生硝化反应的情况时，需要采取补救措施，如提高消毒剂的残留量、消除游离氨、降低水龄等，以防止或减轻硝化事件的发生。
影响氯胺残留物的物理水质参数。温度、pH值和碱度等水质参数会影响硝化的速度。较高的水温会增加消毒剂残留物的降解和微生物的活性。较低的pH值（低于7.6）和较高的碱度（溶解的无机碳和碳酸盐[CO32-]）同样会加速氯胺残留物的降解，释放出自由氨，从而引发硝化作用。对整个输配系统中的这些参数进行监测，有助于操作人员识别或防止输配系统中的硝化现象。
硝化细菌也有一个最佳的pH值范围。对于AOBs，它是7.0至8.0，而对于NOBs，它是7.5至8.0。使用这些最佳pH值范围，如果pH值增加到9.0，那么就会干扰硝化细菌的繁殖能力。
最重要的缓解策略是监测并根据过程控制测试采取预防措施，无论是在水厂内还是在输配系统内。
有用的指标
AWWA实践手册M68《输水系统水质》（www.awwa.org/M68）的第二版修订工作正在进行中，其中包括过程控制测试以及水质参数的变化如何表征硝化反应正在发生的可能性。典型的硝化作用引起的水质变化将在以下章节中解释，并在图2中强调。
图2硝化潜力
水质参数变化反应硝化潜力。
温度。温度是大多数硝化反应发生与否的关键。较高的温度通常允许化学反应和微生物生长的速度增加。因此，当水温较高（>14°C）时，硝化作用发生得更快。在温暖的月份里，工艺控制策略应该启动。水厂的消毒在温度较高时更有效，但也会使氯胺更快降解。反过来，输配系统中消毒剂的快速减少使得生物再生长增加，或者可能表明系统中微生物负荷的增加。
微生物测试。HPC和ATP水平是有用的参数，但在大多数的过程控制实验室中不常见。尽管了解这些参数对硝化过程的影响很有帮助，但没有必要马上就进行初步判断。ATP/HPC的增加是微生物增长的一个指标，人们普遍认为水质会随着微生物的增长而下降，从而成为硝化潜力增加的信号。
pH值。pH值最常见的是使用台式或手持式仪表的组合电极来监测。pH值的下降可以表明微生物活动水平的提高，因为有溶解性的二氧化碳（CO2）被产生，并且由于细胞呼吸作用而使浓度增加。在输配系统中，除非碱度很高，否则水通常会随着水龄的增加而变得更酸，因为溶解性的二氧化碳会与水反应形成碳酸（H2CO3）。同时，由于硝化细菌对碱度（溶解的无机碳，CO32-）的消耗，缓冲能力也随之下降。当发现这种情况时，应采取行动纠正这个问题。参见本文后面的缓解策略部分，如果需要对pH值做出反应，请参考图3的流程图。对于有条件的管道、死角和服务管线，生产运行人员应注意这种局部的pH值下降有可能导致腐蚀问题（铅、铁和锰），并导致客户投诉。
图3过程控制测试和缓解措施
流程图告诉生产运行人员应该监测哪些硝化参数，以及根据数据应该做什么。
*白色
温度的范围对于硝化菌的繁殖是否理想？
检查总氯的残留量，是否正在减少？
检查pH值和碱度的情况，是否在正常的范围内？
检查一氯胺的浓度情况，是否正在减少？
检查游离氨的浓度情况，是否正在增加？
检查NO2-和NO3-的浓度情况，是否正在增加？
水箱中的储水的利用率，是否每天都能达到50%以上？
*红色
继续进行例行的主动性过程控制监测。
*蓝色
在输配系统的进口处将pH值提高到9.0。
通过增加氯消毒剂投加量调整氯胺比，并确认设备运行正常。
在受影响的区域内开启单向的冲洗作业，是否有效？
储水箱的水位每天都能达到50%以下，是否能够做到？
作为最后手段，调整输配系统的消毒剂为游离氯，并通知重要客户
碱度。碱度对生产运行人员来说是一个很容易进行的分析项目，可以提供有价值的反馈，说明它是否正在被用作硝化细菌代谢的碳源。碱度最常用的监测方法是在现场使用手持式测色仪或便携式平行分析仪，或在实验室使用电位滴定法。氧化1毫克/升的氨氮需要8.6毫克/升的碳酸氢盐（HCO3-）。因此，AOB和NOB可以大大降低输配系统的碱度和缓冲能力，因为它们产生NO2-和NO3-。
氯胺。最常见的是在现场使用手持式测色仪或便携式平行分析仪来监测氯胺，或在实验室使用安培滴定法。总氯和/或一氯胺残留量的减少是一个早期警告信号，因为消毒剂的减少，硝化作用正在发生。随着一氯胺的降解，游离氨被释放出来，并作为微生物的“食物”来源，因为它被氧化形成NO2-。下降也可能表明在部分输配系统中存在有机负荷（如生物膜），提高了需求量，从而导致残留量降低。如前所述，形成一氯胺的理想Cl2：NH3-N质量比为5：1。
游离氨和总氨。游离氨和总氨最常用的监测方法是在野外使用手持式测色仪或便携式平行分析仪，或在实验室使用离子选择电极或分光光度计。总氨的总体下降是一个早期预警信号，表明硝化作用正在进行，因为NH3被氧化形成NO2-。当一氯胺被还原时，可能会观察到游离氨的初始峰值，但在硝化细菌的存在下，游离氨会很快被氧化。NH3的氧化是硝化过程中的限制性步骤。无论是细菌的调节还是与氧化剂的反应，NO2-转化为NO3-的速度都很快。
亚硝酸盐。最常见的是在野外/实验室使用手持式测色仪或便携式平行分析仪，或在实验室使用分光光度计来监测NO2-。NO2-最初的轻微增加，随后的减少，是硝化作用正在进行的信号。硝化细菌会迅速氧化NO2-，所以应尽快完成监测。如果需要进行亚硝酸盐反应，请参见缓解策略部分并参考图3。
硝酸盐。最常见的是在现场/实验室使用手持式测色仪或便携式平行分析仪，或在实验室使用分光光度计来监测NO3-。NO3-的增加（相对于原水和成品龙头水，如果农业径流是一个问题的话）是一个信号，表明硝化作用正在发生。NO2-迅速转化为NO3-，这就是为什么现场/实地测试NO2-比把样品送到实验室要好。由于缺乏反硝化细菌，反硝化作用不容易在分配系统中发生，所以除非采取行动，否则NO3-将继续增加。
过程控制测试指导运营中的响应方式
有了上一节讨论的参数，可以制定一个流程图，说明应该监测哪些参数，以及根据数据应该做什么（图3）。这些对大多数水系统来说都是类似的，但可以很容易地根据任何特定系统的需求进行定制。图3中的流程图为大多数情况下提供了基于以下步骤的一般指导，但并不意味着包罗万象。
如果温度在硝化细菌生长的最佳范围内，增加监测。
如果总余氯在减少，这可能是需求增加或一氯胺在降解的迹象，应分析一氯胺。
因为pH值是整体水质的一个很好的指标，包括微生物活动，所以它总是一个有益的参数用来监测。如果样品的pH值在预期范围内，继续进行常规监测，特别是在温度较高时，微生物活动增加。pH值的下降可能表明硝化作用正在进行中。如果pH值下降，但总氯残留量在正常范围内，继续常规监测。然而，值得注意的是，对于高碱度的系统，这可能很难观察到。
在输配系统中的细菌易繁殖点或在储水箱内看到碱度下降，表明正在发生硝化作用，因为硝化细菌使用HCO3-作为碳源来代谢NO2-和NO3-。碱度的降低也会导致水失去缓冲能力，所以在这些情况下可以观察到pH值的更大幅度的下降。
如果一氯胺的残留量也在减少，而且水厂的运作没有改变，这说明一氯胺正在降解，在氯气与有机物反应时释放出NH3。如果单氯胺残留量正常，继续进行常规监测。
NH3应在输配系统的入口处和整个输配系统的细菌易繁殖点进行监测。如果总氨或游离氨的浓度在输配系统的入口处呈上升趋势，那么生产运行人员需要检查他们的消毒比例和化学品供给器。如果在输配系统内出现上升，应监测NO2-和NO3-，因为总氨和游离氨很容易被微生物代谢掉。如果NH3水平正常，继续常规监测。
如果看到NO2-和NO3-增加，应开始在受影响地区进行局部冲洗，以减少水龄，并对储水池进行循环，用更稳定的水取代硝化水。
本文所讨论的过程控制测试方法是公共卫生服务机构经常使用的，以监测、减轻和尽量减少硝化作用及其影响。
缓解策略
最重要的缓解策略是根据过程控制测试进行监测并采取预防措施，无论是在水厂还是在输配系统。优化Cl2:NH3-N比例可以促进良好的一氯胺生成，减少被引入输配系统并可被硝化细菌利用的游离氨的数量，从而减少形成NO2-和NO3-的可能性。在注入NH3之前，应立即测量游离氯。
使用手动或自动（监督员控制和数据采集过程），流速的总氨剂量应按4.5-4.8:1的Cl2:NH3-N的重量比计算。混合对于最佳残留物的形成至关重要。投加点下游至少10个管径的采样点是评估单氯胺形成的成功率和进入输配系统的游离氨水平的理想选择。理想情况下，游离氨不应该超过0.05 mg/L ± 0.03 mg/L，而一氯胺应该占到总氯的90%或更多。因此，在选择氨化剂时应仔细考虑氯胺形成的pH值、剂量的准确性、对工作人员的风险以及对分配系统的营养贡献。
下面是一个简单的计算公式：
氨氮投加浓度（mg/L）=自由氯浓度（mg/L）/比例（4.5~4.8）
调整pH值。除了pH值在控制氯胺分解方面起主要作用外，硝化细菌也有最佳的pH值范围，并且在狭窄的pH值范围外很敏感。AOBs的最佳pH值范围为7.0至8.0，NOBs的最佳范围为7.5至8.0。如果水处理厂能够提高进入输配系统的pH值，建议暂时将pH值提高到9.0，这将高于大多数AOB和NOB物种的最佳pH值范围。
水龄。缩短水龄也是缓解硝化作用的一个有用策略。由于水在输配系统的管道和储罐中停留的时间较长，氯胺分子开始自然降解，留下的游离氨可以被硝化细菌当作食物。这在系统中引起了一连串的效应，因为硝化细菌蓬勃发展，在管道和储水箱表面建立起了生物膜。这种有机物质会产生额外的氯需求，从而降低系统的消毒剂水平。随着生物膜的积累，其他细菌种类（可能是致病性的）会在生物膜中生长。这可能导致违反修订后的总大肠菌群规则，损害水的质量，并危及人类健康。
为了减少水龄，操作人员应密切关注储水箱的水位，并考虑到水温和用水需求的季节性变化，密切监测注水和排水周期。这种优化的填充和排放将减少水力停留时间，并确保水不会在水箱中停留很长时间，让消毒剂水平消散，为硝化反应创造条件。其他策略包括使用混合器（主动和/或被动）来改善储存质量和定期清洗储存（对于有沉积物负荷的系统，每3至5年清洗一次，对于低沉积物系统，每5至10年清洗一次）。最后，计算水力停留时间，或 "周转率"，可作为促进最佳水质和减少水龄的指标。一些系统可能需要30%到50%的日周转率来管理/防止硝化。
冲洗。定期冲洗输配系统是对储水箱循环的补充。通过定期监测和冲洗低使用量/高水龄地区，如客户占用率低的地区和/或死胡同水管，可以控制硝化作用。在基础设施老化的地区，硝化反应也可能成为问题，因为有管瘤的旧管道提供了更大的表面积，增加了形成生物膜的可能性。冲洗方案主要有两种类型：单向冲洗和自动冲洗器。
单向冲洗需要采取更积极的方法。较长的水管被设置了阀门，一段水管应该被隔离开来，以便水可以快速无阻地流动。水从输配系统的入口处向系统的外缘方向冲去。使用单向冲洗可以提高速度，产生更大的冲刷作用，并改善主管道的清洁和沉积物的清除。自动冲洗器，特别是那些使用总氯监测的自动冲洗器，是死角的理想选择。传统的冲洗只能用于对不利条件的快速反应。本材料之前已发表的“生产运行人员需要了解输配系统水质的基本知识”可供参考。
自由氯的转换。作为一种季节性（春季/夏季）做法，许多供水系统从使用氯胺转为使用自由氯作为主要消毒剂。这样就不会有可用的NH3被引入输配系统。Cl2很容易迅速地破坏系统中的表面细菌，而一氯胺实际上能穿透生物膜层，效果更好。这种转化为游离氯的过程可能会持续一个月，但硝化细菌会在四到六周内再次活跃起来。
在进行这种转换之前，运营商需要通知其监管机构和公众以及医院和肾透析诊所。要注意消毒副产品超标、客户投诉（味道、气味、皮肤问题）和腐蚀的可能性。由于这些问题，从氯胺到游离氯再到游离氯的转换应该只作为最后的手段来使用。
针对硝化反应采取的行动计划
在德克萨斯州，德克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）在2015年开始强制使用硝化行动计划（NAPs），以帮助控制使用氯胺的公共供水系统（PWSs）的硝化问题。每个公共供水系统被要求监测输配系统入口点和代表输配系统内水质的采样点；许多公共供水系统使用修订的总大肠菌群规则采样点作为其硝化行动计划点。黄色“警报”和红色“报警”触发器用于表明何时以及根据样本结果必须采取何种行动（例如，主管通知和纠正措施）。硝化行动计划作为一个早期预警系统，用于检测和缓解分配系统中硝化作用造成的水质恶化。
TCEQ提供了一个可定制的模板，供德州供水系统在创建NAP时使用。它包括本文前面提到的许多水质检测参数：总氯、单氯胺、游离氨、NO2-和NO3-。除了测试入口处，它还要求在 "平均水龄 "和 "高水龄 "样本点进行测试。这确保监测工作在整个分配系统中进行，并在最有可能发生硝化作用的样本点进行。
触发点和行动都是因地制宜的，由每个水务系统定制，它们基于一组最初的基线数据，通常在几个月内记录。水务系统也可以为季节性条件制定单独的触发点和行动，如温水月和冷水月。TCEQ的NAP模板使每个水系统的计划设置变得简单。它还提供了有用的缓解步骤，包括缓解硝化作用。
控制和管理硝化反应
当生产运行人员了解水质参数的变化如何影响处理和输配系统时（表1），他们可以更有效地控制像硝化反应这样的过程，如果不加以控制，会导致广泛影响的水质问题。本文所讨论的过程控制测试方法是公共事业单位经常可以使用的，用于监测、缓解和减少硝化作用及其影响。要想更全面地了解这一主题，请参见AWWA的《供水规范手册》M56《饮用水中的硝化预防和控制》和M68《输水系统中的水质》。
表1.缓解硝化细菌的生长 水质参数的变化为处理和输配系统的决策提供信息。
