低溫廢水生物脫氮工藝

溫度是（shì）影響細（xì）菌生（shēng）長和代謝的重要環境條件。絕大多數微生物正（zhèng）常生長溫度為20~35℃。

溫度主（zhǔ）要是通過影響微生物細胞內某些酶的活（huó）性而影響（xiǎng）微生物的生長和代謝速率，進而影響汙泥產率、汙染物的（de）去除（chú）效率和速率；溫度還會影響汙染物降解（jiě）途徑、中間（jiān）產物的形成以及（jí）各種物質在溶液中的溶解度，以及有可能（néng）影響到產（chǎn）氣量和成（chéng）分等。

低溫減弱（ruò）了微生物體內細胞質的流動性，進而影（yǐng）響了物質（zhì）傳輸等代謝過程，並且普遍認為低溫將會導致活性汙（wū）泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落發生（shēng）變化。低（dī）溫（wēn）對微生物活性的抑製（zhì），不同於高溫帶（dài）來（lái）的（de）毀滅性（xìng）影（yǐng）響，其抑製（zhì）作用通常是可恢複的。

 1.1硝化工藝（yì） 

生物硝化反（fǎn）應可以在4~45℃的溫度範圍內進行。

氨氧化細菌（AOB）最佳（jiā）生長溫度為25~30℃，亞（yà）硝酸氧化細菌（NOB）的最佳（jiā）生長溫度為25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生長（zhǎng），而且影響硝化菌的活（huó）性。有研究表（biǎo）明，硝化細（xì）菌最適（shì）宜的生長溫度為25~30℃，當溫度小於15℃時（shí）硝化速率明顯下降，硝化細菌（jun1）的活性也大幅度（dù）降低，當溫（wēn）度低（dī）於（yú）5℃時，硝化細（xì）菌的生（shēng）命活動幾乎（hū）停止。

大（dà）量的研究表明，硝化作用會受到溫度的嚴重影（yǐng）響，尤其是溫度衝擊的影響更加明顯。由於冬季氣溫較低（dī）而未能實現硝化工藝穩定運行的案例較為常見（jiàn）。U.Sudarno等考察了（le）溫度變化對硝化作用的影響，結果表明，溫度從12.5℃升（shēng）至40℃，氨氧化速率增加，但當溫度下降至6℃時，硝化菌活性（xìng）很低。

隨著脫氮工藝（yì）的不斷發展，人們對硝化工藝提出了更高（gāo）的要求，希望將（jiāng）硝化作（zuò）用的反應產物控製在亞硝酸鹽階段，作為反硝化或（huò）者厭氧氨氧化的前處理技術（shù），可以節約曝氣能耗和（hé）添加堿量。通過（guò）對兩類硝化細菌（AOB、NOB）的更多認識（shí），出現了短程硝化工藝。

該工藝的核（hé）心是選擇性地富集AOB，先抑製再限製最後衝洗出NOB，使（shǐ）得（dé）AOB具有（yǒu）較（jiào）高的（de）數量（liàng）而淘汰NOB，從而維持穩定的亞硝酸鹽積累。短程（chéng）硝化（huà）過程通（tōng）常由控製溫度、溶解氧、pH來實現（xiàn）。溫度控製（zhì）短程硝化的基礎在於兩類（lèi）硝化細菌對溫度的敏感性不同，25℃以上時，AOB的最大比生長速率大（dà）於NOB的最大（dà）比生長速率。

據此提出了世界上第一個工業化應用的（de）短程硝化（huà）工藝（yì）——SHARON工藝（溫度設（shè）置為（wéi）30~40℃〔1〕）。因此，在低溫（wēn）下實現短程硝化頗具挑戰。

 1.2反硝化工藝 

低溫對於反硝化有顯著的抑製作用，研究太湖沉積物中（zhōng）的反硝化作（zuò）用，經過數月的實驗分析發現反硝化速率呈現季節性變化。考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化（huà）工藝的（de）運行性能（néng），研究表明在（zài）3℃下反應器的反（fǎn）硝（xiāo）化速率僅為15℃下（xià）的55%。

相對於傳統的缺氧反硝化，溫度（dù）對好（hǎo）氧（yǎng）反硝化的脫氮效率影響不顯著，篩選出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能達到（dào）大於（yú）78%的脫（tuō）氮效率。

 1.3厭氧（yǎng）氨氧化工藝 

有學（xué）者的（de）研究表（biǎo）明，能夠進（jìn）行厭氧（yǎng）氨（ān）氧（yǎng）化反應的溫度範圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中，活化能的取（qǔ）值範圍通常為8.37~83.68kJ/mol，而厭氧氨氧化的活化能為70kJ/mol。

因此，厭（yàn）氧氨氧（yǎng）化（huà）屬於對溫度變化比較敏感的反應類型，溫度的降低對其抑製作用明顯（xiǎn）。

低溫對厭氧氨氧化的影響很大，受低溫抑製後需要較長時間才能恢複。厭氧氨氧化工藝的（de）運行溫度（dù）從18℃降至15℃時，亞硝酸鹽不能被完全（quán）去除，導致亞硝酸鹽的積累，對厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑製效果，從而引（yǐn）起連（lián）鎖效應，使得厭氧氨氧化（huà）菌失活〔6,25〕。

在研究（jiū）溫度（dù）對厭（yàn）氧氨氧化工藝的長期影響時（shí），將（jiāng）試驗溫度由30℃調至15℃，隻有氮容積負荷（NLR）從0.3kg/（m3•d）大幅（fú）降低至0.04kg/（m3•d）才能保證出水水質。甚至經30d的馴化仍未見好轉，將試驗溫度調回至30℃運行75d後，汙泥活性僅為0.02g/（g•d），處於（yú）較低水平。

 2.1菌（jun1）種流（liú）加 

菌種流加來源於發酵工藝的菌種擴大培養技術。菌種擴（kuò）大（dà）培（péi）養（yǎng）技術是發酵工業中廣泛采用的一種菌種應用技（jì）術，在批次發酵中，一般通過（guò）“試管→三角瓶→種子（zǐ）罐→發酵罐”的多級（jí）擴（kuò）增（zēng），使菌量滿足生產需要。

在廢水脫氮工藝中，除裝置內菌種自身（shēn）增殖外，流加菌種有利於加快菌體積累。廢水水質複雜，毒性物質、基質、pH、溫（wēn）度等因（yīn）素的不穩定，都會（huì）對功能菌造成抑製。在受抑製條件（jiàn）下，微生物難以生長。因（yīn）此菌種流加的優勢得以（yǐ）體現。

采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理製藥廢（fèi）水，廢水中NH4+-N和NO2--N的（de）質量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L，菌種流加速率為0.028g/（L•L•d），容積氮去除（chú）負荷（NRR）由0.1kg/（m3•d）提高至（zhì）7.9kg/（m3•d）。

並且認為流加菌種不僅增加了反應器內的汙（wū）泥濃（nóng）度和（hé）厭氧氨氧化菌所占比例，可能還帶入了一些未知的生（shēng）長因子，才能在如此（cǐ）低的流加速率下，實現厭氧氨氧化的高效運行。

菌種流加有（yǒu）望成為低溫下（xià）運行生（shēng）物反應器的一種有效對策（cè）。研究表明在低溫（wēn）期間為保證正常的硝化速率，需要增（zēng）大反應器的（de）容（róng）積。通過向活性汙泥係統投加硝化菌的方法可有效解決低溫時期需要延長（zhǎng）泥齡和加大反應器容積的問（wèn）題。

菌種流（liú）加的操作（zuò）靈活，不需要長期的適應調整時間，是一種應對低（dī）溫衝擊的快速有效方法（fǎ），但是不能從根本上解決低溫下反應器運行效率低的問題，僅是增加反應（yīng）器內功能菌的數量及其在混合汙泥的比例，緩解低溫對生物處理的影響（xiǎng），在反應器容積有限時不適合長期采用。

 2.2接種耐冷菌 

接（jiē）種（zhǒng）物對於低溫條件下厭氧反應器啟動運（yùn）行具有重（chóng）要的意（yì）義。耐冷（lěng）菌能夠耐受溫度波動，比較（jiào）適合低溫廢水的處理（lǐ）。

如反硝化（huà）耐冷菌（jun1）——熒光假單胞菌（jun1）能（néng）夠在低於10℃的條件下降解苯（běn）二（èr）甲酸，也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難降解有機物。

目前的研究重點關注了接種耐冷菌在（zài）低溫產甲烷係統中的意義（yì），為確保寒冷地（dì）區（qū）汙水生物處理係統的有效運行，接種耐冷微生物，用（yòng）於生活汙水（shuǐ）的處理，在6~10℃下，成功地去除汙水中86.7%的（de）COD。

嗜冷產甲烷菌及其（qí）在廢水厭氧處理（lǐ）中（zhōng）的應用，從分離培養及生理生化特性、適冷機製和分子生（shēng）物學研究等方麵，對嗜冷產甲烷菌的研究進展進行（háng）了全（quán）麵的綜述（shù），並指出接種（zhǒng）物對於低溫條件下厭氧反應器的啟動很重要。

氨氧化古菌（AOA）是一類能夠在低溫下保持活性的（de）古細菌。如果能將AOA應用到低（dī）溫廢水的生物處理中，將會推動生物脫氮工藝的發展。這可以作為今後（hòu）研究（jiū）的一個重要方向。

 2.3生物固定化 

經固定化處理後，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界環境的變化，從而保持了較（jiào）高的活性。此外，微生物經包埋固定後持留能力得以增強，可望實現反應器的快速啟動和高效穩定運行。

通過固定（dìng）化可以削弱（ruò）溫度變（biàn）化對硝化作用的影（yǐng）響。研究了固定化硝化菌在不同溫度下對氨氮的去（qù）除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養的（de）含耐冷菌（jun1）的硝化汙泥，用於處理常溫和低溫生（shēng）活汙水。

結果表明，經過固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下，也表現出了較高的硝化效率（＞80%）。也有（yǒu）學（xué）者（zhě）開展了固定（dìng）化反硝化細菌脫氮的研究，結（jié）果（guǒ）表明，經過（guò）固定化處（chù）理，提高了反硝化細菌對溫（wēn）度的適（shì）應性，固定化反硝化細（xì）菌對高（gāo）濃度（dù）的銨離子和（hé）低（dī）溫的耐受性增加（jiā）。

在低溫厭氧（yǎng）氨氧化的研究中通過接種固定化微生物和厭氧顆粒（lì）汙泥處理低含氮廢水（shuǐ），在20℃下成功（gōng）啟動厭氧氨（ān）氧化，NRR達到了16.22g/（m3•d），總氮去除率為92%。L.M.Quan等〔38〕以聚乙烯（xī）醇（PVA）凝膠和1%的藻酸作為厭氧氨氧（yǎng）化菌的包埋材（cái）料，在（25±0.5）℃時，厭（yàn）氧氨氧（yǎng）化工藝的NRR達到（dào）了8.0kg/（m3•d）。

固定化是一種有效的技術（shù）手段，然而也會使微生物活性有所（suǒ）降低（dī），且固定化後（hòu），傳質阻力（lì）會增（zēng）大，氧的傳質阻礙尤為（wéi）明顯，固定化更能在厭氧條件下發揮其優勢。此外，其成本也有待技術經濟評估。

 2.4馴化 

馴化就（jiù）是人為的在某（mǒu）一特（tè）定（dìng）環（huán）境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將（jiāng）它（tā）們進行移種傳代，以達（dá）到累積和選擇合適的（de）自（zì）發突（tū）變體的一種古老育種方（fāng）法（fǎ）。

微生物的馴化（huà）是脫氮工（gōng）藝運（yùn）用到低溫環境中（zhōng）的重要措施，使微生（shēng）物體內的酶（méi）和細胞膜的脂（zhī）類組成能夠適應低溫環境，並能在低溫條（tiáo）件下發揮作用。大量研究表明（míng），通過適當的馴（xùn）化策（cè）略（luè），經曆一定的馴化時間，低溫脫氮工藝可以實現穩定運（yùn）行。

如果將AOB的運行溫度從30℃直接降至（zhì）5℃，會導致其失活。逐步（bù）降低運行溫度，AOB可調整細胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件（jiàn）下不易凍結。後（hòu）來一些研究得到（dào）了與此相（xiàng）悖的結論。因此有學者（zhě）開始探索低溫的馴化策略。

2.4.1逐（zhú）步馴（xùn）化

逐步馴化即逐（zhú）步較緩慢地將工藝溫度（dù）由適宜溫（wēn）度降至目（mù）標溫度。在（zài）馴化微生物適應當前溫度（dù）下再將（jiāng）其溫度降低（dī），進（jìn）一步馴化。

尚會（huì）來等采用馴化方式，逐步降（jiàng）低溫度，每降（jiàng）1℃就穩定一個多月（yuè），半年後（hòu）不刻意控製溫度，經曆（lì）了冬季10℃的低溫，成功地穩定了常（cháng）溫、低溫（wēn）短程硝化反硝化（huà），亞硝化率始終維持在78.8%以上。

通過該方法在18℃成功啟動並穩定（dìng）運（yùn）行厭氧氨氧（yǎng）化工藝，但將溫度降至15℃時，工藝係統（tǒng）失穩；並認為優化的操作步驟應為：先在厭氧氨氧化最適溫度下，積累足夠的厭氧氨氧化生物量，然後（hòu）再緩慢馴化微生物適應低溫條件。

2.4.2直接馴化

直（zhí）接馴化就是將反應係統直接置於目標溫度下進行馴化。

研究了在適度的低溫（20~22℃）下，厭氧（yǎng）生物濾池中（zhōng）利用厭氧氨氧化實現高效的脫氮。通過直接將接種汙泥置於20~22℃的環境（jìng）下培養，在經過446d後，NLR達到（dào）8.1kg/（m3•d）。還在6℃檢（jiǎn）測到了（le）微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時的2.8kg/（m3•d）降至6℃的0.36kg/（m3•d）。

對比（bǐ）了兩種馴化策略下厭氧氨氧（yǎng）化工藝的啟動時間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協同作用為優勢反應的厭氧序批生物膜反應器中的生物膜（溫度為31℃），置於16℃的生化（huà）培養箱中馴化，最快56d成功（gōng）啟動了低溫厭（yàn）氧氨（ān）氧化；接種與前者相同的生物膜，首先置於31℃的生化培養箱中，然後以每12d降低3℃的速度（dù）為梯度逐步降（jiàng）溫至16℃，最慢70d馴化結束（shù），其馴化結束的標誌是在16℃的（de）環境（jìng）溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩定。

以（yǐ）往的研究表明，微（wēi）生物對溫度的（de）逐步降低較（jiào）為適應，如若溫度突（tū）然降低，則易（yì）引起係統的失穩；但較近的研究（jiū）表明，直接將溫度降至目標溫度，馴化的時間可能會更短一些（xiē）。對此尚需係統的研（yán）究來論證，試驗現象背後的機理仍有待揭示。