深度解析低溫廢水生物脫氮技術
【www.trjxwd.com南京純水設備】氮素在水體中的過度積累造成了水體富營養化現象，嚴重危害生態系統安全。一般采用生物法進行廢水脫氮。硝化反硝化工藝是應用極普遍的生物脫氮工藝。最近十幾年，出現了一些新的脫氮工藝。厭氧氨氧化工藝是其中非常有代表性的突破之一。該方法是利用自養型細菌將氨直接氧化為氮氣而實現脫氮的工藝，與傳統的硝化反硝化工藝相比具有耗氧量低、運行費用少和不需要外加碳源等優點，是目前已知工藝中極經濟的生物脫氮途徑之一。
生物反應對環境條件敏感，容易受溫度變化影響。絕大多數微生物正常生長溫度為20~35℃，低溫會影響微生物細胞內酶的活性，在一定溫度范圍內，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，若不加以人工調控，溫度很難保持適宜。而溫度調控則會耗費大量的能源。南京工業純水處理設備解決這一難題的最佳途徑就是開發高效穩定的低溫生物處理工藝。
近年來國內外已有一些研究涉及低溫廢水生物脫氮技術，提出了一些新方法。筆者將探討低溫對脫氮工藝的影響，比較低溫脫氮工藝的運行策略，并據此指出低溫脫氮工藝的研發方向。
1、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境條件。絕大多數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胞內某些酶的活性而影響微生物的生長和代謝速率，進而影響污泥產率、污染物的去除效率和速率；溫度還會影響污染物降解途徑、中間產物的形成以及各種物質在溶液中的溶解度，以及有可能影響到產氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內細胞質的流動性，進而影響了物質傳輸等代謝過程，并且普遍認為低溫將會導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的。
1.1硝化工藝
生物硝化反應可以在4~45℃的溫度范圍內進行。氨氧化細菌（AOB）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，硝化細菌最喜歡并適宜的生長溫度為25~30℃，當溫度小于15℃時硝化速率明顯下降，硝化細菌的活性也大幅度降低，當溫度低于5℃時，硝化細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現硝化工藝穩定運行的案例較為常見。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響，結果表明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當溫度下降至6℃時，硝化菌活性很低。
隨著脫氮工藝的不斷發展，人們對硝化工藝提出了更高的要求，希望將硝化作用的反應產物控制在亞硝酸鹽階段，作為反硝化或者厭氧氨氧化的前處理技術，可以節約曝氣能耗和添加堿量。通過對兩類硝化細菌（AOB、NOB）的更多認識，出現了短程硝化工藝。該工藝的核心是選擇性地富集AOB，先抑制再限制最后沖洗出NOB，使得AOB具有較高的數量而淘汰NOB，從而維持穩定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過程通常由控制溫度、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℃以上時，AOB的最大比生長速率大于NOB的最大比生長速率。南京實驗室純水處理設備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（溫度設置為30~40℃）。因此，在低溫下實現短程硝化頗具挑戰。
1.2反硝化工藝
低溫對于反硝化有顯著的抑制作用，研究太湖沉積物中的反硝化作用，經過數月的實驗分析發現反硝化速率呈現季節性變化。低溫條件下（3~20℃）反硝化工藝的運行性能，研究表明在3℃下反應器的反硝化速率僅為15℃下的55%。相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，王弘宇等篩選出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能達到大于78%的脫氮效率。表1概括了不同溫度下的反硝化速率。
1.3厭氧氨氧化工藝
有學者的研究表明，能夠進行厭氧氨氧化反應的溫度范圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。在廢水生物處理中，活化能的取值范圍通常為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，溫度的降低對其抑制作用明顯。
低溫對厭氧氨氧化的影響很大，受低溫抑制后需要較長時間才能恢復。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，導致亞硝酸鹽的積累，對厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑制效果，從而引起連鎖效應，使得厭氧氨氧化菌失活。J.Dosta等在研究溫度對厭氧氨氧化工藝的長期影響時，將試驗溫度由30℃調至15℃，只有氮容積負荷（NLR）從0.3kg/（m3?d）大幅降低至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后，污泥活性僅為0.02g/（g?d），處于較低水平。
2、脫氮工藝的低溫運行改進方法
2.1菌種流加
菌種流加來源于發酵工藝的菌種擴大培養技術。菌種擴大培養技術是發酵工業中廣泛采用的一種菌種應用技術，在批次發酵中，一般通過“試管→三角瓶→種子罐→發酵罐”的多級擴增，使菌量滿足生產需要。在廢水脫氮工藝中，除裝置內菌種自身增殖外，流加菌種有利于加快菌體積累。廢水水質復雜，毒性物質、基質、pH、溫度等因素的不穩定，都會對功能菌造成抑制。南京反滲透純水處理設備在受抑制條件下，微生物難以生長。因此菌種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制藥廢水，廢水中NH4+-N和NO2--N的質量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L，菌種流加速率為0.028g/（L?L?d），容積氮去除負荷（NRR）由0.1kg/（m3?d）提高至7.9kg/（m3?d）。并且認為流加菌種不僅增加了反應器內的污泥濃度和厭氧氨氧化菌所占比例，可能還帶入了一些未知的生長因子，才能在如此低的流加速率下，實現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器的一種有效對策。何成達的研究表明在低溫期間為保證正常的硝化速率，需要增大反應器的容積。通過向活性污泥系統投加硝化菌的方法可有效解決低溫時期需要延長泥齡和加大反應器容積的問題。
菌種流加的操作靈活，不需要長期的適應調整時間，是一種應對低溫沖擊的快速有效方法，但是不能從根本上解決低溫下反應器運行效率低的問題，僅是增加反應器內功能菌的數量及其在混合污泥的比例，緩解低溫對生物處理的影響，在反應器容積有限時不適合長期采用。
2.2接種耐冷菌
接種物對于低溫條件下厭氧反應器啟動運行具有重要的意義。耐冷菌能夠耐受溫度波動，比較適合低溫廢水的處理。如反硝化耐冷菌——熒光假單胞菌能夠在低于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、氯酚等難降解有機物。目前的研究重點關注了接種耐冷菌在低溫產甲烷系統中的意義，為確保寒冷地區污水生物處理系統的有效運行，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、適冷機制和分子生物學研究等方面，對嗜冷產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應用到低溫廢水的生物處理中，將會推動生物脫氮工藝的發展。這可以作為今后研究的一個重要方向。
2.3生物固定化
經固定化處理后，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界環境的變化，從而保持了較高的活性。此外，微生物經包埋固定后持留能力得以增強，可望實現反應器的快速啟動和高效穩定運行。
通過固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。南京EDI純水處理設備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的含耐冷菌的硝化污泥，用于處理常溫和低溫生活污水。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%）。也有學者開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，提高了反硝化細菌對溫度的適應性，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手段，然而也會使微生物活性有所降低，且固定化后，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優勢。此外，其成本也有待技術經濟評估。
2.4馴化
馴化就是人為的在某一特定環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境中的重要措施，使微生物體內的酶和細胞膜的脂類組成能夠適應低溫環境，并能在低溫條件下發揮作用。大量研究表明，通過適當的馴化策略，經歷一定的馴化時間，低溫脫氮工藝可以實現穩定運行。
如果將AOB的運行溫度從30℃直接降至5℃，會導致其失活。逐步降低運行溫度，AOB可調整細胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件下不易凍結。后來一些研究得到了與此相悖的結論。因此有學者開始探索低溫的馴化策略。
2.4.1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，逐步降低溫度，每降1℃就穩定一個多月，半年后不刻意控制溫度，經歷了冬季10℃的低溫，成功地穩定了常溫、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℃成功啟動并穩定運行厭氧氨氧化工藝，但將溫度降至15℃時，工藝系統失穩；并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，然后再緩慢馴化微生物適應低溫條件。
2.4.2直接馴化
直接馴化就是將反應系統直接置于目標溫度下進行馴化。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高效的脫氮。通過直接將接種污泥置于20~22℃的環境下培養，在經過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。南京超純水處理設備NLR由22℃時的2.8kg/（m3?d）降至6℃的0.36kg/（m3?d）。
對比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℃），置于16℃的生化培養箱中馴化，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馴化結束，其馴化結束的標志是在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，微生物對溫度的逐步降低較為適應，如若溫度突然降低，則易引起系統的失穩；但較近的研究表明，直接將溫度降至目標溫度，馴化的時間可能會更短一些。對此尚需系統的研究來論證，試驗現象背后的機理仍有待揭示。
目前低溫廢水生物脫氮技術的研究已經引起眾多學者的興趣，很多研究結果表明，溫度的降低會導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手段，能夠提高低溫廢水生物脫氮工藝的高效性和穩定性。結合目前的研究現狀，低溫脫氮工藝未來的研究可以圍繞下面幾點展開：
（1）加大古菌的研究力度。研究古菌的培養特性，將可培養的脫氮古菌用于廢水處理，提高系統對低溫和極端環境的耐受性。這方面的研究有望成為今后的熱點。
（2）耐冷菌的分離富集。將分子生物學技術應用于耐冷菌的篩選，將篩選出的菌種富集培養，用作接種物或者流加菌種，并建立菌群動態變化指示系統，指導低溫脫氮系統的調控。
（3）多技術耦合。通過多種技術手段的結合，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勢菌實現了工藝啟動后，通過菌種流加優化低溫生物脫氮過程，提高其抗沖擊能力。
（4）菌種流加過程的優化和控制。深入研究厭氧氨氧化菌的生長和代謝動力學特性，獲得菌種流加的定量參數；引進自動化控制技術，實現對該技術過程的自動化控制。
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