根据上海市《关于本市“十二五”期间城镇污水处理厂执行标准有关要求的通知》(沪环保总〔2013〕11号)的规定，所属位于本市准水源保护区外、现执行二级标准的城镇污水处理厂，到2015年底以前分批执行一级B标准，位于准水源保护区内的城镇污水处理厂执行一级A标准。根据上海某污水厂提供的2012年全年-2013年11月的出水水质数据，污水厂的提标改造难点主要集中在冬季低温条件下12月~次年3月，出水平均氨氮高于一级B要求的最高允许排放浓度为15 mg/L(水温低于12 ℃)，平均去除率不足50%。
污水水温降至15 ℃左右时,低温对活性污泥硝化反硝化性能的抑制作用开始逐渐增强，并影响出水水质。针对于冬季低温条件下，研究人员采用了多种办法克服不利影响，常规的办法有延长停留时间、加大曝气、提高污泥浓度、控制泥龄15~20 d等。此外，还有投加填料、投加优势低温硝化菌种、改良AAO工艺等手段。这些方案对企业实际运行有一定的指导意见，但不见得都具备可行性或经济性。课题研究的目的是找出本地区冬季硝化效率低的首要因素，并提出适合此厂水质和工艺特征的应对方案。
1中试试验
1.1试验装置装置主体为不锈钢材料制作，处理规模为100 t/d，由集水井、初沉池、合建式生化反应池、二沉池组成。合建式生化反应池水力停留时间共12 h，其中厌氧段、缺氧段、好氧段水力停留时间分别为1.4、2.6、8 h。进水、混合液回流、污泥回流均由无堵塞排污泵进行控制，流量采用EM5000型电磁流量计精确计量。缺氧区和好氧区由搅拌泵使混合液搅拌均匀，好氧池底部设有橡胶膜微孔曝气管，并由罗茨风机供气。
1.2试验方案试验进行时间为2013年12月~2014年4月期间，是全年气温最低的几个月。主要考察水温、pH、水力停留时间、溶解氧、对出水氨氮影响。水温和pH通过每日实际测量，分别选取了3组停留时间和3组溶解氧做独立试验，用来考察停留时间和溶解氧的出水氨氮的影响，每个工况连续不间断运行15d。
在控制污泥浓度为2.0~3.0 g/L，混合液回流比为200%， 污泥回流比为100%的条件下，调节进水流量来控制总停留时间。三种工况的停留时间设定值如表1所示
在控制停留时间为12 h， 好氧段停留时间为8 h，污泥浓度为2.0~3.0 g/L，混合液回流比为200%， 污泥回流比为100%的条件下，调节曝气量大小，控制好氧段的溶解氧含量。由于曝气不均匀以及生物量的变化，难以控制溶解氧为一个恒定值。由表2可知工况4、5、6好氧段溶解氧的平均值为0.9、2.7、4.3 mg/L。
1.3测试方法与进水水质试验进水取自厂区沉砂池出水，水质情况如图1所示。试验现场测试指标有pH、溶解氧、水温、。pH的测定点包括集水井、厌氧段、缺氧段、好氧段4个点;溶解氧测定范围包括曝气池好氧末端在内的4个不同测试点以及厌氧段和缺氧段，以保证溶解氧在设定范围内;水温为曝气池水温。每天早中晚各时间段测试1次，并记录。实验室测试指标有COD、BOD、NH3-N、TN、MLSS和MLVSS，均采用国家标准方法分析测定。
由图1 可知进水COD变化幅度为250~350 mg/L、BOD在100~150mg/L之间波动，氨氮、总氮变化幅度较少，平均值分别为24.5和30.8 mg/L。平均BOD/COD为0.45，平均值BOD/TN为4.05，由此可知该进水属于低碳源水质。
2结果与讨论
2.1水温与PH变化规律根据实测结果，将每天的数据取平均值，得到水温和pH的变化规律，如图2所示。
由图2可知1 ~3月份期间，试验基地生化池内水温稳定，维持在11.0~15.5 ℃, 每天早中晚上变化幅度的差异不超过1 ℃。同一时期，气温变化幅度较大，1月和2月，平均最高温度为10 ℃，平均最低温度只有3 ℃，水温比气温高约5 ℃。硝化反应被认为是所有生化反应中对温度最为敏感的一步，氨氧化细菌的比增长速率(μ)会随水温的降低而下降，不同的研究者得出了不同的公式，其中美国EPA 给出的方程是μ=0.47×e0.09(T-15)，Barnard给出的方程是μ=0.33×1.27(T-15)
。根据Head等的研究，当水温突然下降高达20 ℃的条件下，硝化反应依然可以继续，水温从30、25、20 ℃冷却到10 ℃，硝化反应速率平均下降了82%，71%和58%。水温突然降低10 ℃的情况下，硝化反应速率会比逐步下降10 ℃多下降20 % 。在曝气池内，水温在最极端的天气下，不至于会下降到10℃之下，相对稳定的水温对硝化菌的生化作用提供了保障基础。在这个期间，进水pH维持在7.0~7.5之间。混合液pH从厌氧池到缺氧池，最后到好氧末端，pH的平均值为7.35→7.15→6.99，有少幅度的下降，但均不会对硝化作用造成较大的影响。
2.2水力停留时间对出水水质的变化规律图3 为停留时间与出水氨氮的关系，图4为停留时间与出水总氮的关系。
由图3和图4可知随着停留时间的增加，出水氨氮、总氮浓度均有一定程度的下降。当停留时间为10 h时，出水氨氮、总氮的平均值分别为6.8和15.6 mg/L，去除率分别为71.7%和50.9%;当停留时间为12 h时，出水氨氮、总氮的平均值为5.2和12.9 mg/L，去除率分别为79.5%和56.6%;当停留时间为14 h时，出水氨氮、总氮的平均值为4.1和12.6 mg/L，去除率分别为83.2%和60.1%;
通过提高停留时间，本质为了增加硝化反应的时间，在上述工况条件下，增加4h的停留时间，出水氨氮和总氮值只降低了2.7mg/L和3.0mg/L，可以推断出如果继续提高停留时间，出水氨氮和总氮只会缓慢下降，减排的效果不是十分明显。
2.3溶解氧对出水水质的变化规律图5 为溶解氧与出水氨氮的关系，图6为溶解氧与出水总氮的关系。
由图5和图6可知随着溶解氧的提高，出水氨氮、总氮浓度均有较明显降低。当溶解氧为0.9 mg/L时，出水氨氮、总氮的平均值分别为16.5和23.3 mg/L，去除率分别为34.8%和28.2%;当在溶解氧为2.7 mg/L时，出水氨氮、总氮的平均值为5.2和12.9 mg/L，去除率分别为79.5%和56.6%;当在溶解氧为4.3 mg/L时，出水氨氮、总氮的平均值为0.8和8.2 mg/L，去除率分别为96.6%和72.3%;当水温为11 ~15.5 ℃时，通过提高溶解氧，氨氮去除率可以较明显提高，氨氮指标可以达到一级A的排放标准。氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌都属于自养微生物，由于氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌都是利用单一生长基质生长的微生物，两种微生物的反应动力学接近于Monod 关系的基本条件，由于两类生化反应产生的能量不尽相同，一般而言，硝化反应中的速度限制步骤是亚硝酸菌属将NH3-N氧化成NO2--N的过程。亚硝酸菌的增殖与底物去除的动力学可以用Monod方程表示：
根据罗飞航的模拟结果表明硝化反应过程中，温度的灵敏度最大、溶解氧次之、碱度灵敏度相对最小。在冬季水温相对恒定的情形下，溶解氧也是一个不可忽视的因子，提高溶解氧可以加快微生物硝化反应速率。另外，运行过程中，较低溶解氧的情形下，发现二沉池内絮状悬浮物增多，出水水质浊度变差，容易发生污泥膨胀，有发生SVI超过200的情况。氨氮削减率由0.9减少到0.3 mg/VSS˙h。
3低温脱氮的措施分析
常规生物脱氮处理法对水温在 12 ℃以上的污水往往有较好的硝化效果，面对冬季低温条件下(12±2)℃，城镇污水厂往往按照经验，通过降低污泥负荷，延长污泥龄，增加水力停留时间、提高曝气量等方式来提高硝化反应，在这些方法中，选择出合适的方法并不是一件容易的事情。根据中试的情况，并结合厂的实际运行情况，针对各种可能是情形进行逐一分析，以便得出更优的处理办法，具体如表3所示。
由两者相比较可知，厂实际运行参数部分优于中试，厂区污泥浓度高于中试基地，其他参数大致一致，唯有溶解氧一项指标，未有准确参数，厂区实际情况是曝气池末端溶解氧>2 mg/L，部分监测段溶解氧>2 mg/L，当初设计是按照污水处理厂出水二级排放标准，气水比为4.5，可见有可能存在曝气不均导致实际曝气量不够的问题。厂内目前采取提高污泥浓度，冬季低温下污泥浓度平均为3.5 g/L，停留时间有增加至13小时，但均未取得良好的效果，氨氮出水去除率不到50%，出水浓度在12 ~15 mg/L。另外，还尝试投加硝化菌、投加填料等手段，但因成本问题，未能有效实施。结合本厂生产运行情况或可能的提标改造工程，比较提高污泥浓度，增加停留时间，提高曝气量等多种措施，可能的最优方案是提高曝气量。
4结论
根据在厂区日处理量100t/d的中试基地运行情况，提出影响低温条件下脱氮工艺的因子和优化控制措施。
(1)2014年1月-3月期间，中试基地内水温变化范围是11.0~15.5 ℃，且水温早晚温差变化较小，在曝气充足情况下，未见氨氮出水超标现象，均小于8mg/L。进水pH维持在7.0~7.5之间，不太低的温度为生物脱氮提供了良好的基础环境。
(2)停留时间从10h增加14h，出水氨氮和总氮值平均下降了2.7mg/L和3.0mg/L，减排效果并不明显。
(3)在水温为11.0 ℃~15.5 ℃下，通过提高溶解氧，氨氮去除率可以提高，氨氮指标可以达到一级A的排放标准，如果当溶解氧低于1mg/L时，会严重影响出水氨氮。
为实现上海“十二五”城镇污水处理厂脱氮减排的目标，出水氨氮指标达到GB 18918—2002的一级B标准，污泥负荷易采用0.10~0.14 kg BOD5/(kg MLSS ˙d)，生物池的泥龄可采用15~20 d，停留时间12h，污泥浓度2.0~3.0g/L，曝气池溶解氧控制在2mg/L以上，内回流为200%，外回流为100%，关键是从设计上或将来的提标改造中，提高气水比，另外在实际运行过程中，加强对曝气池溶解氧的整体监测。
