生活污水低温好氧硝化的研究进展

牛四芳，苑宏英，郭 江，吴丽杰

(1. 天津城市建设学院 a. 环境与市政工程系；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2. 天津市水利勘测设计院 院办公室，天津 300204)

当冬季污水温度低于 15 ℃时，硝化速率急剧降低，5 ℃左右时，硝化作用基本停止[1]，硝化效果变差使得氨氮和总氮无法达到排放标准，随着排放标准的日益严格，这个问题越发突出．很多污水处理厂进入冬季调试运行后，常常要经过很长时间的调整，才能保证氨氮达标，长期氨氮不达标排放会造成水体富营养化，恶化水体生态环境．钱程等人[2]研究发现：冬季低温时，污水处理站包括好氧硝化在内的污水处理效率降到了50%左右，当水温低于4 ℃时，几乎无处理效果；同时低温会导致污泥膨胀等现象出现．需要寻找合适的方法强化冬季低温条件下生物系统对氨氮的硝化能力，缩短生物培养期，使其具有良好的环境效应．

针对上述问题，国内外所做的研究主要集中于工艺的改进和功能菌的筛选，工艺的改进包括对活性污泥法和生物膜法的改进．

1 工艺改进的研究

低温好氧硝化在工艺方面的改进主要包括活性污泥法和生物膜法这两方面的改进．其中，对活性污泥法的改进包括对传统活性污泥法、SBR、A2/O等工艺的改进，是通过优化运行操作条件等方式实现的；对生物膜法的改进包括生物膜载体、生物流化床以及曝气生物滤池(BAF)等几个方面，是通过将驯化的耐低温菌固定在载体上、优化运行控制条件等方式实现的．

1.1 活性污泥法

1.1.1 传统活性污泥法

传统活性污泥法在冬季低温条件下硝化效率较低，许多学者认为可以通过提高溶解氧浓度和延长污泥龄、降低污泥负荷等运行控制条件进行改进．

白晓慧等人[3]研究了低温条件下实现高效硝化的运行控制条件，结果表明，当进水氨氮平均达到13.15 mg/L时，通过延长泥龄，保持较低的污泥负荷(＜0.15 kgBOD5/(kgMLSS·d))，溶解氧大于 1 mg/L，即使在冬季水温小于 10 ℃的条件下，也可保持较高的硝化效果，出水氨氮平均为1.66 mg/L；同时可以高效稳定地去除水中的有机物．

基于太湖流域 8家城镇污水处理厂的实际运行数据，杨小丽等人[4]结合动力学分析，研究了低温生物脱氮的强化措施，结果表明，欲维持与常温期相同的硝化效果，温度每下降 1 ℃溶解氧浓度应相应提高10%，或者污泥龄需相应提高 10%．此外，调查表明 8家污水处理厂的污泥浓度均控制在 3 000～4 000 mg/L，污泥负荷 Ns≤0.12 kgBOD5/(kgMLSS·d)，泥龄≥12 d，满足了低温条件对设计负荷的要求，而且通过实际调查的运行监测数据证实了上述结论能克服低温对生物脱氮的影响[4]．

Bjorlenius等人[5]在对瑞士某污水厂进行运行管理时发现，通过降低污泥负荷值，可以改变污水厂在冬季气温较低时，丝状菌大量繁殖造成污泥膨胀致使硝化反应几乎不能发生的现象，同时维持溶解氧浓度在4 mg/L，最终可以达到全年硝化反应的发生．

传统活性污泥法处理低温生活污水的不足之处是：由于污泥负荷与污泥龄两者成反比，延长污泥龄的同时也降低了污泥负荷，因此，在实际工程中应注意它们之间的相关性．

1.1.2 SBR工艺

为保障低温下一定的好氧硝化速率，许多学者在SBR工艺的基础上进行的工艺改进包括传统工艺的改进和新型工艺的引进．

传统工艺的改进包括沸石强化生物脱氮工艺、间歇式循环延时曝气活性污泥(ICEAS)工艺、循环式活性污泥法(CAST)、循环式活性污泥系统(CASS)等工艺的改进，具体内容见表1．

表1 几种传统工艺的改进

从表1中可以看出，低温下对传统工艺进行改进后，硝化效果较好，氨氮平均去除率明显提高，但仍存有一定的问题：对于沸石强化生物脱氮工艺，若进水水质较差，需要投加的沸石粉量较大，工程上会带来一定的困难；对于CAST工艺，曝气阶段溶解氧较高，虽然在沉淀和滗水阶段溶解氧降低，但C/N非常低，导致总氮去除效果一般．

新型工艺的引进包括连续曝气池(DAT)-间隙曝气池(IAT)工艺以及间歇式气升内循环反应器(SBAR)等工艺．

傅金祥等人[10]对低温下DAT-IAT工艺污水处理厂活性污泥培养驯化进行了研究，通过反应器水温在11～13 ℃的低温不利条件下，采用连续流方法成功地进行了活性污泥培养驯化和启动调试．结果表明，培养驯化周期在30 d左右时，活性污泥絮体基本形成，水中氨氮去除率为90%．

宝瑞玲等人[11]以葡萄糖和乙酸钠混合基质为碳源，絮状污泥为接种污泥，采用SBAR，在低温条件下对好氧颗粒污泥的培养、颗粒污泥特性以及对污染物的去除效果进行了研究．结果表明，在温度为(10±1)℃时，成功培养了好氧颗粒污泥；其平均粒径为 1.82 mm，结构密实、表面光滑，平均湿密度为1.036 g/cm3，沉速为 18.6～65.1 cm/min．反应器稳定运行后，硝化效果较好，对氨氮去除率范围为69.2%～79.9%．

目前，有关好氧颗粒SBAR的文献报道相对较少，有待进一步深入研究．

1.1.3 改良的倒置A2/O工艺

许多学者研究的改良的倒置A2/O工艺是在普通A2/O工艺的基础上将厌氧池和缺氧池倒置，同时向池中加入固定的耐低温硝化菌．

李思强等人[12]对硝化(NR)级通过改良的倒置A2/O工艺进行的中温和低温下氨氮的去除效果进行了比较．结果表明，中温下氨氮的去除率在95%左右，低温下去除率在90%左右，尽管中温下氨氮去除率略高于低温，但变化并不明显，说明固定化耐冷硝化细菌在低温下具有较高的活性，利于硝化反应的进行．

张爽[13]将常温富集培养后制备的固定化硝化菌投入改良的倒置 A2/O工艺中，研究了常温富集培养制备的固定化硝化菌在经过常温活性恢复和增殖后对低温好氧硝化的影响，结果表明，由于包埋固定化的硝化菌，经常温运行，使其活性恢复和增殖后转入低温，可在很短时间内适应，即当试验由常温(25～30 ℃)转入低温(≤10 ℃)环境时，虽然去除率明显下降，但经过一个月的驯化后，去除率会明显上升，表明将常温富集培养后制备的固定化硝化菌已适应了低温环境，同时表明经过富集培养的硝化混合菌群先在常温下运行，再转入低温，混合菌群中的低温菌仍能保持优势菌的地位．系统在低温下的运转效果证明了该工艺的可行性．

改良的倒置 A2/O工艺的缺点是：总氮的去除受低温的影响明显，而且低温下总氮的去除效果远远低于中温下的去除效果．

1.1.4 螺旋升流式反应器系统

多年来，国内外众多学者所做的许多关于温度对污水脱氮影响方面的研究，主要是就工艺中的一个或几个方面展开，结合反应器流态特点进行分析的不多．

Cao等人[14]对反应器的构型影响好氧生物膜形态进行了研究，结果表明，反应器的构型对生物处理非常重要，因为生物处理进行的程度受到反应器构型的强烈影响．季铁军等人[15]在以往研究的基础上，结合反应器流态特点就温度对营养物去除的影响对螺旋升流式反应器系统展开了进一步的研究．结果表明，螺旋升流式反应器系统中的反应器可以减轻低温对生物处理的负影响，该系统反应速率明显下降的折点温度为 12 ℃，比其它处理技术低，而在低于 12 ℃时，仍具有相当的处理效果，系统在低温运行期间，耗氧有机物(以 COD计)、总氮和总磷的去除率分别在86%、70%和92%以上，说明螺旋升流式反应器系统具有更宽的温度适应范围．

1.1.5 其他工艺

对活性污泥法的改进还可以应用悬浮填料或直接投加硝化菌，以保证低温条件下硝化菌的正常代谢功能．

邓纪鹏等人[16]对悬浮填料 A/O工艺处理城市低温污水进行了研究．结果表明，进水氨氮在 20～53 mg/L时，通过投加悬浮填料能够显著提高活性污泥系统的硝化效果，在冬季低温(14 ℃)条件下，出水氨氮的均值为2.6 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，而出水总氮平均值为 19 mg/L，基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，并且悬浮填料 A/O工艺在进水负荷变化较大的情况下处理水质稳定，具有较好地抗冲击负荷能力．

邹平等人[17]对悬浮填料活性污泥法处理低温地区综合污水进行了研究，结果表明，在平均水温为12.7 ℃的条件下，系统有较好的硝化效果，对氨氮的总去除率达到80.52%，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的一级标准．

何成达[18]研究了在活性污泥工艺中用投加硝化菌的方法提高硝化速率的特性，结果表明，活性污泥工艺通过投加硝化菌污泥可以使系统在低温、低泥龄下运行，且能获得稳定可靠的硝化效率，在试验温度范围内，投加硝化菌的硝化出水其氨氮值比不投加硝化菌的硝化出水的氨氮值低 10 mg/L以上．另外，城市污水厂脱水污泥的上清液富含氨氮，可作为生成硝化菌的资源．Rittman等人[19]通过投加硝化菌，使低温下该系统硝化所需要的水力停留时间比低温下正常硝化工艺低，达到了在较低温度、较低水力停留时间下正常硝化的效果．

在当前国内外生活污水低温好氧硝化的工艺改进研究中，活性污泥法的改进是应用最广泛的，对于该工艺改进中存在的不足仍需进一步研究．

1.2 生物膜法

低温下对生物膜法工艺的改进主要是通过将驯化的耐低温菌固定在载体上、优化运行控制条件等生物膜载体的改进和生物流化床以及BAF的改进．

1.2.1 生物膜载体

国内外对低温下生物膜载体的相关研究多集中在将驯化的耐低温菌固定在载体上以及优化运行控制条件等方面．

代琳琳[20]研究了悬浮填料——朽木两级串联生物膜工艺处理低温生活污水，大量实验数据表明，进水氨氮浓度为23～60 mg/L时，在8～10 ℃的低温条件下，通过悬浮填料——朽木两级串联生物膜工艺之后，出水氨氮浓度为14 mg/L．可见，该工艺中经过驯化的微生物在低温下生长良好，利于硝化反应的顺利进行，能实现氨氮去除率较高的效果．

Welander等人[21]研究了在低温下(3～20 ℃)悬浮载体生物膜反应器的脱氮过程，结果表明，进水氨氮浓度为30 mg/L，在该反应器中以8 d为一个周期，水力停留时间大约为1.5 h，温度在3 ℃下的最大脱氮率是一个常数，大约占15 ℃下脱氮率的55%．由大量实验数据表明该反应器中脱氮率对温度的依赖性很弱，此研究在低温条件下有潜在的使用价值，甚至在保持相当长时间的低温条件这个研究也很稳定．

1.2.2 生物流化床

有研究者通过将低温菌固定在载体上、优化载体与反应器的有效体积等方式对生物流化床做了一定的改进研究．

姜安玺等人[22]对生物流化床工艺在低温污水处理中的应用进行了研究，结果表明，以聚氨酯泡沫为生物载体，用聚乙烯醇为包埋剂将低温菌固定在载体上后，以 V载体/V反应器有效体积＝20%的投加比将载体装入反应器，在4 ℃的低温环境下系统稳定运行60 d后，污水中的有机物去除率可达90%左右，且剩余污泥量很少，总氮去除率达 60%以上，而相同条件下的活性污泥法在低温环境条件下污水中的有机物去除率仅为55%左右，这充分显示了该项技术在处理低温生活污水时的优势和良好前景．

1.2.3 曝气生物滤池

BAF因具有有机负荷高、占地面积小、投资少、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，受到人们的重视．有研究者通过低温挂膜等方式对BAF做了一定的改进研究．

贺瑞敏等人[23]考察了曝气生物滤池系统在低温情况下，对北方官厅水库入库水生物预处理作了探索性的研究．结果表明：在生物陶粒反应器中，低温对有机物和氨氮的去除影响较大；在冬季，当水温在 5 ℃以下时，氨氮的去除效果较常温(15 ℃以上)有所降低，去除率平均为43.1%；在极端低温的情况下，该工艺仍有较好的去除效果；由于官厅水库入库水在冬季时的水质与一般城市相似，故证明该试验填补了两级曝气生物滤池在低温下处理城市污水的空白，为其用于寒冷地区的城市污水处理提供了第一手资料．

谢曙光等人[24]对BAF的低温挂膜进行了研究．结果表明：低温下曝气生物滤池对氨氮有一定的去除能力；BAF停止运行后滤料表面的微生物在得不到养料的情况下并没有全部死亡，有相当多的细菌将以孢子的形态存在，并在遇到适宜的环境下迅速恢复；挂过膜的生物滤料再次启动挂膜所需要的时间比未挂过膜的要短，在没有氨氮供给的情况下，硝化细菌通过内源呼吸维持其生命，同时合成代谢降到极低的水平，这都有利于达到较好的硝化效果．

谢曙光等人[25]对低温条件下BAF好氧硝化试验进行了研究，结果表明，BAF有较强的抗低温负荷能力，BAF挂膜启动稳定运行后，低温对COD、SS的去除影响不明显，当温度大幅下降到10 ℃以下时，BAF在温度下降初期总氮去除率明显下降，经过一段时间有所回升，将水力停留时间延长至 2.5 h，硝化效果较好，氨氮的去除率在 85%以上，总氮去除率明显回升达到60%．

生物膜法的缺点是：由于微生物在滤料上大量生长繁殖，导致生物膜厚度不断增加，氧气不能完全透入，在生物膜内部深处容易形成厌氧状态，这不利于硝化菌的生长．目前，有关生物膜法低温好氧硝化的文献报道相对较少，尚需进一步研究．

2 功能菌的筛选

许多研究者通过长期驯化培养、优化菌群等方式来筛选所需的功能菌．

Chevalier从南极和北极分离到 4株耐冷的丝状蓝细菌，它们在低温下对氮具有较高的去除率，从而为低温污水中氮的去除提供了新的思路[26]．李亚选等人[27]率先通过对低温环境条件下的活性污泥进行长期驯化培养，筛选出低温高效硝化菌，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%，从而为低温环境条件下污水中氮去除的工程应用打下基础．

张雷等人[28]在低温下对硝化污泥进行驯化培养，从中分离出耐低温的硝化细菌，再将其富集培养，并利用包埋固定化技术将其固定在载体上，从而实现低温下高效脱氮，氨氮去除率达60%以上．

杨清等人[29]利用荧光原位杂交技术(FISH)来优化硝化菌群，在低温下(11.9 ℃)利用这些优化的硝化菌群来研究市政污水中氮的去除效率，结果表明，氮的去除率较高，出水总氮低于 3 mg/L，而且在正常的溶解氧浓度下，此较高的去除效率能维持很长的时间(约 180 d)．

低温下通过 FISH等分子生物学技术，可以识别污水生物处理系统内的硝化菌群，建立硝化菌群动态变化与工艺运行参数之间的相关关系，从微生物学角度对系统运行状态给予最直接、最可靠的分析与证明，为污水生物处理系统的长期稳定运行奠定理论基础．

3 结 语

低温条件下的好氧硝化研究，拓宽了生物脱氮的应用地域，对寒冷地区冬季氮的生物去除有重要的意义．冬季低温条件下硝化能力较低，大多数研究者认为可以通过提高溶解氧浓度和延长污泥龄、降低污泥负荷等方式对活性污泥法进行改进，这方面的应用较广泛；也有研究者通过将驯化的耐低温菌固定在载体上、优化运行控制条件等方式对生物膜法进行改进；另外，还有人通过长期驯化培养、优化菌群等方式来筛选所需的功能菌．对我国而言，在生物膜法改进方面的文献报道相对较少，有待进一步深入研究．

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