低溫廢水生物脫氮工藝的研究進(jìn)展

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:氮素在水體中的過(guò)度積累造成了水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)安全。一般采用生物法進(jìn)行廢水脫氮。硝化反硝化工藝是應(yīng)用最普遍的生物脫氮工藝。最近十幾年，出現(xiàn)了一些新的脫氮工藝。厭氧氨氧化工藝是其中最有代表性的突破之一。該方法是利用自養(yǎng)型細(xì)菌將氨直接氧化為氮?dú)舛鴮?shí)現(xiàn)脫氮的工藝，與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比具有耗氧量低、運(yùn)行費(fèi)用少和不需要外加碳源等優(yōu)點(diǎn)，是目前已知工藝中最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑之一。

生物反應(yīng)對(duì)環(huán)境條件敏感，容易受溫度變化影響。絕大多數(shù)微生物正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃，低溫會(huì)影響微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每降低10℃，微生物活性將降低1倍，從而降低了對(duì)污水的處理效果。工藝投入運(yùn)行后，由于四季的交替和所處的地理位置影響，若不加以人工調(diào)控，溫度很難保持適宜。而溫度調(diào)控則會(huì)耗費(fèi)大量的能源。解決這一難題的最佳途徑就是開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的低溫生物處理工藝。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有一些研究涉及低溫廢水生物脫氮技術(shù)，提出了一些新方法。筆者將探討低溫對(duì)脫氮工藝的影響，比較低溫脫氮工藝的運(yùn)行策略，并據(jù)此指出低溫脫氮工藝的研發(fā)方向。

1低溫對(duì)脫氮工藝的影響

溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃。溫度主要是通過(guò)影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶的活性而影響微生物的生長(zhǎng)和代謝速率，進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率；溫度還會(huì)影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度，以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。

低溫減弱了微生物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)性，進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過(guò)程，并且普遍認(rèn)為低溫將會(huì)導(dǎo)致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對(duì)微生物活性的抑制，不同于高溫帶來(lái)的毀滅性影響，其抑制作用通常是可恢復(fù)的。

1.1硝化工藝

生物硝化反應(yīng)可以在4~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。氨氧化細(xì)菌（AOB）最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細(xì)菌（NOB）的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生長(zhǎng)，而且影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化細(xì)菌最適宜的生長(zhǎng)溫度為25~30℃，當(dāng)溫度小于15℃時(shí)硝化速率明顯下降，硝化細(xì)菌的活性也大幅度降低，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止。

大量的研究表明，硝化作用會(huì)受到溫度的嚴(yán)重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現(xiàn)硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的案例較為常見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對(duì)硝化作用的影響，結(jié)果表明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當(dāng)溫度下降至6℃時(shí)，硝化菌活性很低。

隨著脫氮工藝的不斷發(fā)展，人們對(duì)硝化工藝提出了更高的要求，希望將硝化作用的反應(yīng)產(chǎn)物控制在亞硝酸鹽階段，作為反硝化或者厭氧氨氧化的前處理技術(shù)，可以節(jié)約曝氣能耗和添加堿量。通過(guò)對(duì)兩類硝化細(xì)菌（AOB、NOB）的更多認(rèn)識(shí)，出現(xiàn)了短程硝化工藝。

該工藝的核心是選擇性地富集AOB，先抑制再限制最后沖洗出NOB，使得AOB具有較高的數(shù)量而淘汰NOB，從而維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過(guò)程通常由控制溫度、溶解氧、pH來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度控制短程硝化的基礎(chǔ)在于兩類硝化細(xì)菌對(duì)溫度的敏感性不同，25℃以上時(shí)，AOB的最大比生長(zhǎng)速率大于NOB的最大比生長(zhǎng)速率。

據(jù)此提出了世界上第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用的短程硝化工藝——SHARON工藝（溫度設(shè)置為30~40℃）。因此，在低溫下實(shí)現(xiàn)短程硝化頗具挑戰(zhàn)。

1.2反硝化工藝

低溫對(duì)于反硝化有顯著的抑制作用，JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用，經(jīng)過(guò)數(shù)月的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)反硝化速率呈現(xiàn)季節(jié)性變化。U.Welander等考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化工藝的運(yùn)行性能，研究表明在3℃下反應(yīng)器的反硝化速率僅為15℃下的55%。相對(duì)于傳統(tǒng)的缺氧反硝化，溫度對(duì)好氧反硝化的脫氮效率影響不顯著，王弘宇等篩選出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能達(dá)到大于78%的脫氮效率。表1概括了不同溫度下的反硝化速率。

1.3厭氧氨氧化工藝

有學(xué)者的研究表明，能夠進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的溫度范圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中，活化能的取值范圍通常為8.37~83.68kJ/mol，而厭氧氨氧化的活化能為70kJ/mol。因此，厭氧氨氧化屬于對(duì)溫度變化比較敏感的反應(yīng)類型，溫度的降低對(duì)其抑制作用明顯。

低溫對(duì)厭氧氨氧化的影響很大，受低溫抑制后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。厭氧氨氧化工藝的運(yùn)行溫度從18℃降至15℃時(shí)，亞硝酸鹽不能被完全去除，導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，對(duì)厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑制效果，從而引起連鎖效應(yīng)，使得厭氧氨氧化菌失活。J.Dosta等在研究溫度對(duì)厭氧氨氧化工藝的長(zhǎng)期影響時(shí)，將試驗(yàn)溫度由30℃調(diào)至15℃，只有氮容積負(fù)荷（NLR）從0.3kg/（m3•d）大幅降低至0.04kg/（m3•d）才能保證出水水質(zhì)。甚至經(jīng)30d的馴化仍未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，將試驗(yàn)溫度調(diào)回至30℃運(yùn)行75d后，污泥活性僅為0.02g/（g•d），處于較低水平。

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