《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Optimizing Winter Nitrification in Pilot-Scale MBBR Systems: Ammonia Supplementation and Split-Feed Strategies for Post-Lagoon Treatment Under Extreme Cold Conditions
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低温硝化性能提升、MBBR系统优化、氨补充策略、分料操作机制、硝化细菌适应性
作者：任亚楠|Jan A Oleszkiewicz|Miguel Uyaguari|Fernanda Ferraz|Tanner R. Devlin
曼尼托巴大学土木工程系，加拿大曼尼托巴省温尼伯市Chancellors Circle 75号，邮编R3T 5V6
摘要
本研究探讨了在极端寒冷条件下，通过添加氨（浓度为5毫克/升和50毫克/升）以及采用分段进料操作，改进试点规模移动床生物膜反应器（MBBR）在湖泊处理后的冬季硝化性能。实验结果表明，改进后的系统能够更快地适应低温环境，并表现出更优的总体硝化效果。第一年，当氨的添加量为5毫克/升时，系统在初期性能下降后迅速恢复，总氨氮（TAN）去除率达到了81.8 ± 9.3%（表面积去除率SARR为0.60 ± 0.07克/平方米·天），而对照组仅为57.1 ± 5.6%（SARR为0.40 ± 0.05克/平方米·天）。第二年，在高浓度且持续添加氨的情况下（50毫克/升），改进后的系统在1°C的温度下三个月内始终保持了90%以上的TAN去除率（SARR为0.91 ± 0.08克/平方米·天），优于对照组（84.4 ± 3.9%，SARR为0.77 ± 0.08克/平方米·天）。微生物分析显示，细菌群落发生了季节性变化：氨氧化菌（AOB）主要由Nitrosomonadaceae属细菌主导，亚硝酸盐氧化菌（NOB）主要由Nitrospira属细菌主导。值得注意的是，NOB的耐寒性更强，即使在低浓度下也能有效发挥作用（其种群比例低于1%）。尽管这些改进措施增强了硝化菌的数量并提升了系统性能，但仍存在一些操作上的挑战——分段进料操作影响了改进后系统中第一个反应器的性能，导致TAN积累，并给下游反应器带来了压力。总体而言，本研究为寒冷气候下MBBR系统的设计和运行提供了宝贵见解，为在极端环境条件下提高硝化性能提供了框架。
引言
湖泊系统，也称为“废水稳定池”，是全球偏远地区最常见且最具成本效益的废水处理方法[1]、[2]、[3]、[4]。这些系统可以在好氧、厌氧或兼性条件下运行，依靠自然生物过程有效去除悬浮固体、可生物降解有机物和营养物质[5]、[6]、[7]。然而，季节性的温度变化对维持稳定的处理效果构成了重大挑战[8]，尤其是在寒冷气候地区（如加拿大和美国），冬季废水温度可能降至5°C以下，并且春季仍保持较低[9]、[10]、[11]。低温会显著降低湖泊系统中功能性微生物的活性，从而降低处理效果[1]。在低温条件下，硝化作用受影响尤为明显，可能导致湖泊出水中的氨氮浓度超过40毫克/升[12]。虽然去除氨并非湖泊处理的主要目的，但为了符合排放标准中对氨氮的限制，仍需采取有效的处理策略[13]、[14]。
为了在寒冷时期保持处理效果并遵守严格的营养物法规，研究人员探索并实施了多种低温处理技术来升级传统的湖泊系统。例如，集成固定膜活性污泥（IFAS）和淹没式附着生长反应器（SAGR?）等技术在低温下显示出良好的氨去除效果[4]、[14]。SAGR甚至在温度低于1°C的情况下也能实现超过90%的氨去除率并保持硝化菌的活性[4]、[15]。在各种可用技术中，移动床生物膜反应器（MBBR）被认为是适用于低温运行的最佳升级方案[1]、[9]、[16]、[17]、[18]。MBBR具有诸多优势，包括占地面积小、操作和维护简便、生物质损失少以及能够支持生长缓慢的硝化菌[19]。D’Aoust等人[1]报告称，在0.6至13°C的温度范围内，MBBR的平均TAN去除率超过了80%。Ahmed等人[9]在1°C的温度下也观察到了85.6%的TAN去除率。其他研究还探讨了低温冲击和不同负荷率对MBBR处理效果的影响[9]、[11]。
尽管这些技术有效提升了湖泊处理后的处理效果，但在极端寒冷或长期低温条件下，其硝化性能仍会下降。例如，在5°C时，MBBR的硝化速率仅为20°C时的66%，而在1°C时进一步降至18%[16]。此外，在超低温（0.6-3.0°C）条件下运行50天后，二级MBBR的氨去除率从75%下降到41%[1]。尽管存在这些挑战，但只有少数研究探讨了如何在升级后的系统中实现稳定的硝化性能。一种有效的策略是在秋季采用旁路操作为二级SAGR提供额外基质，从而促进生物量的增长并改善冬季的整体硝化效果[15]。此外，Ren等人[17]指出，随着温度的降低，MBBR进水中的氨浓度升高，使得在1°C时氨的去除率更高，在3°C时恢复得更快。这些发现强调了提供额外基质（如氨）在低温下提升硝化性能的潜力。相关研究结果总结在补充表S-3中。
基于之前的改进策略，本研究连续两年实施了分段进料和添加氨的方法，以增加湖泊处理后MBBR处理过程中的氨供应量。主要目的是评估这些策略在寒冷时期提升硝化性能的有效性。此外，研究还探讨了湖泊处理后MBBR对氨浓度和废水温度季节性变化的响应。通过分析处理效果和微生物动态，本研究旨在为优化MBBR运行提供全面见解，从而在季节性变化期间确保处理效率的一致性。
实验设置
实验装置
在加拿大Lorette污水处理湖泊设施（MB）安装了两个试点规模的MBBR处理系统。每个系统由两个530升的MBBR反应器串联组成，所有反应器的设置参数一致。湖泊出水以2.75立方米/天的流量连续流入MBBR系统，名义水力停留时间为4.6小时。研究期间的湖泊出水特性详见补充表S-1。
第一年
随着秋季废水温度逐渐降至约7.0°C，2021年10月时进水的总氨氮（TAN）浓度始终低于2.0毫克/升（图2(a)）。这导致对照组中的C-1和C-2反应器长时间处于氨缺乏状态。与此同时，改进后的系统中的E-1和E-2反应器接受了额外5毫克/升的氨补充，并采用了分段进料模式。尽管两组系统的操作方式不同，但硝化性能没有显著差异。
结论
本研究强调了在极端寒冷条件下，通过添加氨和采用分段进料操作可以有效提升试点规模MBBR处理系统的冬季硝化性能。改进后的系统在低温环境下表现出更快的适应能力和更优的总体硝化效果，尤其是在第二年，当时采用了高浓度且持续添加氨的方法。尽管在某些时期性能有所下降，但...
作者贡献声明
Devlin Tanner：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源获取、概念构思。
Fernanda Ferraz：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调。
Miguel Uyaguari：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法学设计。
Oleszkiewicz Jan：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、资金获取。
Yanan Ren：初稿撰写、数据可视化、实验设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
