MBR利用SND機(jī)理進(jìn)行低溫污水脫氮

秦曉荃　寇相全

【摘 要】通過(guò)對(duì)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(jìn)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(shí)，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(dá)標(biāo)等問(wèn)題的困擾。本文通過(guò)對(duì)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(jìn)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(duì)生物脫氮的影響機(jī)理分析

生物脫氮是指在微生物的作用下將廢水中的有機(jī)氮和氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂拖跛猁}的過(guò)程。生物脫氮分三步進(jìn)行：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。溫度對(duì)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(duì)硝化反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在溫度限制微生物的生長(zhǎng)速率。硝化細(xì)菌是自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)緩慢，所需的最小污泥齡幾乎要比異養(yǎng)微生物大一個(gè)數(shù)量級(jí)，在低溫條件下這種情況變得更加嚴(yán)重。Head等[2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度分別由30℃、25℃、20℃迅速降至10℃時(shí)，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(xì)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(duì)反硝化反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在生長(zhǎng)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(zhǎng)緩慢。其次，反硝化菌是異養(yǎng)型兼性厭氧細(xì)菌，能夠進(jìn)行好氧呼吸，DO濃度過(guò)高會(huì)影響反硝化反應(yīng)的正常進(jìn)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(jìn)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(shí)的1/7。

2.低溫生物脫氮的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析

目前，我國(guó)寒冷地區(qū)的實(shí)際工程一般采用降低污泥負(fù)荷、增加污泥回流量和延長(zhǎng)SRT等措施進(jìn)行低溫脫氮處理。近年來(lái)，生物增效技術(shù)和固定化技術(shù)也被運(yùn)用到低溫生物脫氮處理中。李亞選等[4]通過(guò)在低溫環(huán)境條件下對(duì)活性污泥進(jìn)行長(zhǎng)期馴化培養(yǎng)，篩選出低溫高效硝化菌和聚磷菌，并自主開(kāi)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(dá)到了60%。

傳統(tǒng)的脫氮理論認(rèn)為脫氮需經(jīng)硝化和反硝化兩個(gè)不同的過(guò)程。硝化細(xì)菌是好氧菌，硝化反應(yīng)需在好氧條件下進(jìn)行。反硝化菌是異氧兼性厭氧菌，只有在無(wú)分子氧而同時(shí)存在NO3-和NO2-的條件下，它們才能夠利用這些離子中的氧進(jìn)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(gè)過(guò)程可以在同一反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生[5， 6]，這種現(xiàn)象被稱(chēng)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(wú)需外加碳源。硝化和反硝化相結(jié)合，通過(guò)降低硝態(tài)氮濃度可以減少二沉池污泥漂浮。馬凱[7]等對(duì)SND的影響因素進(jìn)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(jī)碳源、水力停留時(shí)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(jiǎn)化生物脫氮過(guò)程提供了可能性， 在荷蘭、德國(guó)已有利用SND脫氮工藝的污水處理工廠在運(yùn)行。

3.MBR利用SND現(xiàn)象提高低溫時(shí)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(bào)導(dǎo)是Y. Suwa等研究者進(jìn)行的單級(jí)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(zhǎng)，利于生長(zhǎng)緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截流和增殖，強(qiáng)化了活性污泥的硝化能力，提高了難降解有機(jī)物的降解效率，可同時(shí)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(lèi)：?jiǎn)我环磻?yīng)器間歇曝氣MBR脫氮工藝和A/O形式的MBR。第一種工藝類(lèi)似于傳統(tǒng)的A/O工藝，前置反硝化在缺氧條件下運(yùn)行，含碳有機(jī)物的去除、含氮有機(jī)物的氧化和氨氮的硝化在好氧條件下運(yùn)行，以膜代替重力沉淀池進(jìn)行固液分離。第二種工藝大多使用SBR的運(yùn)行方式，通過(guò)限制曝氣和半限制曝氣運(yùn)行方式在時(shí)間序列上實(shí)現(xiàn)缺氧/好氧的組合并控制每一部分適宜的時(shí)間比例，可以得到較好的脫氮效果。大多數(shù)研究采用單級(jí)間歇曝氣，G. T. Seo等[9]采用兩級(jí)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(duì)MBR內(nèi)的活性污泥進(jìn)行了測(cè)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(jìn)反硝化作用。

因此，開(kāi)發(fā)能利用SND現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)短水力停留時(shí)間、高負(fù)荷下運(yùn)行的，具有能耗小，污染物去除效率高、容積負(fù)荷大、設(shè)備占地省、污泥產(chǎn)率低、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的MBR工藝，并且通過(guò)運(yùn)行參數(shù)的控制使其膜污染現(xiàn)象減輕，對(duì)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(duì)比低溫污水生物處理存在的主要問(wèn)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(shí)現(xiàn)氮的去除。硝化作用是在好氧條件下進(jìn)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(zhǎng)污泥齡的同時(shí)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(huì)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(jìn)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(zhǎng)的SRT和很高的污泥濃度，這有利于生長(zhǎng)緩慢的微生物如硝化細(xì)菌的截留和繁殖，強(qiáng)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(shí)還可提高難降解有機(jī)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(guò)濾能力卻提高，二者相反方向的變化可維持反應(yīng)器有機(jī)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(shí)所采取的保溫、加大污泥回流量等措施，采用費(fèi)用較高的MBR處理低溫污水是經(jīng)濟(jì)的。

（4）MBR利用膜組件代替二沉池來(lái)實(shí)現(xiàn)泥水分離，不需要后續(xù)進(jìn)行污泥沉降，可以不考慮低溫對(duì)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(wèn)題。

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