秦曉荃　寇相全

【摘 要】通過對傳統(tǒng)低溫生物脫氮技術(shù)和同步硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的原理、研究進展的分析，提出了一種適用于寒冷地區(qū)污水處理，基于同步硝化反硝化原理的一體式膜生物反應(yīng)器低溫脫氮處理技術(shù)，并分析了其可行性。

【關(guān)鍵詞】低溫；生物脫氮；膜生物反應(yīng)器（MBR）；同步硝化反硝化（SND）

溫度是影響微生物活性的重要因素之一。采用常規(guī)生化法，當(dāng)水溫低于10℃時，生物活性較低，很難保證污水處理的效率[1]。寒冷地區(qū)污水生物脫氮處理一直受到處理效果低、出水難以達標(biāo)等問題的困擾。本文通過對低溫生物脫氮技術(shù)和同步硝化反硝化（SND）脫氮技術(shù)的進展與原理分析，提出了一種基于同步硝化反硝化原理的低溫生物脫氮處理技術(shù)，并分析了其可行性。

1.低溫對生物脫氮的影響機理分析

生物脫氮是指在微生物的作用下將廢水中的有機氮和氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣和硝酸鹽的過程。生物脫氮分三步進行：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。溫度對生物脫氮的影響主要包括硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)兩方面。

（1）溫度對硝化反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在溫度限制微生物的生長速率。硝化細菌是自養(yǎng)菌，生長緩慢，所需的最小污泥齡幾乎要比異養(yǎng)微生物大一個數(shù)量級，在低溫條件下這種情況變得更加嚴重。Head等[2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度分別由30℃、25℃、20℃迅速降至10℃時，硝化作用率分別下降了82%、71%和58%。因此，要提高低溫下的脫氮效果，關(guān)鍵是如何使現(xiàn)有的硝化菌突破溫度的禁錮，保證低溫條件下硝化細菌具有較大的生物量或者發(fā)現(xiàn)新的耐冷硝化菌種。

（2）溫度對反硝化反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在生長速率和DO濃度兩方面。低溫下反硝化菌受到溫度的抑制，生長緩慢。其次，反硝化菌是異養(yǎng)型兼性厭氧細菌，能夠進行好氧呼吸，DO濃度過高會影響反硝化反應(yīng)的正常進行。而DO濃度與溫度成反比，溫度降低使厭氧系統(tǒng)的DO溶解度增加，不利于厭氧反硝化的進行。Mulkerrins等[3]發(fā)現(xiàn)，在8℃環(huán)境下的反硝化速率還不到30℃時的1/7。

2.低溫生物脫氮的國內(nèi)外研究進展與現(xiàn)狀分析

目前，我國寒冷地區(qū)的實際工程一般采用降低污泥負荷、增加污泥回流量和延長SRT等措施進行低溫脫氮處理。近年來，生物增效技術(shù)和固定化技術(shù)也被運用到低溫生物脫氮處理中。李亞選等[4]通過在低溫環(huán)境條件下對活性污泥進行長期馴化培養(yǎng)，篩選出低溫高效硝化菌和聚磷菌，并自主開發(fā)反應(yīng)裝置，使低溫環(huán)境條件下污水的總氮去除率達到了60%。

傳統(tǒng)的脫氮理論認為脫氮需經(jīng)硝化和反硝化兩個不同的過程。硝化細菌是好氧菌，硝化反應(yīng)需在好氧條件下進行。反硝化菌是異氧兼性厭氧菌，只有在無分子氧而同時存在NO3-和NO2-的條件下，它們才能夠利用這些離子中的氧進行呼吸，使硝酸鹽還原。但是近幾年的研究表明，硝化和反硝化這兩個過程可以在同一反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生[5， 6]，這種現(xiàn)象被稱為同步硝化反硝化（ simultaneous nitrification and denitrification， SND）。SND能夠有效地保持反應(yīng)器中pH值穩(wěn)定，無需外加碳源。硝化和反硝化相結(jié)合，通過降低硝態(tài)氮濃度可以減少二沉池污泥漂浮。馬凱[7]等對SND的影響因素進行了分析，包括溶解氧、微生物絮體結(jié)構(gòu)、氧化還原電位、有機碳源、水力停留時間（HRT）、污泥齡（SRT）、PH等。SND技術(shù)的產(chǎn)生為今后污水處理降低投資并簡化生物脫氮過程提供了可能性， 在荷蘭、德國已有利用SND脫氮工藝的污水處理工廠在運行。

3.MBR利用SND現(xiàn)象提高低溫時脫氮效率的可行性分析

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，MBR脫氮工藝發(fā)展較晚，最早的報導(dǎo)是Y. Suwa等研究者進行的單級分置式膜生物反應(yīng)器脫氮的小試研究[8]。MBR由于其膜組件的截留作用，可以使反應(yīng)器內(nèi)保持很高的污泥濃度和較長，利于生長緩慢的微生物如硝化細菌的截流和增殖，強化了活性污泥的硝化能力，提高了難降解有機物的降解效率，可同時提供好氧，厭氧環(huán)境，為SND現(xiàn)象的發(fā)生創(chuàng)造了良好的條件。根據(jù)硝化與反硝化作用是否在同一反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生，可將MBR脫氮工藝分為兩大類：單一反應(yīng)器間歇曝氣MBR脫氮工藝和A/O形式的MBR。第一種工藝類似于傳統(tǒng)的A/O工藝，前置反硝化在缺氧條件下運行，含碳有機物的去除、含氮有機物的氧化和氨氮的硝化在好氧條件下運行，以膜代替重力沉淀池進行固液分離。第二種工藝大多使用SBR的運行方式，通過限制曝氣和半限制曝氣運行方式在時間序列上實現(xiàn)缺氧/好氧的組合并控制每一部分適宜的時間比例，可以得到較好的脫氮效果。大多數(shù)研究采用單級間歇曝氣，G. T. Seo等[9]采用兩級間歇曝氣工藝，只在第二反應(yīng)器中裝有膜組件，取得了91.6%的脫氮效果。Gunder等[10]對MBR內(nèi)的活性污泥進行了測定，得出了隨著MLSS的增加，傳氧系數(shù)逐步降低的結(jié)論。這將形成缺氧區(qū)，促進反硝化作用。

因此，開發(fā)能利用SND現(xiàn)象實現(xiàn)短水力停留時間、高負荷下運行的，具有能耗小，污染物去除效率高、容積負荷大、設(shè)備占地省、污泥產(chǎn)率低、抗沖擊負荷能力強的MBR工藝，并且通過運行參數(shù)的控制使其膜污染現(xiàn)象減輕，對于寒冷地區(qū)低溫生活污水的處理具有十分重要的意義。對比低溫污水生物處理存在的主要問題，MBR用于低溫污水處理的可行性分析如下：

（1）常規(guī)的生物脫氮工藝中通常利用硝化-反硝化作用實現(xiàn)氮的去除。硝化作用是在好氧條件下進行，為保持構(gòu)筑物中有足夠數(shù)量的硝化菌以完成生物硝化作用，在維持較長污泥齡的同時也相應(yīng)增大了構(gòu)筑物的容積；此外，絮凝性較差的硝化菌常會被二沉池的出水帶出，硝化菌數(shù)量的減少影響硝化作用，進而降低了系統(tǒng)的脫氮效率。膜的截留作用使MBR可以獲得很長的SRT和很高的污泥濃度，這有利于生長緩慢的微生物如硝化細菌的截留和繁殖，強化了活性污泥的硝化能力，具備了SND現(xiàn)象發(fā)生的條件，具有較好的脫氮效果，同時還可提高難降解有機物的降解效率。

（2）經(jīng)理論分析，MBR中生物去除率隨溫度降低而降低，但膜的過濾能力卻提高，二者相反方向的變化可維持反應(yīng)器有機物去除率的穩(wěn)定。

（3）膜的截留作用使反應(yīng)器內(nèi)保持很高的污泥濃度，卻不消耗能量。相比于傳統(tǒng)活性污泥法處理低溫污水時所采取的保溫、加大污泥回流量等措施，采用費用較高的MBR處理低溫污水是經(jīng)濟的。

（4）MBR利用膜組件代替二沉池來實現(xiàn)泥水分離，不需要后續(xù)進行污泥沉降，可以不考慮低溫對污泥沉降性能的影響。另外，HRT和SRT的完全分離基本消除了MBR中污泥膨脹問題。

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