低温废水生物脱氮工艺的研究进展

北极星环保网讯:氮素在水体中的过度积累造成了水体富营养化现象，严重危害生态系统安全。一般采用生物法进行废水脱氮。硝化反硝化工艺是应用最普遍的生物脱氮工艺。最近十几年，出现了一些新的脱氮工艺。厌氧氨氧化工艺是其中最有代表性的突破之一。该方法是利用自养型细菌将氨直接氧化为氮气而实现脱氮的工艺，与传统的硝化反硝化工艺相比具有耗氧量低、运行费用少和不需要外加碳源等优点，是目前已知工艺中最经济的生物脱氮途径之一。

生物反应对环境条件敏感，容易受温度变化影响。绝大多数微生物正常生长温度为20~35℃，低温会影响微生物细胞内酶的活性，在一定温度范围内，温度每降低10℃，微生物活性将降低1倍，从而降低了对污水的处理效果。工艺投入运行后，由于四季的交替和所处的地理位置影响，若不加以人工调控，温度很难保持适宜。而温度调控则会耗费大量的能源。解决这一难题的最佳途径就是开发高效稳定的低温生物处理工艺。

近年来国内外已有一些研究涉及低温废水生物脱氮技术，提出了一些新方法。笔者将探讨低温对脱氮工艺的影响，比较低温脱氮工艺的运行策略，并据此指出低温脱氮工艺的研发方向。

1低温对脱氮工艺的影响

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。绝大多数微生物正常生长温度为20~35℃。温度主要是通过影响微生物细胞内某些酶的活性而影响微生物的生长和代谢速率，进而影响污泥产率、污染物的去除效率和速率；温度还会影响污染物降解途径、中间产物的形成以及各种物质在溶液中的溶解度，以及有可能影响到产气量和成分等。

低温减弱了微生物体内细胞质的流动性，进而影响了物质传输等代谢过程，并且普遍认为低温将会导致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落发生变化。低温对微生物活性的抑制，不同于高温带来的毁灭性影响，其抑制作用通常是可恢复的。

1.1硝化工艺

生物硝化反应可以在4~45℃的温度范围内进行。氨氧化细菌（AOB）最佳生长温度为25~30℃，亚硝酸氧化细菌（NOB）的最佳生长温度为25~30℃。温度不但影响硝化菌的生长，而且影响硝化菌的活性。有研究表明，硝化细菌最适宜的生长温度为25~30℃，当温度小于15℃时硝化速率明显下降，硝化细菌的活性也大幅度降低，当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。

大量的研究表明，硝化作用会受到温度的严重影响，尤其是温度冲击的影响更加明显。由于冬季气温较低而未能实现硝化工艺稳定运行的案例较为常见。U.Sudarno等考察了温度变化对硝化作用的影响，结果表明，温度从12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但当温度下降至6℃时，硝化菌活性很低。

随着脱氮工艺的不断发展，人们对硝化工艺提出了更高的要求，希望将硝化作用的反应产物控制在亚硝酸盐阶段，作为反硝化或者厌氧氨氧化的前处理技术，可以节约曝气能耗和添加碱量。通过对两类硝化细菌（AOB、NOB）的更多认识，出现了短程硝化工艺。

该工艺的核心是选择性地富集AOB，先抑制再限制最后冲洗出NOB，使得AOB具有较高的数量而淘汰NOB，从而维持稳定的亚硝酸盐积累。短程硝化过程通常由控制温度、溶解氧、pH来实现。温度控制短程硝化的基础在于两类硝化细菌对温度的敏感性不同，25℃以上时，AOB的最大比生长速率大于NOB的最大比生长速率。

据此提出了世界上第一个工业化应用的短程硝化工艺——SHARON工艺（温度设置为30~40℃）。因此，在低温下实现短程硝化颇具挑战。

1.2反硝化工艺

低温对于反硝化有显著的抑制作用，JichengZhong等研究了太湖沉积物中的反硝化作用，经过数月的实验分析发现反硝化速率呈现季节性变化。U.Welander等考察了低温条件下（3~20℃）反硝化工艺的运行性能，研究表明在3℃下反应器的反硝化速率仅为15℃下的55%。相对于传统的缺氧反硝化，温度对好氧反硝化的脱氮效率影响不显著，王弘宇等筛选出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能达到大于78%的脱氮效率。表1概括了不同温度下的反硝化速率。

1.3厌氧氨氧化工艺

有学者的研究表明，能够进行厌氧氨氧化反应的温度范围为6~43℃，最佳温度为28~40℃。在废水生物处理中，活化能的取值范围通常为8.37~83.68kJ/mol，而厌氧氨氧化的活化能为70kJ/mol。因此，厌氧氨氧化属于对温度变化比较敏感的反应类型，温度的降低对其抑制作用明显。

低温对厌氧氨氧化的影响很大，受低温抑制后需要较长时间才能恢复。厌氧氨氧化工艺的运行温度从18℃降至15℃时，亚硝酸盐不能被完全去除，导致亚硝酸盐的积累，对厌氧氨氧化工艺有着显著的抑制效果，从而引起连锁效应，使得厌氧氨氧化菌失活。J.Dosta等在研究温度对厌氧氨氧化工艺的长期影响时，将试验温度由30℃调至15℃，只有氮容积负荷（NLR）从0.3kg/（m3•d）大幅降低至0.04kg/（m3•d）才能保证出水水质。甚至经30d的驯化仍未见好转，将试验温度调回至30℃运行75d后，污泥活性仅为0.02g/（g•d），处于较低水平。

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