低(dī)溫廢水(shuǐ)生(shēng)物(wù)脫氮工(gōng)藝

低(dī)溫對脫氮工(gōng)藝的影響

溫度是影響細菌生(shēng)長(cháng)和代謝的重要環境條件(jiàn)。絕大多(duō)數微生(shēng)物(wù)正常生(shēng)長(cháng)溫度為(wèi)20~35℃。

溫度主要是通(tōng)過影響微生(shēng)物(wù)細胞内某些酶的活性而影響微生(shēng)物(wù)的生(shēng)長(cháng)和代謝速率，進而影響污泥産率、污染物(wù)的去除效率和速率；溫度還(hái)會(huì)影響污染物(wù)降解途徑、中間産物(wù)的形成以及各種物(wù)質在溶液中的溶解度，以及有可能(néng)影響到(dào)産氣量和成分等。

低(dī)溫減弱了微生(shēng)物(wù)體内細胞質的流動性，進而影響了物(wù)質傳輸等代謝過程，并且普遍認為(wèi)低(dī)溫将會(huì)導緻活性污泥的吸附性能(néng)和沉降性能(néng)下(xià)降，以及使微生(shēng)物(wù)群落發生(shēng)變化。低(dī)溫對微生(shēng)物(wù)活性的抑制，不同于高(gāo)溫帶來的毀滅性影響，其抑制作用通(tōng)常是可恢複的。

 1.1硝化工(gōng)藝 

生(shēng)物(wù)硝化反應可以在4~45℃的溫度範圍内進行。

氨氧化細菌（AOB）最佳生(shēng)長(cháng)溫度為(wèi)25~30℃，亞硝酸氧化細菌（NOB）的最佳生(shēng)長(cháng)溫度為(wèi)25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生(shēng)長(cháng)，而且影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化細菌最适宜的生(shēng)長(cháng)溫度為(wèi)25~30℃，當溫度小(xiǎo)于15℃時硝化速率明顯下(xià)降，硝化細菌的活性也大幅度降低(dī)，當溫度低(dī)于5℃時，硝化細菌的生(shēng)命活動幾乎停止。

大量的研究表明，硝化作用會(huì)受到(dào)溫度的嚴重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。由于冬季氣溫較低(dī)而未能(néng)實現硝化工(gōng)藝穩定運行的案例較為(wèi)常見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響，結果表明，溫度從(cóng)12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當溫度下(xià)降至6℃時，硝化菌活性很低(dī)。

随著(zhe)脫氮工(gōng)藝的不斷發展，人們對硝化工(gōng)藝提出了更高(gāo)的要求，希望将硝化作用的反應産物(wù)控制在亞硝酸鹽階段，作為(wèi)反硝化或者厭(yàn)氧氨氧化的前處理技(jì)術(shù)，可以節約曝氣能(néng)耗和添加堿量。通(tōng)過對兩類硝化細菌（AOB、NOB）的更多(duō)認識，出現了短程硝化工(gōng)藝。

該工(gōng)藝的核心是選擇性地富集AOB，先抑制再限制最後沖洗出NOB，使得AOB具有較高(gāo)的數量而淘汰NOB，從(cóng)而維持穩定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過程通(tōng)常由控制溫度、溶解氧、pH來實現。溫度控制短程硝化的基礎在于兩類硝化細菌對溫度的敏感性不同，25℃以上(shàng)時，AOB的最大比生(shēng)長(cháng)速率大于NOB的最大比生(shēng)長(cháng)速率。

據此提出了世界上(shàng)第一(yī)個(gè)工(gōng)業(yè)化應用的短程硝化工(gōng)藝——SHARON工(gōng)藝（溫度設置為(wèi)30~40℃〔1〕）。因此，在低(dī)溫下(xià)實現短程硝化頗具挑戰。

 1.2反硝化工(gōng)藝 

低(dī)溫對于反硝化有顯著的抑制作用，研究太湖(hú)沉積物(wù)中的反硝化作用，經過數月(yuè)的實驗分析發現反硝化速率呈現季節性變化。考察了低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)（3~20℃）反硝化工(gōng)藝的運行性能(néng)，研究表明在3℃下(xià)反應器(qì)的反硝化速率僅為(wèi)15℃下(xià)的55%。

相(xiàng)對于傳統的缺氧反硝化，溫度對好氧反硝化的脫氮效率影響不顯著，篩選出的一(yī)株好氧反硝化菌，在25~35℃下(xià)都能(néng)達到(dào)大于78%的脫氮效率。

 1.3厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝 

有學者的研究表明，能(néng)夠進行厭(yàn)氧氨氧化反應的溫度範圍為(wèi)6~43℃，最佳溫度為(wèi)28~40℃。在廢水(shuǐ)生(shēng)物(wù)處理中，活化能(néng)的取值範圍通(tōng)常為(wèi)8.37~83.68kJ/mol，而厭(yàn)氧氨氧化的活化能(néng)為(wèi)70kJ/mol。

因此，厭(yàn)氧氨氧化屬于對溫度變化比較敏感的反應類型，溫度的降低(dī)對其抑制作用明顯。

低(dī)溫對厭(yàn)氧氨氧化的影響很大，受低(dī)溫抑制後需要較長(cháng)時間才能(néng)恢複。厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝的運行溫度從(cóng)18℃降至15℃時，亞硝酸鹽不能(néng)被完全去除，導緻亞硝酸鹽的積累，對厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝有著(zhe)顯著的抑制效果，從(cóng)而引起連鎖效應，使得厭(yàn)氧氨氧化菌失活〔6,25〕。

在研究溫度對厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝的長(cháng)期影響時，将試驗溫度由30℃調至15℃，隻有氮容積負荷（NLR）從(cóng)0.3kg/（m3•d）大幅降低(dī)至0.04kg/（m3•d）才能(néng)保證出水(shuǐ)水(shuǐ)質。甚至經30d的馴化仍未見(jiàn)好轉，将試驗溫度調回至30℃運行75d後，污泥活性僅為(wèi)0.02g/（g•d），處于較低(dī)水(shuǐ)平。

脫氮工(gōng)藝低(dī)溫運行改進

 2.1菌種流加 

菌種流加來源于發酵工(gōng)藝的菌種擴大培養技(jì)術(shù)。菌種擴大培養技(jì)術(shù)是發酵工(gōng)業(yè)中廣泛采用的一(yī)種菌種應用技(jì)術(shù)，在批次發酵中，一(yī)般通(tōng)過“試管→三角瓶→種子罐→發酵罐”的多(duō)級擴增，使菌量滿足生(shēng)産需要。

在廢水(shuǐ)脫氮工(gōng)藝中，除裝置内菌種自(zì)身增殖外，流加菌種有利于加快菌體積累。廢水(shuǐ)水(shuǐ)質複雜(zá)，毒性物(wù)質、基質、pH、溫度等因素的不穩定，都會(huì)對功能(néng)菌造成抑制。在受抑制條件(jiàn)下(xià)，微生(shēng)物(wù)難以生(shēng)長(cháng)。因此菌種流加的優勢得以體現。

采用菌種流加式厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝處理制藥廢水(shuǐ)，廢水(shuǐ)中NH4+-N和NO2--N的質量濃度分别為(wèi)120~200mg/L和160~240mg/L，菌種流加速率為(wèi)0.028g/（L•L•d），容積氮去除負荷（NRR）由0.1kg/（m3•d）提高(gāo)至7.9kg/（m3•d）。

并且認為(wèi)流加菌種不僅增加了反應器(qì)内的污泥濃度和厭(yàn)氧氨氧化菌所占比例，可能(néng)還(hái)帶入了一(yī)些未知的生(shēng)長(cháng)因子，才能(néng)在如此低(dī)的流加速率下(xià)，實現厭(yàn)氧氨氧化的高(gāo)效運行。

菌種流加有望成為(wèi)低(dī)溫下(xià)運行生(shēng)物(wù)反應器(qì)的一(yī)種有效對策。研究表明在低(dī)溫期間為(wèi)保證正常的硝化速率，需要增大反應器(qì)的容積。通(tōng)過向活性污泥系統投加硝化菌的方法可有效解決低(dī)溫時期需要延長(cháng)泥齡和加大反應器(qì)容積的問題。

菌種流加的操作靈活，不需要長(cháng)期的适應調整時間，是一(yī)種應對低(dī)溫沖擊的快速有效方法，但是不能(néng)從(cóng)根本上(shàng)解決低(dī)溫下(xià)反應器(qì)運行效率低(dī)的問題，僅是增加反應器(qì)内功能(néng)菌的數量及其在混合污泥的比例，緩解低(dī)溫對生(shēng)物(wù)處理的影響，在反應器(qì)容積有限時不适合長(cháng)期采用。

 2.2接種耐冷菌 

接種物(wù)對于低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)厭(yàn)氧反應器(qì)啓動運行具有重要的意義。耐冷菌能(néng)夠耐受溫度波動，比較适合低(dī)溫廢水(shuǐ)的處理。

如反硝化耐冷菌——熒光(guāng)假單胞菌能(néng)夠在低(dī)于10℃的條件(jiàn)下(xià)降解苯二甲酸，也有耐冷菌能(néng)在低(dī)溫下(xià)降解甲苯、氯酚等難降解有機(jī)物(wù)。

目前的研究重點關注了接種耐冷菌在低(dī)溫産甲烷系統中的意義，為(wèi)确保寒冷地區污水(shuǐ)生(shēng)物(wù)處理系統的有效運行，接種耐冷微生(shēng)物(wù)，用于生(shēng)活污水(shuǐ)的處理，在6~10℃下(xià)，成功地去除污水(shuǐ)中86.7%的COD。

嗜冷産甲烷菌及其在廢水(shuǐ)厭(yàn)氧處理中的應用，從(cóng)分離培養及生(shēng)理生(shēng)化特性、适冷機(jī)制和分子生(shēng)物(wù)學研究等方面，對嗜冷産甲烷菌的研究進展進行了全面的綜述，并指出接種物(wù)對于低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)厭(yàn)氧反應器(qì)的啓動很重要。

氨氧化古菌（AOA）是一(yī)類能(néng)夠在低(dī)溫下(xià)保持活性的古細菌。如果能(néng)将AOA應用到(dào)低(dī)溫廢水(shuǐ)的生(shēng)物(wù)處理中，将會(huì)推動生(shēng)物(wù)脫氮工(gōng)藝的發展。這可以作為(wèi)今後研究的一(yī)個(gè)重要方向。

 2.3生(shēng)物(wù)固定化 

經固定化處理後，微生(shēng)物(wù)的抗逆性能(néng)提高(gāo)，能(néng)耐受外界環境的變化，從(cóng)而保持了較高(gāo)的活性。此外，微生(shēng)物(wù)經包埋固定後持留能(néng)力得以增強，可望實現反應器(qì)的快速啓動和高(gāo)效穩定運行。

通(tōng)過固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。研究了固定化硝化菌在不同溫度下(xià)對氨氮的去除效能(néng)，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養的含耐冷菌的硝化污泥，用于處理常溫和低(dī)溫生(shēng)活污水(shuǐ)。

結果表明，經過固定化處理的硝化菌群即使在低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)，也表現出了較高(gāo)的硝化效率（＞80%）。也有學者開(kāi)展了固定化反硝化細菌脫氮的研究，結果表明，經過固定化處理，提高(gāo)了反硝化細菌對溫度的适應性，固定化反硝化細菌對高(gāo)濃度的铵離子和低(dī)溫的耐受性增加。

在低(dī)溫厭(yàn)氧氨氧化的研究中通(tōng)過接種固定化微生(shēng)物(wù)和厭(yàn)氧顆粒污泥處理低(dī)含氮廢水(shuǐ)，在20℃下(xià)成功啓動厭(yàn)氧氨氧化，NRR達到(dào)了16.22g/（m3•d），總氮去除率為(wèi)92%。L.M.Quan等〔38〕以聚乙烯醇（PVA）凝膠和1%的藻酸作為(wèi)厭(yàn)氧氨氧化菌的包埋材料，在（25±0.5）℃時，厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝的NRR達到(dào)了8.0kg/（m3•d）。

固定化是一(yī)種有效的技(jì)術(shù)手段，然而也會(huì)使微生(shēng)物(wù)活性有所降低(dī)，且固定化後，傳質阻力會(huì)增大，氧的傳質阻礙尤為(wèi)明顯，固定化更能(néng)在厭(yàn)氧條件(jiàn)下(xià)發揮其優勢。此外，其成本也有待技(jì)術(shù)經濟評估。

 2.4馴化 

馴化就(jiù)是人為(wèi)的在某一(yī)特定環境條件(jiàn)長(cháng)期處理某一(yī)微生(shēng)物(wù)群體，同時不斷将它們進行移種傳代，以達到(dào)累積和選擇合适的自(zì)發突變體的一(yī)種古老育種方法。

微生(shēng)物(wù)的馴化是脫氮工(gōng)藝運用到(dào)低(dī)溫環境中的重要措施，使微生(shēng)物(wù)體内的酶和細胞膜的脂類組成能(néng)夠适應低(dī)溫環境，并能(néng)在低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)發揮作用。大量研究表明，通(tōng)過适當的馴化策略，經曆一(yī)定的馴化時間，低(dī)溫脫氮工(gōng)藝可以實現穩定運行。

如果将AOB的運行溫度從(cóng)30℃直接降至5℃，會(huì)導緻其失活。逐步降低(dī)運行溫度，AOB可調整細胞膜中的脂肪酸類型使其在低(dī)溫條件(jiàn)下(xià)不易凍結。後來一(yī)些研究得到(dào)了與此相(xiàng)悖的結論。因此有學者開(kāi)始探索低(dī)溫的馴化策略。

2.4.1逐步馴化

逐步馴化即逐步較緩慢(màn)地将工(gōng)藝溫度由适宜溫度降至目标溫度。在馴化微生(shēng)物(wù)适應當前溫度下(xià)再将其溫度降低(dī)，進一(yī)步馴化。

尚會(huì)來等采用馴化方式，逐步降低(dī)溫度，每降1℃就(jiù)穩定一(yī)個(gè)多(duō)月(yuè)，半年(nián)後不刻意控制溫度，經曆了冬季10℃的低(dī)溫，成功地穩定了常溫、低(dī)溫短程硝化反硝化，亞硝化率始終維持在78.8%以上(shàng)。

通(tōng)過該方法在18℃成功啓動并穩定運行厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝，但将溫度降至15℃時，工(gōng)藝系統失穩；并認為(wèi)優化的操作步驟應為(wèi)：先在厭(yàn)氧氨氧化最适溫度下(xià)，積累足夠的厭(yàn)氧氨氧化生(shēng)物(wù)量，然後再緩慢(màn)馴化微生(shēng)物(wù)适應低(dī)溫條件(jiàn)。

2.4.2直接馴化

直接馴化就(jiù)是将反應系統直接置于目标溫度下(xià)進行馴化。

研究了在适度的低(dī)溫（20~22℃）下(xià)，厭(yàn)氧生(shēng)物(wù)濾池中利用厭(yàn)氧氨氧化實現高(gāo)效的脫氮。通(tōng)過直接将接種污泥置于20~22℃的環境下(xià)培養，在經過446d後，NLR達到(dào)8.1kg/（m3•d）。還(hái)在6℃檢測到(dào)了微生(shēng)物(wù)厭(yàn)氧氨氧化活性。NLR由22℃時的2.8kg/（m3•d）降至6℃的0.36kg/（m3•d）。

對比了兩種馴化策略下(xià)厭(yàn)氧氨氧化工(gōng)藝的啓動時間，接種以短程硝化-厭(yàn)氧氨氧化協同作用為(wèi)優勢反應的厭(yàn)氧序批生(shēng)物(wù)膜反應器(qì)中的生(shēng)物(wù)膜（溫度為(wèi)31℃），置于16℃的生(shēng)化培養箱中馴化，最快56d成功啓動了低(dī)溫厭(yàn)氧氨氧化；接種與前者相(xiàng)同的生(shēng)物(wù)膜，首先置于31℃的生(shēng)化培養箱中，然後以每12d降低(dī)3℃的速度為(wèi)梯度逐步降溫至16℃，最慢(màn)70d馴化結束，其馴化結束的标志(zhì)是在16℃的環境溫度下(xià)氨氮的去除效率在1周左右維持穩定。

以往的研究表明，微生(shēng)物(wù)對溫度的逐步降低(dī)較為(wèi)适應，如若溫度突然降低(dī)，則易引起系統的失穩；但較近的研究表明，直接将溫度降至目标溫度，馴化的時間可能(néng)會(huì)更短一(yī)些。對此尚需系統的研究來論證，試驗現象背後的機(jī)理仍有待揭示。