低温下高盐废水氨氮处理效率研究

李 梅，于德爽

(1.河南科技大学化工与制药学院，河南洛阳471003;2.青岛大学化学化工与环境学院，山东青岛266071)

0 前言

随着淡水资源的日益缺乏，中国许多沿海城市非常重视海水资源的利用，目前主要应用在海水冲厕，工业冷却水，水产品解冻加工等领域［1－3］。利用海水产生的高盐度废水直接引入城市污水处理系统后，势必对其中的生物群落带来较大冲击，特别是低温条件下污水处理效果的变化更是一个非常具有现实意义的研究课题［4－6］。目前，国内外关于盐度引入对生物处理系统影响利弊的研究结论还很不统一。文献［7］在处理含海水城市污水系统中发现:高盐度下生物系统受到明显影响，生物活性受到抑制，有机物，氮和磷的去除率出现显著降低。文献［8］研究表明:高盐环境下微生物生长没有受到抑制，相反生物活性和有机物去除率均有所提高。以往的研究多针对常温条件下高盐废水中有机物去除效果，关于低温下高盐废水氨氮处理效果，特别是低温下污泥中生物相变化的研究很少见报道。本文主要通过快速降温和缓慢降温两种方式考察低温对MBR和A/O工艺氨氮去除效果的影响，并对低温状态下处理系统中的微生物种群进行了生物学分析，从而为以后的工程实践提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 A/O装置

A/O反应器工作容积为70 L，分为6个格室(前2个格室占反应器总体积的1/4，后4个体积相同)。反应器前2个格室缺氧运行，后4个格室好氧运行。运行条件:pH为7.5～8.5;DO为2～3 mg/L;污泥浓度为3 000～4 000 mg/L;HRT控制在8 h。

1.2 MBR装置

MBR反应器有效容积为257 L，内置8组KMS聚乙烯中空纤维膜组件。单个膜组件的尺寸为30 cm×20 cm，膜孔径为0.4μm，总膜面积为2.57 m2。运行条件:pH为7.5～8.5;DO为2～3 mg/L;污泥浓度为5 000～7 000 mg/L;HRT控制在8 h。

1.3 污泥接种与驯化

试验接种污泥取自青岛市莱西污水处理厂二沉池中的回流污泥。试验采用连续流方式，对接种污泥进行培养驯化。驯化期间进水条件为:COD浓度为600 mg/L左右，NH+4－N浓度为90 mg/L左右，pH为7.0～8.0，水温控制在20～25℃。经过1个月左右的时间，反应器中的污泥由黑色逐渐变为灰褐色，沉降性能逐渐变好，反应器运行稳定，出水氨氮及有机物去除率分别为85%和95%左右，污泥驯化进入成熟阶段，污泥驯化结束，进入试验阶段。

1.4 水质与测定方法

试验中高盐废水由实际生活污水与海水混合配制。污水中海水比例为50%，进水COD浓度在360 mg/L左右，氨氮浓度为70 mg/L左右。试验中缓慢降温采取季节性自然降温方式:试验期间室内暖气关闭，并且开窗通风，使水温与室外温度基本保持一致，随着自然季节降温，保证了低温的实现。快速降温是指:每一试验温度以每小时下降1℃的速率进行人工阶梯式快速降温。快速降温阶梯温度与缓慢降温所选试验温度一致，分别为25℃、20℃、18℃、15℃、13℃、10℃、8℃、5℃。达到每一温度后，待系统稳定后进入污水开始处理。

进水氨氮浓度保持变化不大，进出水氨氮浓度采用钠氏比色法。根据进水出水氨氮浓度计算出去除率，并对低温条件下的活性污泥进行了生物学分析。

2 结果与讨论

2.1 缓慢降温对处理效果的影响

缓慢降温条件下MBR和AO工艺氨氮处理效率影响试验结果如图1、图2所示。

图1 缓慢降温下MBR工艺氨氮处理效果

图2 缓慢降温下A/O工艺氨氮处理效果

从试验结果可以看出:低温条件对活性污泥的新陈代谢产生较强的抑制作用，随着温度的逐渐降低，出水氨氮浓度逐渐升高，去除率逐渐减小。图1表明:对于MBR工艺，当温度在18℃以上时，去除率的下降趋势相对较缓，保持在70%以上。当温度下降至13℃时，去除率下降趋势明显加大，特别是达到10℃时，去除率出现大幅度下降，从20℃时的73.3%降至59.6%。当温度降至最低温度5℃时，去除率保持在55.5%。

从图2结果还可以看出:A/O工艺氨氮处理效率受低温影响的变化趋势与MBR工艺较为相似。但不同的是，相同温度下A/O工艺的去除率均低于MBR工艺，且在整个缓慢降温过程中受温度变化的冲击比MBR工艺更大，去除率下降趋势更为显著，出水氨氮浓度增高趋势明显更强。当温度从20℃下降至10℃时，去除率从67.5%下降为50.5%;当温度降为最低5℃时，去除率为46.9%。

综合以上试验结果分析可知:氨氮的去除效果受到温度的变化影响较大。当温度下降至13℃以下时，微生物的活性明显降低，去除效率显著下降。与此同时，当温度下降为最低5℃时，无论是MBR还是A/O工艺系统依然保持一定的处理效率，去除率在50%左右。可以推断在缓慢降温条件下，微生物受低温驯化时间较长，系统中存在一定数量的耐冷细菌，使得活性污泥在低温条件下仍能维持相当的代谢作用［9－10］。

2.2 快速降温对处理效果的影响

快速降温下MRR工艺和A/O工艺对氨氮的处理效果，分别见图3和图4。

从图3和图4可以看出:快速降温条件下的生物系统遭到了巨大的冲击。两种工艺的氨氮去除效率都以较大幅度快速下降。当温度降至10℃，去除率只有35%左右。从两种工艺的氨氮去除效果下降趋势还可看出:MBR工艺的抗低温冲击能力比A/O工艺要好，最低去除率还保持在25.8%。这与缓慢降温试验中所得规律一致。以上试验结果进一步说明:在经过较长时间微生物驯化后，缓慢降温系统中确实存在相当数量的耐冷细菌，才维持生物处理系统一定的处理效率。快速降温条件致使微生物种类和数量大量减少，并在短时间内难以驯化适应，剩余细菌绝大多数处于内源呼吸阶段，处理系统无法维持常温下的处理效果，造成氨氮浓度快速升高，去除率剧烈下降［11］。

图3 快速降温下MBR工艺氨氮处理效果

图4 快速降温下A/O工艺氨氮处理效果

2.3 低温条件下的生物相变化

为了更好地探讨低温条件对氨氮去除率影响的生物学机制，分别对常温和低温状态下的MBR和A/O系统的活性污泥生物相进行镜检和细菌学计数。通过显微镜观察发现:低温状态下，生物相种类和数量较常温状态明显减少。对MBR处理系统细菌学计数显示:25℃条件下，活性污泥混合菌细菌数目为6.5×108个/mL，缓慢降温5℃条件下细菌数目仅为1.6×107个/mL，快速降温5℃条件下细菌数目仅为5.3×104个/mL。常温下观察到的微生物菌群包括动胶杆菌属、假单胞杆菌属、棒状杆菌属、无色杆菌属、微球菌属、节细菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属等;缓慢降温低温下有假单胞杆菌属、棒状杆菌属、微球菌属、节细菌属、动性球菌属;快速降温低温下只有丝状菌、芽孢杆菌属和黄杆菌属。此外，在对低温状态下的MBR和A/O系统生物相对比观察中发现:无论是缓慢降温还是快速降温低温条件下，MBR系统中的生物相活性和数量都较A/O系统明显丰富活跃，这也证实了MBR系统的氨氮处理效率比A/O系统高。

3 结论

(1)在低温条件下两种工艺对高盐废水中氨氮的去除率明显降低。缓慢降温过程中氨氮去除率的下降趋势相对较缓。当温度从25℃下降至10℃时，MBR工艺对氨氮的去除率从78%下降到59.6%; A/O工艺的去除率从73%下降至50.5%。当达到最低温度5℃时，两种系统的处理效率能维持在50%左右。

(2)在快速降温过程中，氨氮去除率下降趋势显著加剧，当温度从25℃下降至10℃时，MBR工艺对氨氮的去除率从78.5%下降到36.1%;A/O工艺的去除率从74.1%下降至34.3%。当达到最低5℃时，两种系统的处理效率仅有20%左右。

(3)两种降温方式中，相同温度下MBR系统的处理效率都比A/O系统高，而且抗低温的冲击能力也较好。

(4)生物相分析进一步证实:低温条件导致处理系统中微生物种类和数量明显的减少;在缓慢降温条件下由于对低温有一定时期的适应，系统中确实有相当数量的耐冷细菌菌群存在，从而维持系统一定的处理效率;MBR系统的生物相活性较A/O系统更为丰富，活跃。

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