牛四芳，苑宏英，郭 江，吳麗杰

(1. 天津城市建設學院 a. 環(huán)境與市政工程系；b. 天津市水質(zhì)科學與技術重點實驗室，天津 300384；2. 天津市水利勘測設計院 院辦公室，天津 300204)

當冬季污水溫度低于 15 ℃時，硝化速率急劇降低，5 ℃左右時，硝化作用基本停止[1]，硝化效果變差使得氨氮和總氮無法達到排放標準，隨著排放標準的日益嚴格，這個問題越發(fā)突出．很多污水處理廠進入冬季調(diào)試運行后，常常要經(jīng)過很長時間的調(diào)整，才能保證氨氮達標，長期氨氮不達標排放會造成水體富營養(yǎng)化，惡化水體生態(tài)環(huán)境．錢程等人[2]研究發(fā)現(xiàn)：冬季低溫時，污水處理站包括好氧硝化在內(nèi)的污水處理效率降到了50%左右，當水溫低于4 ℃時，幾乎無處理效果；同時低溫會導致污泥膨脹等現(xiàn)象出現(xiàn)．需要尋找合適的方法強化冬季低溫條件下生物系統(tǒng)對氨氮的硝化能力，縮短生物培養(yǎng)期，使其具有良好的環(huán)境效應．

針對上述問題，國內(nèi)外所做的研究主要集中于工藝的改進和功能菌的篩選，工藝的改進包括對活性污泥法和生物膜法的改進．

1 工藝改進的研究

低溫好氧硝化在工藝方面的改進主要包括活性污泥法和生物膜法這兩方面的改進．其中，對活性污泥法的改進包括對傳統(tǒng)活性污泥法、SBR、A2/O等工藝的改進，是通過優(yōu)化運行操作條件等方式實現(xiàn)的；對生物膜法的改進包括生物膜載體、生物流化床以及曝氣生物濾池(BAF)等幾個方面，是通過將馴化的耐低溫菌固定在載體上、優(yōu)化運行控制條件等方式實現(xiàn)的．

1.1 活性污泥法

1.1.1 傳統(tǒng)活性污泥法

傳統(tǒng)活性污泥法在冬季低溫條件下硝化效率較低，許多學者認為可以通過提高溶解氧濃度和延長污泥齡、降低污泥負荷等運行控制條件進行改進．

白曉慧等人[3]研究了低溫條件下實現(xiàn)高效硝化的運行控制條件，結果表明，當進水氨氮平均達到13.15 mg/L時，通過延長泥齡，保持較低的污泥負荷(＜0.15 kgBOD5/(kgMLSS·d))，溶解氧大于 1 mg/L，即使在冬季水溫小于 10 ℃的條件下，也可保持較高的硝化效果，出水氨氮平均為1.66 mg/L；同時可以高效穩(wěn)定地去除水中的有機物．

基于太湖流域 8家城鎮(zhèn)污水處理廠的實際運行數(shù)據(jù)，楊小麗等人[4]結合動力學分析，研究了低溫生物脫氮的強化措施，結果表明，欲維持與常溫期相同的硝化效果，溫度每下降 1 ℃溶解氧濃度應相應提高10%，或者污泥齡需相應提高 10%．此外，調(diào)查表明 8家污水處理廠的污泥濃度均控制在 3 000～4 000 mg/L，污泥負荷 Ns≤0.12 kgBOD5/(kgMLSS·d)，泥齡≥12 d，滿足了低溫條件對設計負荷的要求，而且通過實際調(diào)查的運行監(jiān)測數(shù)據(jù)證實了上述結論能克服低溫對生物脫氮的影響[4]．

Bjorlenius等人[5]在對瑞士某污水廠進行運行管理時發(fā)現(xiàn)，通過降低污泥負荷值，可以改變污水廠在冬季氣溫較低時，絲狀菌大量繁殖造成污泥膨脹致使硝化反應幾乎不能發(fā)生的現(xiàn)象，同時維持溶解氧濃度在4 mg/L，最終可以達到全年硝化反應的發(fā)生．

傳統(tǒng)活性污泥法處理低溫生活污水的不足之處是：由于污泥負荷與污泥齡兩者成反比，延長污泥齡的同時也降低了污泥負荷，因此，在實際工程中應注意它們之間的相關性．

1.1.2 SBR工藝

為保障低溫下一定的好氧硝化速率，許多學者在SBR工藝的基礎上進行的工藝改進包括傳統(tǒng)工藝的改進和新型工藝的引進．

傳統(tǒng)工藝的改進包括沸石強化生物脫氮工藝、間歇式循環(huán)延時曝氣活性污泥(ICEAS)工藝、循環(huán)式活性污泥法(CAST)、循環(huán)式活性污泥系統(tǒng)(CASS)等工藝的改進，具體內(nèi)容見表1．

表1 幾種傳統(tǒng)工藝的改進

從表1中可以看出，低溫下對傳統(tǒng)工藝進行改進后，硝化效果較好，氨氮平均去除率明顯提高，但仍存有一定的問題：對于沸石強化生物脫氮工藝，若進水水質(zhì)較差，需要投加的沸石粉量較大，工程上會帶來一定的困難；對于CAST工藝，曝氣階段溶解氧較高，雖然在沉淀和潷水階段溶解氧降低，但C/N非常低，導致總氮去除效果一般．

新型工藝的引進包括連續(xù)曝氣池(DAT)-間隙曝氣池(IAT)工藝以及間歇式氣升內(nèi)循環(huán)反應器(SBAR)等工藝．

傅金祥等人[10]對低溫下DAT-IAT工藝污水處理廠活性污泥培養(yǎng)馴化進行了研究，通過反應器水溫在11～13 ℃的低溫不利條件下，采用連續(xù)流方法成功地進行了活性污泥培養(yǎng)馴化和啟動調(diào)試．結果表明，培養(yǎng)馴化周期在30 d左右時，活性污泥絮體基本形成，水中氨氮去除率為90%．

寶瑞玲等人[11]以葡萄糖和乙酸鈉混合基質(zhì)為碳源，絮狀污泥為接種污泥，采用SBAR，在低溫條件下對好氧顆粒污泥的培養(yǎng)、顆粒污泥特性以及對污染物的去除效果進行了研究．結果表明，在溫度為(10±1)℃時，成功培養(yǎng)了好氧顆粒污泥；其平均粒徑為 1.82 mm，結構密實、表面光滑，平均濕密度為1.036 g/cm3，沉速為 18.6～65.1 cm/min．反應器穩(wěn)定運行后，硝化效果較好，對氨氮去除率范圍為69.2%～79.9%．

目前，有關好氧顆粒SBAR的文獻報道相對較少，有待進一步深入研究．

1.1.3 改良的倒置A2/O工藝

許多學者研究的改良的倒置A2/O工藝是在普通A2/O工藝的基礎上將厭氧池和缺氧池倒置，同時向池中加入固定的耐低溫硝化菌．

李思強等人[12]對硝化(NR)級通過改良的倒置A2/O工藝進行的中溫和低溫下氨氮的去除效果進行了比較．結果表明，中溫下氨氮的去除率在95%左右，低溫下去除率在90%左右，盡管中溫下氨氮去除率略高于低溫，但變化并不明顯，說明固定化耐冷硝化細菌在低溫下具有較高的活性，利于硝化反應的進行．

張爽[13]將常溫富集培養(yǎng)后制備的固定化硝化菌投入改良的倒置 A2/O工藝中，研究了常溫富集培養(yǎng)制備的固定化硝化菌在經(jīng)過常溫活性恢復和增殖后對低溫好氧硝化的影響，結果表明，由于包埋固定化的硝化菌，經(jīng)常溫運行，使其活性恢復和增殖后轉(zhuǎn)入低溫，可在很短時間內(nèi)適應，即當試驗由常溫(25～30 ℃)轉(zhuǎn)入低溫(≤10 ℃)環(huán)境時，雖然去除率明顯下降，但經(jīng)過一個月的馴化后，去除率會明顯上升，表明將常溫富集培養(yǎng)后制備的固定化硝化菌已適應了低溫環(huán)境，同時表明經(jīng)過富集培養(yǎng)的硝化混合菌群先在常溫下運行，再轉(zhuǎn)入低溫，混合菌群中的低溫菌仍能保持優(yōu)勢菌的地位．系統(tǒng)在低溫下的運轉(zhuǎn)效果證明了該工藝的可行性．

改良的倒置 A2/O工藝的缺點是：總氮的去除受低溫的影響明顯，而且低溫下總氮的去除效果遠遠低于中溫下的去除效果．

1.1.4 螺旋升流式反應器系統(tǒng)

多年來，國內(nèi)外眾多學者所做的許多關于溫度對污水脫氮影響方面的研究，主要是就工藝中的一個或幾個方面展開，結合反應器流態(tài)特點進行分析的不多．

Cao等人[14]對反應器的構型影響好氧生物膜形態(tài)進行了研究，結果表明，反應器的構型對生物處理非常重要，因為生物處理進行的程度受到反應器構型的強烈影響．季鐵軍等人[15]在以往研究的基礎上，結合反應器流態(tài)特點就溫度對營養(yǎng)物去除的影響對螺旋升流式反應器系統(tǒng)展開了進一步的研究．結果表明，螺旋升流式反應器系統(tǒng)中的反應器可以減輕低溫對生物處理的負影響，該系統(tǒng)反應速率明顯下降的折點溫度為 12 ℃，比其它處理技術低，而在低于 12 ℃時，仍具有相當?shù)奶幚硇Ч?，系統(tǒng)在低溫運行期間，耗氧有機物(以 COD計)、總氮和總磷的去除率分別在86%、70%和92%以上，說明螺旋升流式反應器系統(tǒng)具有更寬的溫度適應范圍．

1.1.5 其他工藝

對活性污泥法的改進還可以應用懸浮填料或直接投加硝化菌，以保證低溫條件下硝化菌的正常代謝功能．

鄧紀鵬等人[16]對懸浮填料 A/O工藝處理城市低溫污水進行了研究．結果表明，進水氨氮在 20～53 mg/L時，通過投加懸浮填料能夠顯著提高活性污泥系統(tǒng)的硝化效果，在冬季低溫(14 ℃)條件下，出水氨氮的均值為2.6 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，而出水總氮平均值為 19 mg/L，基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，并且懸浮填料 A/O工藝在進水負荷變化較大的情況下處理水質(zhì)穩(wěn)定，具有較好地抗沖擊負荷能力．

鄒平等人[17]對懸浮填料活性污泥法處理低溫地區(qū)綜合污水進行了研究，結果表明，在平均水溫為12.7 ℃的條件下，系統(tǒng)有較好的硝化效果，對氨氮的總?cè)コ蔬_到80.52%，出水水質(zhì)達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的一級標準．

何成達[18]研究了在活性污泥工藝中用投加硝化菌的方法提高硝化速率的特性，結果表明，活性污泥工藝通過投加硝化菌污泥可以使系統(tǒng)在低溫、低泥齡下運行，且能獲得穩(wěn)定可靠的硝化效率，在試驗溫度范圍內(nèi)，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，城市污水廠脫水污泥的上清液富含氨氮，可作為生成硝化菌的資源．Rittman等人[19]通過投加硝化菌，使低溫下該系統(tǒng)硝化所需要的水力停留時間比低溫下正常硝化工藝低，達到了在較低溫度、較低水力停留時間下正常硝化的效果．

在當前國內(nèi)外生活污水低溫好氧硝化的工藝改進研究中，活性污泥法的改進是應用最廣泛的，對于該工藝改進中存在的不足仍需進一步研究．

1.2 生物膜法

低溫下對生物膜法工藝的改進主要是通過將馴化的耐低溫菌固定在載體上、優(yōu)化運行控制條件等生物膜載體的改進和生物流化床以及BAF的改進．

1.2.1 生物膜載體

國內(nèi)外對低溫下生物膜載體的相關研究多集中在將馴化的耐低溫菌固定在載體上以及優(yōu)化運行控制條件等方面．

代琳琳[20]研究了懸浮填料——朽木兩級串聯(lián)生物膜工藝處理低溫生活污水，大量實驗數(shù)據(jù)表明，進水氨氮濃度為23～60 mg/L時，在8～10 ℃的低溫條件下，通過懸浮填料——朽木兩級串聯(lián)生物膜工藝之后，出水氨氮濃度為14 mg/L．可見，該工藝中經(jīng)過馴化的微生物在低溫下生長良好，利于硝化反應的順利進行，能實現(xiàn)氨氮去除率較高的效果．

Welander等人[21]研究了在低溫下(3～20 ℃)懸浮載體生物膜反應器的脫氮過程，結果表明，進水氨氮濃度為30 mg/L，在該反應器中以8 d為一個周期，水力停留時間大約為1.5 h，溫度在3 ℃下的最大脫氮率是一個常數(shù)，大約占15 ℃下脫氮率的55%．由大量實驗數(shù)據(jù)表明該反應器中脫氮率對溫度的依賴性很弱，此研究在低溫條件下有潛在的使用價值，甚至在保持相當長時間的低溫條件這個研究也很穩(wěn)定．

1.2.2 生物流化床

有研究者通過將低溫菌固定在載體上、優(yōu)化載體與反應器的有效體積等方式對生物流化床做了一定的改進研究．

姜安璽等人[22]對生物流化床工藝在低溫污水處理中的應用進行了研究，結果表明，以聚氨酯泡沫為生物載體，用聚乙烯醇為包埋劑將低溫菌固定在載體上后，以 V載體/V反應器有效體積＝20%的投加比將載體裝入反應器，在4 ℃的低溫環(huán)境下系統(tǒng)穩(wěn)定運行60 d后，污水中的有機物去除率可達90%左右，且剩余污泥量很少，總氮去除率達 60%以上，而相同條件下的活性污泥法在低溫環(huán)境條件下污水中的有機物去除率僅為55%左右，這充分顯示了該項技術在處理低溫生活污水時的優(yōu)勢和良好前景．

1.2.3 曝氣生物濾池

BAF因具有有機負荷高、占地面積小、投資少、不會產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，受到人們的重視．有研究者通過低溫掛膜等方式對BAF做了一定的改進研究．

賀瑞敏等人[23]考察了曝氣生物濾池系統(tǒng)在低溫情況下，對北方官廳水庫入庫水生物預處理作了探索性的研究．結果表明：在生物陶粒反應器中，低溫對有機物和氨氮的去除影響較大；在冬季，當水溫在 5 ℃以下時，氨氮的去除效果較常溫(15 ℃以上)有所降低，去除率平均為43.1%；在極端低溫的情況下，該工藝仍有較好的去除效果；由于官廳水庫入庫水在冬季時的水質(zhì)與一般城市相似，故證明該試驗填補了兩級曝氣生物濾池在低溫下處理城市污水的空白，為其用于寒冷地區(qū)的城市污水處理提供了第一手資料．

謝曙光等人[24]對BAF的低溫掛膜進行了研究．結果表明：低溫下曝氣生物濾池對氨氮有一定的去除能力；BAF停止運行后濾料表面的微生物在得不到養(yǎng)料的情況下并沒有全部死亡，有相當多的細菌將以孢子的形態(tài)存在，并在遇到適宜的環(huán)境下迅速恢復；掛過膜的生物濾料再次啟動掛膜所需要的時間比未掛過膜的要短，在沒有氨氮供給的情況下，硝化細菌通過內(nèi)源呼吸維持其生命，同時合成代謝降到極低的水平，這都有利于達到較好的硝化效果．

謝曙光等人[25]對低溫條件下BAF好氧硝化試驗進行了研究，結果表明，BAF有較強的抗低溫負荷能力，BAF掛膜啟動穩(wěn)定運行后，低溫對COD、SS的去除影響不明顯，當溫度大幅下降到10 ℃以下時，BAF在溫度下降初期總氮去除率明顯下降，經(jīng)過一段時間有所回升，將水力停留時間延長至 2.5 h，硝化效果較好，氨氮的去除率在 85%以上，總氮去除率明顯回升達到60%．

生物膜法的缺點是：由于微生物在濾料上大量生長繁殖，導致生物膜厚度不斷增加，氧氣不能完全透入，在生物膜內(nèi)部深處容易形成厭氧狀態(tài)，這不利于硝化菌的生長．目前，有關生物膜法低溫好氧硝化的文獻報道相對較少，尚需進一步研究．

2 功能菌的篩選

許多研究者通過長期馴化培養(yǎng)、優(yōu)化菌群等方式來篩選所需的功能菌．

Chevalier從南極和北極分離到 4株耐冷的絲狀藍細菌，它們在低溫下對氮具有較高的去除率，從而為低溫污水中氮的去除提供了新的思路[26]．李亞選等人[27]率先通過對低溫環(huán)境條件下的活性污泥進行長期馴化培養(yǎng)，篩選出低溫高效硝化菌，并自主開發(fā)反應裝置，使低溫環(huán)境條件下污水的總氮去除率達到了60%，從而為低溫環(huán)境條件下污水中氮去除的工程應用打下基礎．

張雷等人[28]在低溫下對硝化污泥進行馴化培養(yǎng)，從中分離出耐低溫的硝化細菌，再將其富集培養(yǎng)，并利用包埋固定化技術將其固定在載體上，從而實現(xiàn)低溫下高效脫氮，氨氮去除率達60%以上．

楊清等人[29]利用熒光原位雜交技術(FISH)來優(yōu)化硝化菌群，在低溫下(11.9 ℃)利用這些優(yōu)化的硝化菌群來研究市政污水中氮的去除效率，結果表明，氮的去除率較高，出水總氮低于 3 mg/L，而且在正常的溶解氧濃度下，此較高的去除效率能維持很長的時間(約 180 d)．

低溫下通過 FISH等分子生物學技術，可以識別污水生物處理系統(tǒng)內(nèi)的硝化菌群，建立硝化菌群動態(tài)變化與工藝運行參數(shù)之間的相關關系，從微生物學角度對系統(tǒng)運行狀態(tài)給予最直接、最可靠的分析與證明，為污水生物處理系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行奠定理論基礎．

3 結 語

低溫條件下的好氧硝化研究，拓寬了生物脫氮的應用地域，對寒冷地區(qū)冬季氮的生物去除有重要的意義．冬季低溫條件下硝化能力較低，大多數(shù)研究者認為可以通過提高溶解氧濃度和延長污泥齡、降低污泥負荷等方式對活性污泥法進行改進，這方面的應用較廣泛；也有研究者通過將馴化的耐低溫菌固定在載體上、優(yōu)化運行控制條件等方式對生物膜法進行改進；另外，還有人通過長期馴化培養(yǎng)、優(yōu)化菌群等方式來篩選所需的功能菌．對我國而言，在生物膜法改進方面的文獻報道相對較少，有待進一步深入研究．

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