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冬季脫氮效果不好的改進(jìn)辦法！
來源：科柏盛環(huán)保 發(fā)布時間：2022-01-17
生物脫氮對環(huán)境條件敏感，容易受溫度變化影響。絕大多數(shù)微生物正常生長溫度為20~35℃，低溫會影響微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每降低10℃，微生物活性將降低1倍，從而降低了對污水的處理效果。工藝投入運(yùn)行后，由于四季的交替和所處的地理位置影響，若不加以人工調(diào)控，溫度很難保持適宜。而溫度調(diào)控則會耗費(fèi)大量的能源。
一、 低溫對脫氮工藝的影響
溫度是影響細(xì)菌生長和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物正常生長溫度為20~35℃。溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶的活性而影響微生物的生長和代謝速率，進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率；溫度還會影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度，以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動性，進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過程，并且普遍認(rèn)為低溫將會導(dǎo)致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對微生物活性的抑制，不同于高溫帶來的毀滅性影響，其抑制作用通常是可恢復(fù)的。
硝化細(xì)菌
生物硝化反應(yīng)可以在4~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。氨氧化細(xì)菌（AOB）*佳生長溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細(xì)菌（NOB）的*佳生長溫度為25~30℃。
溫度不但影響硝化菌的生長，而且影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化細(xì)菌*適宜的生長溫度為25~30℃，當(dāng)溫度小于15℃時硝化速率明顯下降，硝化細(xì)菌的活性也大幅度降低，當(dāng)溫度低于5℃時，硝化細(xì)菌的生命活動幾乎停止。大量的研究表明，硝化作用會受到溫度的嚴(yán)重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。
由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現(xiàn)硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的案例較為常見。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響，結(jié)果表明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當(dāng)溫度下降至6℃時，硝化菌活性很低。
反硝化細(xì)菌
反硝化細(xì)菌生長的*佳溫度為25~35℃，而我國冬季氣溫通常低于20℃，低溫成為冬季微生物反硝化脫氮的限制性因素。目前關(guān)于反硝化細(xì)菌的研究主要集中于對硝酸鹽去除能力的提高，對低溫限制下低濃度硝酸鹽水體中反硝化作用的研究仍然較少。JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用，經(jīng)過數(shù)月的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)反硝化速率呈現(xiàn)季節(jié)性變化。
U.Welander等考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化工藝的運(yùn)行性能，研究表明在3℃下反應(yīng)器的反硝化速率僅為15℃下的55%。
二、冬季脫氮工藝運(yùn)行的改進(jìn)方法
1、加熱
現(xiàn)行的解決辦法非常有限，在我國部分北方城市常用的措施有：
(1) 曝氣池、二沉池等池壁采用發(fā)泡保溫板保溫，外砌磚圍護(hù)（爐渣、膨脹珍珠巖等填充）結(jié)構(gòu)，池頂加蓋等保溫措施；
(2) 鼓風(fēng)機(jī)一側(cè)設(shè)空氣預(yù)熱室，將冬季-10～-20℃的冷空氣預(yù)熱到5～8℃；空氣管道設(shè)置管廊，便于保溫處理等。
(3) 適當(dāng)加熱污泥，包括回流污泥；
(4) 用熱蒸汽給進(jìn)入曝氣池的污水加熱。
現(xiàn)行的這些辦法都將會增加污水處理的運(yùn)行成本。
2、提高泥齡/MLSS
提高泥齡的*終表現(xiàn)是MLSS的提高，冬季微生物增殖緩慢，做為自養(yǎng)菌的硝化細(xì)菌增殖更為緩慢，提高泥齡可以使硝化細(xì)菌能保持在一定的范圍內(nèi)（顏胖子：目的是保證硝化細(xì)菌為優(yōu)勢菌種），并且適當(dāng)提高污泥濃度MLSS，在細(xì)菌代謝能力下降的前提下，可以使總量的污泥代謝能力能保持穩(wěn)定。
3、生物固定化（填料）
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(qiáng)，可望實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動和高效穩(wěn)定運(yùn)行。
通過固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。張爽等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(xì)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(xì)菌對溫度的適應(yīng)性，固定化反硝化細(xì)菌對高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。
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(jì)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(jìn)行移種傳代，以達(dá)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(yùn)用到低溫環(huán)境中的重要措施，使微生物體內(nèi)的酶和細(xì)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
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(jìn)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。J.Dosta等通過該方法在18℃成功啟動并穩(wěn)定運(yùn)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*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。
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(jìn)行馴化。K.Isaka等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(shí)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(dá)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）。
楊朝暉等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，*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，*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℃，*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(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)理仍有待揭示。（參考資料：[1]馬春, 金仁村. 低溫廢水生物脫氮工藝的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2012, 32(6):5.）
一、 低溫對脫氮工藝的影響
溫度是影響細(xì)菌生長和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物正常生長溫度為20~35℃。溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶的活性而影響微生物的生長和代謝速率，進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率；溫度還會影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度，以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動性，進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過程，并且普遍認(rèn)為低溫將會導(dǎo)致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對微生物活性的抑制，不同于高溫帶來的毀滅性影響，其抑制作用通常是可恢復(fù)的。
硝化細(xì)菌
生物硝化反應(yīng)可以在4~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。氨氧化細(xì)菌（AOB）*佳生長溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細(xì)菌（NOB）的*佳生長溫度為25~30℃。
溫度不但影響硝化菌的生長，而且影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化細(xì)菌*適宜的生長溫度為25~30℃，當(dāng)溫度小于15℃時硝化速率明顯下降，硝化細(xì)菌的活性也大幅度降低，當(dāng)溫度低于5℃時，硝化細(xì)菌的生命活動幾乎停止。大量的研究表明，硝化作用會受到溫度的嚴(yán)重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。
由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現(xiàn)硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的案例較為常見。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響，結(jié)果表明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當(dāng)溫度下降至6℃時，硝化菌活性很低。
反硝化細(xì)菌
反硝化細(xì)菌生長的*佳溫度為25~35℃，而我國冬季氣溫通常低于20℃，低溫成為冬季微生物反硝化脫氮的限制性因素。目前關(guān)于反硝化細(xì)菌的研究主要集中于對硝酸鹽去除能力的提高，對低溫限制下低濃度硝酸鹽水體中反硝化作用的研究仍然較少。JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用，經(jīng)過數(shù)月的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)反硝化速率呈現(xiàn)季節(jié)性變化。
U.Welander等考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化工藝的運(yùn)行性能，研究表明在3℃下反應(yīng)器的反硝化速率僅為15℃下的55%。
二、冬季脫氮工藝運(yùn)行的改進(jìn)方法
1、加熱
現(xiàn)行的解決辦法非常有限，在我國部分北方城市常用的措施有：
(1) 曝氣池、二沉池等池壁采用發(fā)泡保溫板保溫，外砌磚圍護(hù)（爐渣、膨脹珍珠巖等填充）結(jié)構(gòu)，池頂加蓋等保溫措施；
(2) 鼓風(fēng)機(jī)一側(cè)設(shè)空氣預(yù)熱室，將冬季-10～-20℃的冷空氣預(yù)熱到5～8℃；空氣管道設(shè)置管廊，便于保溫處理等。
(3) 適當(dāng)加熱污泥，包括回流污泥；
(4) 用熱蒸汽給進(jìn)入曝氣池的污水加熱。
現(xiàn)行的這些辦法都將會增加污水處理的運(yùn)行成本。
2、提高泥齡/MLSS
提高泥齡的*終表現(xiàn)是MLSS的提高，冬季微生物增殖緩慢，做為自養(yǎng)菌的硝化細(xì)菌增殖更為緩慢，提高泥齡可以使硝化細(xì)菌能保持在一定的范圍內(nèi)（顏胖子：目的是保證硝化細(xì)菌為優(yōu)勢菌種），并且適當(dāng)提高污泥濃度MLSS，在細(xì)菌代謝能力下降的前提下，可以使總量的污泥代謝能力能保持穩(wěn)定。
3、生物固定化（填料）
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(qiáng)，可望實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動和高效穩(wěn)定運(yùn)行。
通過固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。張爽等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(xì)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(xì)菌對溫度的適應(yīng)性，固定化反硝化細(xì)菌對高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。
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(jì)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(jìn)行移種傳代，以達(dá)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(yùn)用到低溫環(huán)境中的重要措施，使微生物體內(nèi)的酶和細(xì)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
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(jìn)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。J.Dosta等通過該方法在18℃成功啟動并穩(wěn)定運(yùn)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*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。
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(jìn)行馴化。K.Isaka等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(shí)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(dá)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）。
楊朝暉等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，*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，*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℃，*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(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)理仍有待揭示。（參考資料：[1]馬春, 金仁村. 低溫廢水生物脫氮工藝的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理, 2012, 32(6):5.）
