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低溫廢水生物脫氮技術(shù)
低溫廢水生物脫氮技術(shù)
氮在水體中的過度積累導(dǎo)致水體富含營養(yǎng)，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)的安全。一般采用生物法進行廢水脫氮。硝化反硝化技術(shù)是應(yīng)用最普遍的生物脫氮技術(shù)。近十多年來，出現(xiàn)了一些新的脫氮技術(shù)。厭氧氨氧化技術(shù)是其中最具代表性的突破之一。
該方法是利用自養(yǎng)型細菌將氨直接氧化為氮氣實現(xiàn)脫氮的技術(shù)，與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)相比，具有氧氣消耗量低、運行費用少、無需添加碳等優(yōu)點，是目前技術(shù)中最經(jīng)濟的生物脫氮途徑之一。
生物反應(yīng)對環(huán)境條件敏感，易受溫度變化影響。絕大多數(shù)微生物的正常生長溫度為20～35℃，低溫會影響微生物細胞內(nèi)酶的活性，在一定溫度范圍內(nèi)，每降溫10℃，微生物的活性就降低1倍，從而降低污水的處理效果。
工藝投入運行后，由于四季交替和地理位置的影響，如果不進行人工控制，溫度很難保持適當(dāng)。溫度控制消耗大量能源。解決這一難題的最好方法是開發(fā)高效穩(wěn)定的低溫生物處理技術(shù)。
近年來，國內(nèi)外已經(jīng)了低溫廢水生物脫氮技術(shù)，提出了新的方法。筆者將討論低溫對脫氮工藝的影響，比較低溫脫氮工藝的運行策略，并指出低溫脫氮工藝的研發(fā)方向。
一、低溫對脫氮工藝的影響。
溫度是影響細菌生長和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物的正常生長溫度為20~35℃。
溫度主要影響微生物細胞內(nèi)酶的活性，影響微生物的生長和代謝速度，影響污泥生產(chǎn)率、污染物的去除效率和速度的溫度也影響污染物的分解途徑、中間產(chǎn)物的形成、溶液中各種物質(zhì)的溶解度、生產(chǎn)氣量和成分等。
低溫減弱微生物體內(nèi)細胞質(zhì)的流動性，影響物質(zhì)傳輸?shù)却x過程，低溫下活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，微生物群落發(fā)生變化。低溫對微生物活性的控制與高溫帶來的破壞性影響不同，其控制作用通常可以恢復(fù)。
1.硝化技術(shù)。
生物硝化反應(yīng)可在4～45℃溫度范圍內(nèi)進行。
氨氧化細菌(AOB)的最佳生長溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細菌(NOB)的最佳生長溫度為25~30℃。溫度不僅影響硝化菌的生長，還影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化菌的最佳生長溫度為25~30℃，當(dāng)溫度低于15℃時，硝化速度明顯下降，硝化菌的活性也大大降低，當(dāng)溫度低于5℃時，硝化菌的生命活動幾乎停止。
大量研究表明，硝化作用受溫度的嚴(yán)重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。冬季氣溫低，硝化技術(shù)穩(wěn)定運行失敗的情況很常見。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響，結(jié)果顯示溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速度增加，但當(dāng)溫度降至6℃時，硝化菌的活性較低。
隨著脫氮技術(shù)的發(fā)展，人們對硝化技術(shù)提出了更高的要求，希望將硝化作用的反應(yīng)產(chǎn)物控制在亞硝酸鹽階段，作為硝化和厭氧氨氧化的前處理技術(shù)，可以節(jié)約曝氣能源消耗和堿量。通過對兩種硝化細菌(AOB、NOB)的更多認(rèn)識，出現(xiàn)了短距離硝化技術(shù)。
該技術(shù)的核心是選擇豐富的AOB，抑制后最后沖洗NOB，使AOB有較高的數(shù)量淘汰NOB，維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過程通常由控溫、溶氧、pH實現(xiàn)。溫度控制短距離硝化的基礎(chǔ)是兩種硝化細菌對溫度的敏感性不同，在25℃以上時，AOB的最大比生長率大于NOB的最大比生長率。
提出了世界首個工業(yè)化應(yīng)用的短距離硝化技術(shù)-SHARON技術(shù)(溫度設(shè)定為30~40℃1)。2.反硝化技術(shù)。
低溫對抗硝化有顯著的抑制作用，研究太湖沉積物中的抗硝化作用，經(jīng)過的實驗分析，硝化速度呈季節(jié)性變化。考察了低溫條件下(3~20℃)反硝化技術(shù)的運行性能，研究表明3℃反應(yīng)器的反硝化速度只有15℃的55%。
與傳統(tǒng)的缺氧反硝化相比，溫度對好氧反硝化的脫氮效率影響不明顯，篩選出的好氧反硝化菌在25~35℃下達到78%以上的脫氮效率。
3.厭氧氨氧化技術(shù)。
有學(xué)者研究表明，厭氧氨氧化反應(yīng)的溫度范圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中，活化能源的取值范圍通常為8.37~83.68kJ/mol，厭氧氨氧化的活化能源為70kJ/mol。
因此，厭氧氨氧化是對溫度變化敏感的反應(yīng)類型，降低溫度對其抑制作用明顯。
低溫對厭氧氨氧化的影響很大，低溫抑制后恢復(fù)需要很長時間。厭氧氨氧化技術(shù)的運行溫度從18℃下降到15℃時，亞硝酸鹽無法完全去除，亞硝酸鹽的積累對厭氧氨氧化技術(shù)具有顯著的抑制效果，引起連鎖效果，厭氧氨氧化菌失活6，25。
研究溫度對厭氧氨氧化技術(shù)的長期影響時，將試驗溫度從30℃調(diào)整到15℃，只有氮容積負荷(NLR)從0.3kg/(m3d)大幅度降低到0.04kg/(m3d)才能保證出水水質(zhì)。經(jīng)過30d馴化也沒有好轉(zhuǎn)，將試驗溫度恢復(fù)到30℃運行75d后，污泥活性僅為0.02g/(g剪d)，處于較低水平。
二、脫氮技術(shù)的低溫運行得到改善
1.添加菌種。
菌種流加源于發(fā)酵工藝的菌種擴大培養(yǎng)技術(shù)。菌種擴大培養(yǎng)技術(shù)是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的菌種應(yīng)用技術(shù)，在批量發(fā)酵中，通常通過試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐的多層次擴大，使菌量滿足生產(chǎn)需求。
在廢水脫氮技術(shù)中，除了裝置內(nèi)菌種本身的增殖外，流入菌種有助于加快菌體的積累。廢水水質(zhì)復(fù)雜，毒性物質(zhì)、基質(zhì)、pH、溫度等因素不穩(wěn)定，抑制功能菌。在抑制條件下，微生物難以生長。因此，體現(xiàn)了菌種流動的優(yōu)勢。
采用菌種流加式厭氧氨氧化技術(shù)處理制藥廢水，廢水中NH4+-N和NO2-N的質(zhì)量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L，菌種流加速率為0.028g/(LLand)，容積氮去除負荷(NRR)從0.1kg/(m3d)提高到7.9kg/(m3d)。
另外，流入菌種不僅增加了反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度和厭氧氨氧化菌的比例，還可能帶來未知的生長因子，在如此低的流入速度下，可以實現(xiàn)厭氧氨氧化的高效運行。
菌種流加有望成為低溫下運行生物反應(yīng)器的有效對策。研究表明，為了在低溫期間保證正常的硝化速度，有必要增加反應(yīng)器的容積。通過向活性污泥系統(tǒng)投入硝化菌的方法，可以有效地解決低溫時期需要延長泥齡，增加反應(yīng)器容積的問題。
菌種流加的操作靈活，不需要長期的適應(yīng)調(diào)整時間，是應(yīng)對低溫沖擊的快速有效方法，但不能從根本上解決低溫下反應(yīng)器運行效率低的問題，只是增加反應(yīng)器內(nèi)功能菌的數(shù)量和混合污泥的比例，緩解低溫對生物處理的影響，在反應(yīng)器容積有限時不適合長期采用。
2.接種耐冷菌。
接種物對低溫條件下厭氧反應(yīng)器的啟動具有重要意義。耐冷菌耐溫變動，適合低溫廢水處理。
例如，反硝化耐冷菌-熒光假單胞菌可以在10℃以下降解苯二甲酸，也可以在低溫下降解甲苯、氯酚等有機物。
目前的研究重點關(guān)注了接種耐冷菌在低溫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中的意義，為確保寒冷地區(qū)污水生物處理系統(tǒng)的有效運行，接種耐冷微生物，用于生活污水的處理，在6~10℃下，成功地去除污水中86.7%的COD。
嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應(yīng)用，從分離培養(yǎng)及生理生化特性、適冷機制和分子生物學(xué)研究等方面，對嗜冷產(chǎn)甲烷菌的研究進展進行了全面的綜述，并指出接種物對于低溫條件下厭氧反應(yīng)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古細菌。如果能將AOA應(yīng)用到低溫廢水的生物處理中，將會推動生物脫氮工藝的發(fā)展。這可以作為今后研究的一個重要方向。
3.生物固定化
經(jīng)固定化處理后，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界環(huán)境的變化，從而保持了較高的活性。此外，微生物經(jīng)包埋固定后持留能力得以增強，可望實現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動和高效穩(wěn)定運行。
通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對氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養(yǎng)的含耐冷菌的硝化污泥，用于處理常溫和低溫生活污水。
結(jié)果表明，經(jīng)過固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下，也表現(xiàn)出了較高的硝化效率（＞80%）。也有學(xué)者開展了固定化反硝化細菌脫氮的研究，結(jié)果表明，經(jīng)過固定化處理，提高了反硝化細菌對溫度的適應(yīng)性，固定化反硝化細菌對高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。
在低溫厭氧氨氧化的研究中通過接種固定化微生物和厭氧顆粒污泥處理低含氮廢水，在20℃下成功啟動厭氧氨氧化，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，厭氧氨氧化工藝的NRR達到了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降低，且固定化后，傳質(zhì)阻力會增大，氧的傳質(zhì)阻礙尤為明顯，固定化更能在厭氧條件下發(fā)揮其優(yōu)勢。此外，其成本也有待技術(shù)經(jīng)濟評估。
4.馴化
馴化就是人為的在某一特定環(huán)境條件長期處理某一微生物群體，同時不斷將它們進行移種傳代，以達到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老育種方法。
微生物的馴化是脫氮工藝運用到低溫環(huán)境中的重要措施，使微生物體內(nèi)的酶和細胞膜的脂類組成能夠適應(yīng)低溫環(huán)境，并能在低溫條件下發(fā)揮作用。大量研究表明，通過適當(dāng)?shù)鸟Z化策略，經(jīng)歷一定的馴化時間，低溫脫氮工藝可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行。
如果將AOB的運行溫度從30℃直接降至5℃，會導(dǎo)致其失活。逐步降低運行溫度，AOB可調(diào)整細胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件下不易凍結(jié)。后來一些研究得到了與此相悖的結(jié)論。因此有學(xué)者開始探索低溫的馴化策略。
（1）逐步馴化
逐步馴化即逐步較緩慢地將工藝溫度由適宜溫度降至目標(biāo)溫度。在馴化微生物適應(yīng)當(dāng)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，逐步降低溫度，每降1℃就穩(wěn)定一個多月，半年后不刻意控制溫度，經(jīng)歷了冬季10℃的低溫，成功地穩(wěn)定了常溫、低溫短程硝化反硝化，亞硝化率始終維持在78.8%以上。
通過該方法在18℃成功啟動并穩(wěn)定運行厭氧氨氧化工藝，但將溫度降至15℃時，工藝系統(tǒng)失穩(wěn)；并認(rèn)為優(yōu)化的操作步驟應(yīng)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，然后再緩慢馴化微生物適應(yīng)低溫條件。
（2）直接馴化
直接馴化就是將反應(yīng)系統(tǒng)直接置于目標(biāo)溫度下進行馴化。
研究了在適度的低溫（20~22℃）下，厭氧生物濾池中利用厭氧氨氧化實現(xiàn)高效的脫氮。通過直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養(yǎng)，在經(jīng)過446d后，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氧化工藝的啟動時間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢反應(yīng)的厭氧序批生物膜反應(yīng)器中的生物膜（溫度為31℃），置于16℃的生化培養(yǎng)箱中馴化，最快56d成功啟動了低溫厭氧氨氧化；接種與前者相同的生物膜，首先置于31℃的生化培養(yǎng)箱中，然后以每12d降低3℃的速度為梯度逐步降溫至16℃，最慢70d馴化結(jié)束，其馴化結(jié)束的標(biāo)志是在16℃的環(huán)境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩(wěn)定。
以往的研究表明，微生物對溫度的逐步降低較為適應(yīng)，如若溫度突然降低，則易引起系統(tǒng)的失穩(wěn)；但較近的研究表明，直接將溫度降至目標(biāo)溫度，馴化的時間可能會更短一些。對此尚需系統(tǒng)的研究來論證，試驗現(xiàn)象背后的機理仍有待揭示。
結(jié) 論
目前低溫廢水生物脫氮技術(shù)的研究已經(jīng)引起眾多學(xué)者的興趣，很多研究結(jié)果表明，溫度的降低會導(dǎo)致生物脫氮工藝啟動時間顯著延長，處理負荷和處理效率大幅降低。通過菌種流加、接種耐冷菌、細胞固定化和馴化等有效技術(shù)手段，能夠提高低溫廢水生物脫氮工藝的高效性和穩(wěn)定性。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，低溫脫氮工藝未來的研究可以圍繞下面幾點展開：
（1）耐冷菌的分離富集：將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于耐冷菌的篩選，將篩選出的菌種富集培養(yǎng)，用作接種物或者流加菌種，并建立菌群動態(tài)變化指示系統(tǒng)，指導(dǎo)低溫脫氮系統(tǒng)的調(diào)控。
（2）加大古菌的研究力度：研究古菌的培養(yǎng)特性，將可培養(yǎng)的脫氮古菌用于廢水處理，提高系統(tǒng)對低溫和極端環(huán)境的耐受性。這方面的研究有望成為今后的熱點。
（3）菌種流加過程的優(yōu)化和控制：深入研究厭氧氨氧化菌的生長和代謝動力學(xué)特性，獲得菌種流加的定量參數(shù)；引進自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)對該技術(shù)過程的自動化控制。
（4）多技術(shù)耦合：通過多種技術(shù)手段的結(jié)合，強化低溫生物脫氮工藝。例如在較低溫度下通過接種低溫優(yōu)勢菌實現(xiàn)了工藝啟動后，通過菌種流加優(yōu)化低溫生物脫氮過程，提高其抗沖擊能力。
