MBR利用SND机理进行低温污水脱氮

【摘 要】通过对传统低温生物脱氮技术和同步硝化反硝化生物脱氮技术的原理、研究进展的分析，提出了一种适用于寒冷地区污水处理，基于同步硝化反硝化原理的一体式膜生物反应器低温脱氮处理技术，并分析了其可行性。

【关键词】低温；生物脱氮；膜生物反应器（MBR）；同步硝化反硝化（SND）

温度是影响微生物活性的重要因素之一。采用常规生化法，当水温低于10℃时，生物活性较低，很难保证污水处理的效率[1]。寒冷地区污水生物脱氮处理一直受到处理效果低、出水难以达标等问题的困扰。本文通过对低温生物脱氮技术和同步硝化反硝化（SND）脱氮技术的进展与原理分析，提出了一种基于同步硝化反硝化原理的低温生物脱氮处理技术，并分析了其可行性。

1.低温对生物脱氮的影响机理分析

生物脱氮是指在微生物的作用下将废水中的有机氮和氨氮转化为氮气和硝酸盐的过程。生物脱氮分三步进行：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。温度对生物脱氮的影响主要包括硝化反应和反硝化反应两方面。

（1）温度对硝化反应的影响主要体现在温度限制微生物的生长速率。硝化细菌是自养菌，生长缓慢，所需的最小污泥龄几乎要比异养微生物大一个数量级，在低温条件下这种情况变得更加严重。Head等[2]发现，当温度分别由30℃、25℃、20℃迅速降至10℃时，硝化作用率分别下降了82%、71%和58%。因此，要提高低温下的脱氮效果，关键是如何使现有的硝化菌突破温度的禁锢，保证低温条件下硝化细菌具有较大的生物量或者发现新的耐冷硝化菌种。

（2）温度对反硝化反应的影响主要体现在生长速率和DO浓度两方面。低温下反硝化菌受到温度的抑制，生长缓慢。其次，反硝化菌是异养型兼性厌氧细菌，能够进行好氧呼吸，DO浓度过高会影响反硝化反应的正常进行。而DO浓度与温度成反比，温度降低使厌氧系统的DO溶解度增加，不利于厌氧反硝化的进行。Mulkerrins等[3]发现，在8℃环境下的反硝化速率还不到30℃时的1/7。

2.低温生物脱氮的国内外研究进展与现状分析

目前，我国寒冷地区的实际工程一般采用降低污泥负荷、增加污泥回流量和延长SRT等措施进行低温脱氮处理。近年来，生物增效技术和固定化技术也被运用到低温生物脱氮处理中。李亚选等[4]通过在低温环境条件下对活性污泥进行长期驯化培养，筛选出低温高效硝化菌和聚磷菌，并自主开发反应装置，使低温环境条件下污水的总氮去除率达到了60%。

传统的脱氮理论认为脱氮需经硝化和反硝化两个不同的过程。硝化细菌是好氧菌，硝化反应需在好氧条件下进行。反硝化菌是异氧兼性厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在NO3-和NO2-的条件下，它们才能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。但是近几年的研究表明，硝化和反硝化这两个过程可以在同一反应器内发生[5， 6]，这种现象被称为同步硝化反硝化（ simultaneous nitrification and denitrification， SND）。SND能够有效地保持反应器中pH值稳定，无需外加碳源。硝化和反硝化相结合，通过降低硝态氮浓度可以减少二沉池污泥漂浮。马凯[7]等对SND的影响因素进行了分析，包括溶解氧、微生物絮体结构、氧化还原电位、有机碳源、水力停留时间（HRT）、污泥龄（SRT）、PH等。SND技术的产生为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了可能性， 在荷兰、德国已有利用SND脱氮工艺的污水处理工厂在运行。

3.MBR利用SND现象提高低温时脱氮效率的可行性分析

与传统脱氮工艺相比，MBR脱氮工艺发展较晚，最早的报导是Y. Suwa等研究者进行的单级分置式膜生物反应器脱氮的小试研究[8]。MBR由于其膜组件的截留作用，可以使反应器内保持很高的污泥浓度和较长，利于生长缓慢的微生物如硝化细菌的截流和增殖，强化了活性污泥的硝化能力，提高了难降解有机物的降解效率，可同时提供好氧，厌氧环境，为SND现象的发生创造了良好的条件。根据硝化与反硝化作用是否在同一反应器内发生，可将MBR脱氮工艺分为两大类：单一反应器间歇曝气MBR脱氮工艺和A/O形式的MBR。第一种工艺类似于传统的A/O工艺，前置反硝化在缺氧条件下运行，含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化在好氧条件下运行，以膜代替重力沉淀池进行固液分离。第二种工艺大多使用SBR的运行方式，通过限制曝气和半限制曝气运行方式在时间序列上实现缺氧/好氧的组合并控制每一部分适宜的时间比例，可以得到较好的脱氮效果。大多数研究采用单级间歇曝气，G. T. Seo等[9]采用两级间歇曝气工艺，只在第二反应器中装有膜组件，取得了91.6%的脱氮效果。Gunder等[10]对MBR内的活性污泥进行了测定，得出了随着MLSS的增加，传氧系数逐步降低的结论。这将形成缺氧区，促进反硝化作用。

因此，开发能利用SND现象实现短水力停留时间、高负荷下运行的，具有能耗小，污染物去除效率高、容积负荷大、设备占地省、污泥产率低、抗冲击负荷能力强的MBR工艺，并且通过运行参数的控制使其膜污染现象减轻，对于寒冷地区低温生活污水的处理具有十分重要的意义。对比低温污水生物处理存在的主要问题，MBR用于低温污水处理的可行性分析如下：

（1）常规的生物脱氮工艺中通常利用硝化-反硝化作用实现氮的去除。硝化作用是在好氧条件下进行，为保持构筑物中有足够数量的硝化菌以完成生物硝化作用，在维持较长污泥龄的同时也相应增大了构筑物的容积；此外，絮凝性较差的硝化菌常会被二沉池的出水带出，硝化菌数量的减少影响硝化作用，进而降低了系统的脱氮效率。膜的截留作用使MBR可以获得很长的SRT和很高的污泥浓度，这有利于生长缓慢的微生物如硝化细菌的截留和繁殖，强化了活性污泥的硝化能力，具备了SND现象发生的条件，具有较好的脱氮效果，同时还可提高难降解有机物的降解效率。

（2）经理论分析，MBR中生物去除率随温度降低而降低，但膜的过滤能力却提高，二者相反方向的变化可维持反应器有机物去除率的稳定。

（3）膜的截留作用使反应器内保持很高的污泥浓度，却不消耗能量。相比于传统活性污泥法处理低温污水时所采取的保温、加大污泥回流量等措施，采用费用较高的MBR处理低温污水是经济的。

（4）MBR利用膜组件代替二沉池来实现泥水分离，不需要后续进行污泥沉降，可以不考虑低温对污泥沉降性能的影响。另外，HRT和SRT的完全分离基本消除了MBR中污泥膨胀问题。

【参考文献】

[1]桑义敏，尹炜，何绪文.CASS工艺在处理低温生活污水中的应用研究[J].环境工程，2002，20，（2）：16-18.

[2]M.A.Head，J.A.Oleszkiewicz.Bioaugmentation for nitrification at cold temperatures[J].Water Research，2004，38，（3）：520-523.

[3]Mulkerrins D，Dobson Colleran E.Parameters affecting biological phosphate removal from wastewaters[J].Environmental internatal，2004，30： 249-259.

[4]李亚选，张晓玲，姜安玺等.低温菌去除污染物的研究现状[J].广州环境科学， 2006，21，（2）：14-18.

[5]颜家保，董志军，夏明桂.悬浮填料系统处理炼油废水实验[J].中国给水排水， 2004，20，（10）：46-48.

[6]张小玲，李斌，杨永蛰等.低DO下的短程硝化及同步反硝化[J].中国给水排水， 2004，20，（5）：13-16.

[7]马凯，彭继峰.同步硝化反硝化技术的提出及其影响因素分析[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2010，18，（4）：67-71.

[8]Y.Suwa，T.Suzuki，H.Toyohara，T.Yamagishi，Y.Urushigawa.Single stage-single sludge nitrogen removal by an activated sludge process with cross flow filtration[J]. Water Research， 1992，26，（9）：1149-1157.

[9]G.T.Seo，T.S.Lee，B.H.Moon，et al.Two stage intermittent aeration membrane bioreactor for simultaneous organic，nitrogen and phosphorus removal[J].Water Science and Technology，2000，41，（10-11）：217-225.

[10]B.Gunder，K.Krauth.Replacement of secondary deification by membrane separation results with plate and hollow fiber modules[J].Water Science and Technology，1998，38，（4-5）：383-393.