梁 政

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京102600）

鐵路沿線的會讓站、越行站、獨立的工區(qū)、橋隧守護點、區(qū)間牽引變電所等單位絕大多數(shù)位于城鎮(zhèn)市政排水設(shè)施覆蓋之外，具有排放量小、水質(zhì)污染濃度低等特點。針對這些特點，實際工程中多采用厭氧生物濾池（AF）對這些場所的生活污水進行處理，處理后的污水多用于綠化、農(nóng)業(yè)灌溉等。

我國幅員遼闊，各地海拔高差、南北緯度相差很大，氣象條件大不相同。在相對溫暖、炎熱的中部、南方地區(qū)，中小車站厭氧濾池一般運行比較穩(wěn)定，出水水質(zhì)能滿足國家GB8978—1996《污水綜合排放標準》中的Ⅱ級標準，具體指標如表1。

表1 厭氧濾池進、出水水質(zhì)指標 單位：mg/L

在氣候寒冷、氣溫長年偏低的東北、西北地區(qū)，系統(tǒng)收集到的污水水溫普遍較低，冬季難以達到10 ℃以上。由于厭氧反應(yīng)器對溫度有很高的要求，在寒冷地區(qū)繼續(xù)采用厭氧生物濾池處理后尾水不能達標排放。另外，東北、西北地區(qū)冬季嚴寒而漫長，普遍存在季節(jié)性凍土，一些地區(qū)凍土深度甚至超過3m，考慮到施工難度、系統(tǒng)維護及結(jié)構(gòu)合理性，厭氧濾池不能埋設(shè)太深，難以避免受到凍土層的影響。

厭氧反應(yīng)過程的影響因素主要包括內(nèi)部因素和外在因素兩類：基礎(chǔ)因素（主要包括有機負荷、營養(yǎng)比、污泥濃度、混合接觸狀況等），外在因素（包括pH值、溫度、毒性物質(zhì)、氧化還原電位等［1］）。

1 厭氧反應(yīng)的控制條件

1.1 水溫

按照3種不同嗜溫厭氧菌（5 ℃～20 ℃；20 ℃～42 ℃；42 ℃～75 ℃）工程上分為低溫厭氧（15 ℃～20 ℃）、中溫厭氧（30 ℃～35 ℃）、高溫厭氧（50 ℃～55 ℃）3種。溫度對厭氧反應(yīng)尤為重要，當溫度低于最優(yōu)下限溫度時，每下降1 ℃，效率下降11%。在上述范圍，溫度在1 ℃～3 ℃的微小波動，對厭氧反應(yīng)影響不明顯，但溫度變化過大（急速變化），則會使污泥活力下降，產(chǎn)生酸積累等問題［3］。

溫度對CODCr的去除率影響如圖1，對厭氧微生物活性的影響如圖2。

圖1 溫度去除率

圖2 溫度與厭氧生物活性

在低溫（10 ℃以下）條件下采用厭氧反應(yīng)器處理低濃度的鐵路生活污水，出水難以達到Ⅱ級排放標準。如果繼續(xù)采用優(yōu)點眾多的厭氧生物濾池工藝，需要認真研究。

1.2 污水水質(zhì)指標

1.2.1 pH

厭氧水解酸化工藝，對pH要求范圍較松，即產(chǎn)酸菌的pH應(yīng)控制4～7范圍內(nèi)；產(chǎn)甲烷反應(yīng)控制范圍6.5～8.0，最佳范圍為6.8～7.2。

1.2.2 營養(yǎng)物

厭氧反應(yīng)池營養(yǎng)物比例為C∶N∶P=（350～500）∶5∶1。

1.2.3 氧化還原電位

水解階段氧化還原電位為-100～+100mV，產(chǎn)甲烷階段的最優(yōu)氧化還原電位為-150～-400mV。

1.2.4 有毒有害物

抑制和影響厭氧反應(yīng)的有害物主要有：無機物、有機化合物、生物異型化合物。

鐵路中小車站排放的污水性質(zhì)為生活污水，污水中不存在有毒有害物，其pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物一般符合厭氧反應(yīng)的水質(zhì)條件。

1.3 主要工藝參數(shù)

1.3.1 水力停留時間（HRT）

保持進水濃度不變，水力停留時間的變化不僅影響泥水在厭氧反應(yīng)器中的接觸時間，更影響到反應(yīng)器有機負荷率的大小，隨著HRT的降低，反應(yīng)器的有機負荷率會大幅增加，從而影響運行效果。

1.3.2 污泥負荷（NS）

增加污泥負荷，初期CODCr去除率會暫時下降，但經(jīng)過一段穩(wěn)定運行后，正常溫度下去除率會慢慢穩(wěn)定，在一定運行狀態(tài)下逐步提高污泥負荷，不會對反應(yīng)器的運行造成不良影響。

2 低溫條件

自然界中大部分甲烷是在低溫環(huán)境下形成，隨著嗜冷產(chǎn)甲烷微生物的分離 （最低生長溫度-2 ℃～5 ℃）等一系列研究，已證明嗜冷消化的可行性。另一方面，生態(tài)學(xué)者認為各種低溫生態(tài)系統(tǒng)中，甲烷的生成是由嗜冷產(chǎn)甲烷古菌群落與其他微生物群落的相互營養(yǎng)作用決定［2］。因此，通過添加特定低溫水解菌群的菌株或者馴化的菌群，可為有機物厭氧降解及達標排放提供一個方向。

2.1 低溫厭氧細菌的馴化

厭氧消化存在水解酸化和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣兩個生化階段，考慮在這兩個階段馴化、優(yōu)選出低溫厭氧細菌和低溫厭氧生物添加劑。

2.1.1 水解產(chǎn)酸階段

水解性細菌生長代謝中產(chǎn)生的一系列酶類，如蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶和脂酶，這些酶是大分子有機化合物分解的主要催化劑，活性大小決定了厭氧發(fā)酵的速度［4］。通過分離和選擇在低溫條件下能大量分泌蛋白酶、淀粉酶和脂酶的細菌進行混合培養(yǎng)，并篩選在厭氧低溫條件下能促進厭氧菌群生長代謝的細菌，如糞鏈球菌及其他一些有益細菌進行混合培養(yǎng)，這些細菌同纖維素分解菌共同組成了有益微生物菌群［3］。鏈球菌污泥顆粒（SEM）照片如圖3。

2.1.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段

圖3 鏈球菌

嗜冷產(chǎn)甲烷菌對于自然界的碳素循環(huán)具有非常重要的意義，近年來引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。利用嗜冷產(chǎn)甲烷菌實現(xiàn)低溫厭氧生物處理過程，可從本質(zhì)上突破低溫厭氧工藝的技術(shù)瓶頸，進而大大拓展厭氧生物處理技術(shù)的應(yīng)用范圍并降低廢水處理的成本。產(chǎn)甲烷菌污泥顆粒（SEM）照片如圖4。

圖4 產(chǎn)甲烷菌

實際工程中，在北方寒冷地區(qū)沼澤地采集底泥，底泥內(nèi)棲息著大量天然的低溫甲烷菌。采用培養(yǎng)甲烷菌用的BalchM培養(yǎng)基，并用丙酸鉀代替乙酸鈉和甲酸鈉，用丙酸鉀及豬糞水作底物。在溫度10 ℃條件下馴化培養(yǎng)1年，然后再以纖維素（濾紙粉末）為基質(zhì)在室溫下培養(yǎng)2個月后作菌種使用［5］。就低溫馴化菌群而言，可以解決部分不可培養(yǎng)細菌（特別是產(chǎn)甲烷菌）的問題，但馴化周期較長、微生物互生關(guān)系復(fù)雜，對不同底物及溫度變化的適應(yīng)性有限。

經(jīng)過長時間低溫條件培養(yǎng)，可以篩選出嗜冷菌群或者使普通的中溫菌群產(chǎn)生低溫適應(yīng)性。但是，這個菌群對溫度上升非常敏感，容易失去低溫下保持的平衡，并且讓嗜中溫或高溫菌群迅速占據(jù)生長優(yōu)勢，低溫適應(yīng)性也隨之減弱。因此氣溫變化從中溫轉(zhuǎn)入低溫厭氧時，額外添加冷適應(yīng)菌群加快菌群調(diào)整是十分必要的［6］。

系統(tǒng)啟動中投入嗜冷產(chǎn)甲烷菌等生物菌種后，在10 ℃，污泥負荷2kgCOD/（m3·d），厭氧濾池裝置對鐵路生活污水CODCr，TOC，SS的去除率如圖5～圖6。

圖5 CODCr去除率

圖6 TOC、SS去除率

2.2 采用厭氧附著膜與厭氧顆粒污泥組合系統(tǒng)

厭氧顆粒污泥系統(tǒng)（如UASB），使微生物天然固化，進而提高了系統(tǒng)內(nèi)微生物對污水的處理效能并增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

厭氧濾池（AF）對半速度常數(shù)低時能生長的甲烷菌有選擇性，可降低出水VFA。對顆粒污泥的沉降性能也有很好的選擇性，可以增加反應(yīng)器容納的生物量，延長SRT。

通過和其他反應(yīng)器比較可發(fā)現(xiàn)，厭氧附著膜系統(tǒng)與厭氧顆粒污泥系統(tǒng)的結(jié)合（UBF）能夠充分發(fā)揮不同反應(yīng)器的運行優(yōu)勢，有效提升單個反應(yīng)器對污水中COD等的去除效率，有助于保障低溫條件下生活污水中污染物的高效去除［7］。

2.3 改善工藝技術(shù)參數(shù)

2.3.1 水力停留時間HRT

低溫環(huán)境下，水力停留時間8h，厭氧生物濾池的CODCr去除率可以達到54%，停留時間14h，CODCr去除率可以達到63%，但當水力停留時間從14h增加到16h，去除率提高不明顯。因此，從工程經(jīng)濟性出發(fā)，合理的HRT應(yīng)控制在14h以下。

2.3.2 污泥負荷NS

系統(tǒng)運行成功的關(guān)鍵是使反應(yīng)器中微生物合成的生物量大于流失的生物量。低溫條件下污泥沉降性降低，即使加大容積負荷，提高HRT，污泥負荷也無法達到設(shè)計條件，而且投資急劇升高。因此，低溫條件下厭氧生物濾池（AF）采用的污泥負荷一般為1.5～3kgCOD/（m3·d）。

3 結(jié)語

北方寒冷地區(qū)低溫環(huán)境下僅靠調(diào)節(jié)HRT、NS等設(shè)計參數(shù)，厭氧生物濾池既不經(jīng)濟也不能達標排放。通過在系統(tǒng)中接種、投加優(yōu)選出的嗜冷厭氧細菌，在低溫條件下也可采用較低的污泥負荷，當溫度從20 ℃降低到10 ℃以下時，溫度降低所產(chǎn)生的沖擊可以考慮由嗜冷生物量的比例增大來補償，具有十分重要的工程意義。

通過優(yōu)選出嗜冷厭氧細菌及改進工程措施后，厭氧生物濾池在啟動40d后CODCr去除率就能夠穩(wěn)定在60%以上，SS去除率也能達到40%，表明在低溫條件下處理鐵路低濃度生活污水達到Ⅱ級排放標準是可行的。

［1］趙慶良，高暢，魏亮亮，等.城鎮(zhèn)生活污水的低溫厭氧生物處理技術(shù)研究與應(yīng)用進展［J］.環(huán)境保護科學(xué)，2014（5）：12-18.

［2］李香真.低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)研究［R］.成都：中國科學(xué)院成都生物研究所，1997.

［3］曾胤新，俞勇，陳波，等.低溫纖維素酶產(chǎn)生菌的篩選、鑒定、生長特性及酶學(xué)性質(zhì)［J］.高技術(shù)通訊，2005（4）：60-64.

［4］胡梅芬，李小明，曾光明，等.中低溫厭氧處理城市污水污泥顆粒化的研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005（10）.

［5］譚鐵鵬.廢水的低溫厭氧及低溫固化技術(shù)［J］.新疆環(huán)境保護，1994（6）：60-64.

［6］左劍惡，邢薇.嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007（9）：2127-2132.

［7］江瀚，王凱軍，倪文，等.厭氧生物水處理技術(shù)研究進展［J］.中國沼氣，2004（4）：18-21.