冬季脱氮效果不好
的改进方法
前言
氮素在水体中的过度积累造成了水体富营养化现象，严重危害生态系统安全。一般采用生物法进行废水脱氮，硝化反硝化工艺是应用最普遍的生物脱氮工艺。最近十几年，出现了一些新的脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺是其中最有代表性的突破之一。
该方法是利用自养型细菌将氨直接氧化为氮气而实现脱氮的工艺，与传统的硝化反硝化工艺相比具有耗氧量低、运行费用少和不需要外加碳源等优点，是目前已知工艺中最经济的生物脱氮途径之一。
生物脱氮对环境条件敏感，容易受温度变化影响。绝大多数微生物正常生长温度为20~35℃，低温会影响微生物细胞内酶的活性，在一定温度范围内，温度每降低10℃，微生物活性将降低1倍，从而降低了对污水的处理效果。工艺投入运行后，由于四季的交替和所处的地理位置影响，若不加以人工调控，温度很难保持适宜。而温度调控则会耗费大量的能源。
低温对脱氮工艺的影响
1.硝化工艺
生物硝化反应可以在4~45℃的温度范围内进行。氨氧化细菌（AOB）最佳生长温度为25~30℃，亚硝酸氧化细菌（NOB）的最佳生长温度为25~30℃。温度不但影响硝化菌的生长，而且影响硝化菌的活性。有研究表明，硝化细菌最适宜的生长温度为25~30℃，当温度小于15℃时硝化速率明显下降，硝化细菌的活性也大幅度降低，当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。
大量的研究表明，硝化作用会受到温度的严重影响，尤其是温度冲击的影响更加明显。由于冬季气温较低而未能实现硝化工艺稳定运行的案例较为常见。U.Sudarno等考察了温度变化对硝化作用的影响，结果表明，温度从12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但当温度下降至6℃时，硝化菌活性很低。
随着脱氮工艺的不断发展，人们对硝化工艺提出了更高的要求，希望将硝化作用的反应产物控制在亚硝酸盐阶段，作为反硝化或者厌氧氨氧化的前处理技术，可以节约曝气能耗和添加碱量。
通过对两类硝化细菌（AOB、NOB）的更多认识，出现了短程硝化工艺。该工艺的核心是选择性地富集AOB，先抑制再限制最后冲洗出NOB，使得AOB具有较高的数量而淘汰NOB，从而维持稳定的亚硝酸盐积累。短程硝化过程通常由控制温度、溶解氧、pH来实现。温度控制短程硝化的基础在于两类硝化细菌对温度的敏感性不同，25℃以上时，AOB的最大比生长速率大于NOB的最大比生长速率。据此提出了世界上第一个工业化应用的短程硝化工艺——SHARON工艺（温度设置为30~40℃〔1〕）。因此，在低温下实现短程硝化颇具挑战。
2.反硝化工艺
低温对于反硝化有显著的抑制作用，JichengZhong等研究了太湖沉积物中的反硝化作用，经过数月的实验分析发现反硝化速率呈现季节性变化。U.Welander等考察了低温条件下（3~20℃）反硝化工艺的运行性能，研究表明在3℃下反应器的反硝化速率仅为15℃下的55%。相对于传统的缺氧反硝化，温度对好氧反硝化的脱氮效率影响不显著，王弘宇等筛选出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能达到大于78%的脱氮效率。表1概括了不同温度下的反硝化速率。
3.厌氧氨氧化工艺
有学者的研究表明，能够进行厌氧氨氧化反应的温度范围为6~43℃，最佳温度为28~40℃。在废水生物处理中，活化能的取值范围通常为8.37~83.68kJ/mol，而厌氧氨氧化的活化能为70kJ/mol。因此，厌氧氨氧化属于对温度变化比较敏感的反应类型，温度的降低对其抑制作用明显。
低温对厌氧氨氧化的影响很大，受低温抑制后需要较长时间才能恢复。厌氧氨氧化工艺的运行温度从18℃降至15℃时，亚硝酸盐不能被完全去除，导致亚硝酸盐的积累，对厌氧氨氧化工艺有着显著的抑制效果，从而引起连锁效应，使得厌氧氨氧化菌失活〔6,25〕。J.Dosta等〔7〕在研究温度对厌氧氨氧化工艺的长期影响时，将试验温度由30℃调至15℃，只有氮容积负荷（NLR）从0.3kg/（m3•d）大幅降低至0.04kg/（m3•d）才能保证出水水质。甚至经30d的驯化仍未见好转，将试验温度调回至30℃运行75d后，污泥活性仅为0.02g/（g•d），处于较低水平。
冬季脱氮工艺运行的改进方法
1.加热
现行的解决办法非常有限，在我国部分北方城市常用的措施有：
(1) 曝气池、二沉池等池壁采用发泡保温板保温，外砌砖围护（炉渣、膨胀珍珠岩等填充）结构，池顶加盖等保温措施；
(2) 鼓风机一侧设空气预热室，将冬季-10～-20℃的冷空气预热到5～8℃；空气管道设置管廊，便于保温处理等；
(3) 适当加热污泥，包括回流污泥；
(4) 用热蒸汽给进入曝气池的污水加热；
现行的这些办法都将会增加污水处理的运行成本。
2.提高泥龄/MLSS
提高泥龄的最终表现是MLSS的提高，冬季微生物增殖缓慢，做为自养菌的硝化细菌增殖更为缓慢，提高泥龄可以使硝化细菌能保持在一定的范围内（目的是保证硝化细菌为优势菌种），并且适当提高污泥浓度MLSS，在细菌代谢能力下降的前提下，可以使总量的污泥代谢能力能保持稳定。
3.生物固定化（填料）
经固定化处理后，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界环境的变化，从而保持了较高的活性。此外，微生物经包埋固定后持留能力得以增强，可望实现反应器的快速启动和高效稳定运行。
通过固定化可以削弱温度变化对硝化作用的影响。张爽等研究了固定化硝化菌在不同温度下对氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常温富集培养的含耐冷菌的硝化污泥，用于处理常温和低温生活污水。结果表明，经过固定化处理的硝化菌群即使在低温条件下，也表现出了较高的硝化效率（＞80%）。
也有学者开展了固定化反硝化细菌脱氮的研究，结果表明，经过固定化处理，提高了反硝化细菌对温度的适应性，固定化反硝化细菌对高浓度的铵离子和低温的耐受性增加。
固定化是一种有效的技术手段，然而也会使微生物活性有所降低，且固定化后，传质阻力会增大，氧的传质阻碍尤为明显，固定化更能在厌氧条件下发挥其优势。此外，其成本也有待技术经济评估。
4.驯化
驯化就是人为的在某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老育种方法。微生物的驯化是脱氮工艺运用到低温环境中的重要措施，使微生物体内的酶和细胞膜的脂类组成能够适应低温环境，并能在低温条件下发挥作用。
大量研究表明，通过适当的驯化策略，经历一定的驯化时间，低温脱氮工艺可以实现稳定运行。
4.1逐步驯化
逐步驯化即逐步较缓慢地将工艺温度由适宜温度降至目标温度。在驯化微生物适应当前温度下再将其温度降低，进一步驯化。尚会来等采用驯化方式，逐步降低温度，每降1℃就稳定一个多月，半年后不刻意控制温度，经历了冬季10℃的低温，成功地稳定了常温、低温短程硝化反硝化，亚硝化率始终维持在78.8%以上。J.Dosta等通过该方法在18℃成功启动并稳定运行厌氧氨氧化工艺，但将温度降至15℃时，工艺系统失稳；并认为优化的操作步骤应为：先在厌氧氨氧化最适温度下，积累足够的厌氧氨氧化生物量，然后再缓慢驯化微生物适应低温条件。
4.2直接驯化
直接驯化就是将反应系统直接置于目标温度下进行驯化。K.Isaka等研究了在适度的低温（20~22℃）下，厌氧生物滤池中利用厌氧氨氧化实现高效的脱氮。通过直接将接种污泥置于20~22℃的环境下培养，在经过446d后，NLR达到8.1kg/（m³•d）。还在6℃检测到了微生物厌氧氨氧化活性。NLR由22℃时的2.8kg/（m³•d）降至6℃的0.36kg/（m³•d）。
杨朝晖等对比了两种驯化策略下厌氧氨氧化工艺的启动时间，接种以短程硝化-厌氧氨氧化协同作用为优势反应的厌氧序批生物膜反应器中的生物膜（温度为31℃），置于16℃的生化培养箱中驯化，最快56d成功启动了低温厌氧氨氧化；接种与前者相同的生物膜，首先置于31℃的生化培养箱中，然后以每12d降低3℃的速度为梯度逐步降温至16℃，最慢70d驯化结束，其驯化结束的标志是在16℃的环境温度下氨氮的去除效率在1周左右维持稳定。
以往的研究表明，微生物对温度的逐步降低较为适应，如若温度突然降低，则易引起系统的失稳；但较近的研究表明，直接将温度降至目标温度，驯化的时间可能会更短一些。对此尚需系统的研究来论证，试验现象背后的机理仍有待揭示。
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部分资料来源：马春, 金仁村. 低温废水生物脱氮工艺的研究进展. 环保工程师
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