低溫廢水生物脫氮工藝

溫度是（shì）影響細菌生長（zhǎng）和代謝的重要環境條件。絕（jué）大多數（shù）微生物正常生長溫度為20~35℃。

溫度主要是（shì）通過影響微生物細胞（bāo）內某些酶的活性而影響微生物的生長（zhǎng）和代（dài）謝速率，進而影響汙泥產率、汙染物的（de）去除效率和速率；溫度還會影響汙染（rǎn）物降解途徑、中間產物的形成以及各種物質在溶液中（zhōng）的（de）溶解度，以及有可能影（yǐng）響到（dào）產氣量和成分等。

低（dī）溫減弱了微（wēi）生物體內細胞質的流動性，進而影響了物質傳輸等（děng）代謝過程，並且普（pǔ）遍認為低溫（wēn）將會導致活性汙（wū）泥的吸附性能和沉降性能下（xià）降，以及使微生物群落發生變化。低溫對微生物（wù）活性的抑製，不同於（yú）高溫帶（dài）來的毀滅性影響，其抑製作用通常是可恢複的（de）。

 1.1硝化工藝 

生（shēng）物硝化反應可以在4~45℃的溫度範圍內進（jìn）行。

氨氧化細菌（AOB）最佳生長（zhǎng）溫度為25~30℃，亞硝（xiāo）酸氧化細（xì）菌（NOB）的最佳生長（zhǎng）溫度為（wéi）25~30℃。溫度不但影響硝（xiāo）化菌的生長，而且（qiě）影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化（huà）細菌最適宜的生長溫（wēn）度為（wéi）25~30℃，當溫度小於15℃時硝化速率明顯下降，硝化細菌的活性也大幅度降（jiàng）低，當溫度低於5℃時，硝化細（xì）菌的（de）生命（mìng）活動幾乎（hū）停（tíng）止。

大量的研究表明，硝化作用會受到溫度的嚴（yán）重影響，尤其是溫度（dù）衝擊的（de）影響更加明（míng）顯。由於冬（dōng）季氣溫較（jiào）低而未（wèi）能實現硝化工藝穩定運行的案例較為常見。U.Sudarno等考（kǎo）察了溫（wēn）度變化對硝化（huà）作用的影響，結果表明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當溫度（dù）下降至6℃時，硝化（huà）菌活性很（hěn）低。

隨著脫氮工藝的不斷發（fā）展，人們對硝（xiāo）化工藝提出（chū）了更高的要求，希望將硝化作用的反應產物控製在亞（yà）硝酸鹽階段，作為反硝化或者厭氧氨氧化的（de）前處理技術，可以（yǐ）節約（yuē）曝氣能（néng）耗和添加堿量（liàng）。通過對兩類硝化細菌（jun1）（AOB、NOB）的更多認識，出現（xiàn）了短程硝化工藝。

該工（gōng）藝（yì）的核心是（shì）選擇性（xìng）地富集AOB，先抑製（zhì）再限製最後衝洗（xǐ）出NOB，使得（dé）AOB具有（yǒu）較高的數量而淘汰（tài）NOB，從而維持穩定（dìng）的亞硝酸鹽積累。短程硝化過程通（tōng）常由控製溫度、溶解氧、pH來實現。溫度控製短程硝化的基礎在於（yú）兩類硝化細菌對溫度的敏感性不同，25℃以上時，AOB的最（zuì）大比生長（zhǎng）速率大（dà）於NOB的最大比生長速率。

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

 1.2反硝化工藝 

低溫對於反硝化（huà）有顯著的抑（yì）製作用，研究太湖沉（chén）積物中（zhōng）的反硝化作用，經過數月的實驗分析發現反硝化速率（lǜ）呈現季節（jiē）性變化。考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化（huà）工藝（yì）的運行性能，研究表明在3℃下反應器的（de）反硝化速率僅為15℃下的55%。

相對於傳統的缺氧反硝（xiāo）化，溫度對好氧反硝化的脫氮效率影（yǐng）響不顯著，篩（shāi）選出的一（yī）株好氧反硝化菌，在25~35℃下都（dōu）能達到大於78%的脫氮效率。

 1.3厭氧氨氧化工藝 

有學（xué）者的研究表明，能夠進（jìn）行厭氧氨氧化（huà）反應的溫度（dù）範圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中（zhōng），活化能的取值範圍通常為（wéi）8.37~83.68kJ/mol，而厭氧氨（ān）氧（yǎng）化（huà）的活化（huà）能為70kJ/mol。

因此，厭（yàn）氧氨（ān）氧化屬於對溫度變化比較敏感的反應類型（xíng），溫度的降低對其抑製（zhì）作用（yòng）明顯。

低溫對（duì）厭氧氨氧化（huà）的影響很大，受低溫抑製後需要較長時間才能恢複。厭氧氨氧化工藝的運行溫度從18℃降至15℃時，亞硝酸鹽不能被完全去除，導致亞（yà）硝酸鹽的積累，對厭氧氨氧化工藝有著顯著（zhe）的抑製效果，從而引起（qǐ）連鎖效應（yīng），使得厭氧氨氧化菌失活〔6,25〕。

在研究溫度對（duì）厭氧氨氧化工藝的長期影響時，將試驗溫度由（yóu）30℃調至15℃，隻有氮容積負荷（NLR）從（cóng）0.3kg/（m3•d）大（dà）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（shì）驗溫（wēn）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。菌種擴大培養技術是發（fā）酵工（gōng）業中廣泛采用的一種菌種應用技術，在批（pī）次發酵中，一般通過“試管→三（sān）角瓶→種子罐→發酵罐”的多級擴增，使菌量滿足生（shēng）產需要。

在（zài）廢水脫氮工藝中，除（chú）裝置（zhì）內菌種自身增殖外（wài），流加菌種有利於加快菌體積（jī）累。廢水（shuǐ）水質（zhì）複雜，毒性物質、基質、pH、溫度等因素（sù）的不穩定（dìng），都會對功能菌造成抑（yì）製。在受抑製條件下，微生物難（nán）以生長。因（yīn）此菌種（zhǒng）流加的優勢得以體現。

采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝處理製藥廢水，廢水中NH4+-N和NO2--N的質量（liàng）濃度分別為120~200mg/L和（hé）160~240mg/L，菌（jun1）種流加速率為0.028g/（L•L•d），容積氮去除負荷（NRR）由（yóu）0.1kg/（m3•d）提高至7.9kg/（m3•d）。

並（bìng）且認為流加菌種不僅增加了反應（yīng）器（qì）內的汙泥濃度（dù）和厭（yàn）氧氨氧化菌（jun1）所占比例，可能還帶（dài）入了一些（xiē）未知的生（shēng）長（zhǎng）因子（zǐ），才能在如此低的流加速率下，實（shí）現厭氧氨氧化的高效運（yùn）行。

菌種流加（jiā）有望成為低溫下（xià）運行生物反應器的一種有效對策。研究表明（míng）在低溫期間為保證正常的硝化（huà）速率（lǜ），需要增大反應器的容積。通過向活性汙泥係統（tǒng）投加硝（xiāo）化菌的方法可有效解決（jué）低溫時期（qī）需要延長泥齡和加大反應器容（róng）積的問題。

菌種流（liú）加（jiā）的操作靈活，不需要長期的適應調整時間，是一種應（yīng）對低溫衝擊的快速有效（xiào）方法，但是不能從（cóng）根本（běn）上解決低溫下反應器運行效率低的問題，僅是增加反應器內功能菌的數量及其（qí）在混合汙泥的比例，緩解低溫對生物處理的（de）影響，在反應（yīng）器容（róng）積有限時不適合長（zhǎng）期（qī）采用。

 2.2接種耐冷菌 

接種物對於低溫條件下厭氧反應器啟動運行具有重要的意義。耐冷菌（jun1）能夠（gòu）耐受溫度波動，比較適合低溫廢水的處理。

如反硝化耐冷菌——熒光假單胞菌能夠（gòu）在低於10℃的條件下降解苯二甲酸，也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難（nán）降解（jiě）有機物。

目前的研（yán）究重點關注（zhù）了接種耐（nài）冷菌在低溫產甲（jiǎ）烷係統中的（de）意義，為確（què）保寒冷地區汙水（shuǐ）生（shēng）物處理係統（tǒng）的有效運行，接種耐（nài）冷微生物，用（yòng）於生活汙水的處理，在6~10℃下，成功地去除汙水（shuǐ）中86.7%的COD。

嗜冷產甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應用，從分離培養及生理生化特性、適冷機製和分（fèn）子生物學研究等方麵（miàn），對（duì）嗜冷產甲烷菌的研（yán）究進展進行了全麵（miàn）的綜述，並指出接種物對於（yú）低（dī）溫條件下厭氧反應器的啟動（dòng）很重要。

氨氧化古菌（AOA）是一類能夠在低溫下保（bǎo）持活（huó）性的古細菌。如果能將（jiāng）AOA應用到低溫（wēn）廢水的生物處理中，將會推動生物脫氮（dàn）工藝的發（fā）展（zhǎn）。這可以作為今後研究的一（yī）個（gè）重要方向。

 2.3生物固定化 

經固定化處理（lǐ）後（hòu），微生物的抗逆性能提高，能耐受（shòu）外界環境的（de）變化，從而（ér）保持了較高的活性。此外，微生物經包埋固定後持留能力得（dé）以增強，可望實現反應器的快速啟動和高效穩定運（yùn）行。

通過（guò）固定化可以削弱溫度（dù）變化對硝（xiāo）化作用（yòng）的影響。研究了固定化硝化菌在不同溫度下對氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包（bāo）埋（mái）法固定（dìng）常溫富集（jí）培養的（de）含耐冷菌的硝化汙（wū）泥，用於處理常溫（wēn）和低溫生活（huó）汙水。

結果（guǒ）表明，經過固定化處理的硝化菌群（qún）即使在低（dī）溫（wēn）條（tiáo）件下，也表（biǎo）現出了（le）較高的硝化效率（＞80%）。也有學者開展了固定化反硝化細菌脫氮的（de）研（yán）究，結果表明，經過（guò）固定化處（chù）理，提（tí）高了反硝化細菌對溫度的適應性，固定化反硝（xiāo）化細（xì）菌對高濃度的（de）銨離子和低（dī）溫的耐受性（xìng）增（zēng）加。

在低溫厭氧氨（ān）氧化的研究中通過（guò）接種固定化微生物和厭氧（yǎng）顆粒汙泥處理低含氮（dàn）廢水，在20℃下成功啟動厭（yàn）氧氨氧化，NRR達到了16.22g/（m3•d），總氮去除率（lǜ）為92%。L.M.Quan等〔38〕以聚乙烯醇（PVA）凝膠和1%的藻酸作為厭氧氨氧化菌的包埋材料，在（25±0.5）℃時，厭氧（yǎng）氨氧化（huà）工藝的NRR達到了8.0kg/（m3•d）。

固定化是一種（zhǒng）有效的技（jì）術手段，然而也（yě）會使微生物活性有所降低，且固定化後（hòu），傳質阻力會增大，氧的傳質阻礙尤為明顯，固定化更能在厭氧條件下發揮其（qí）優勢。此外（wài），其成本（běn）也有待技術經濟評估（gū）。

 2.4馴（xùn）化 

馴化就是人為的在某一特定環（huán）境條件長（zhǎng）期處理某一微生物群體，同時不（bú）斷將（jiāng）它們進行移種傳代，以（yǐ）達到累積和選擇合適的自發突變體的一種（zhǒng）古（gǔ）老育（yù）種方法。

微生物的馴化（huà）是脫氮工藝運用到低溫環境中的重要措施，使微生物體內的酶和（hé）細（xì）胞膜的脂（zhī）類組成能夠適應低溫環境，並（bìng）能在低溫條件下（xià）發揮作用。大量研究表明，通過適當的馴化策略，經曆一定的馴化時間，低溫脫氮工藝（yì）可以實現穩定運（yùn）行。

如果將AOB的運行溫度從30℃直接降至5℃，會（huì）導致其失活。逐步降低運行溫度，AOB可調整細胞膜中的脂肪酸（suān）類型使其在低（dī）溫（wēn）條件下不易凍結。後來一些研究得到了與此（cǐ）相悖的（de）結論。因此有學者開（kāi）始探索低溫的（de）馴化策略。

2.4.1逐步馴化

逐步馴化即逐步（bù）較緩慢地將工藝溫度由適（shì）宜溫度降（jiàng）至目標溫度。在馴化微生物適應當前溫度下再將其溫度降低，進一步馴化。

尚會來等采用馴化方式，逐步降低溫（wēn）度，每降1℃就穩定一個多月，半年後不刻意控製（zhì）溫度，經曆了冬（dōng）季10℃的低（dī）溫，成功地穩定了常溫、低溫短程硝化反硝（xiāo）化，亞硝化率（lǜ）始終維持在78.8%以上。

通過該方（fāng）法在18℃成功啟動並穩定運行厭氧氨氧化工藝，但將（jiāng）溫（wēn）度降至15℃時，工藝係統失穩；並認為優化的（de）操作步驟應為：先在厭氧氨氧化最適溫度（dù）下，積（jī）累足夠的厭（yàn）氧氨氧化生物量，然後再緩慢馴化微生物適應低溫條件。

2.4.2直接馴化

直接馴化（huà）就是將反應係統直接置於目標溫度下進行馴化（huà）。

研究了在適度的低溫（20~22℃）下，厭氧生物濾池中利用厭氧（yǎng）氨氧（yǎng）化實現高效的脫氮。通過直（zhí）接將接種汙泥置於20~22℃的環境下培養（yǎng），在經過446d後，NLR達到8.1kg/（m3•d）。還在6℃檢測到了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）。

對比了兩種馴化策略下厭氧氨（ān）氧化工藝的（de）啟動時間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協同（tóng）作用為優勢反應的厭氧序批生物膜反應器中的生物膜（溫（wēn）度為31℃），置於16℃的生化（huà）培養箱中馴化，最快56d成功啟（qǐ）動了低溫厭氧氨氧化；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）為梯度逐步降溫至16℃，最（zuì）慢70d馴化結束，其馴化結束的標誌（zhì）是在16℃的環境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩定。

以往的研究表明（míng），微生物對（duì）溫度的逐（zhú）步降低較（jiào）為（wéi）適應，如若溫度突然降低，則易引起係統的失穩；但較近的研究表明，直（zhí）接將溫度降至目標溫度，馴化（huà）的時間可能會更（gèng）短一些。對（duì）此（cǐ）尚需係統的研究來論證，試驗（yàn）現象背後的機理仍有待（dài）揭示。