低温农村污水生物脱氮技术研究

任宏鹏

农村污水主要包括农业污水、餐厨污水、畜牧污水等，常有水质复杂多变、水量随时间变化不定等特点，如果不及时进行处理，很容易造成河流和土壤面源污染。农村污水中生产的农业化肥、畜牧业粪便是污水中氮素的主要来源，而氮元素在水中过量累积会造成水体富营养化的现象，这一现象造成水生植物过度生长，水中溶解氧含量下降，大量鱼虾因缺氧而死亡，这一系列连锁反应进而导致水环境恶化，因而对农村污水进行脱氮处理尤为重要。污水脱氮处理一般包括物化技术和微生物处理技术，相较于物化技术，微生物处理技术因价格低廉、处理率高等优点，故一般采用微生物处理的方法对农村污水进行脱氮处理。

微生物处理技术因具有良好的处理效果和较低的运行成本而被广泛应用，但微生物的处理效率受环境条件的制约，其中温度对微生物处理过程和处理能力的影响十分显著。微生物正常生长温度普遍在20～35℃，然而在我国北方地区冬季寒冷且十分漫长，河流湖泊水体温度会在5～10℃，低温会强烈影响中温菌酶的活性，抑制中温菌的生长，需要消耗大量的能量对室外水体温度进行调控。因此，开展在低温条件下强化微生物的去除效率的课题是十分必要的。

大部分酶都是由蛋白质组成的，酶所需的作用条件十分温和，低温会导致微生物细胞内酶的活性降低，在一定温度范围内，温度每降低10℃，微生物活性就会降低1倍，从而造成微生物的生长、代谢速率降低，微生物污泥产率也随之降低进而导致污染物的去除效率降低。除此之外，微生物的生理特性也受低温的影响，低温会改变微生物对污染物的降解途径和方式，相关文献表明，低温还有可能影响微生物降解污水时的产气量和产气成分等。低温条件下活性污泥间EPS含量明显降低，这就表明低温会使得污泥吸附和沉降性能下降，从而降低了对污水的处理效果；载体蛋白活性的下降使得微生物体内细胞质的流动性减弱，进而影响了物质传输等代谢过程。但不同于高温对微生物不可逆的影响，低温条件下微生物活性的抑制作用通常是可恢复的，这就使得强化微生物低温脱氮工艺成为可能。

强化脱氮工艺的低温运行效率措施主要包括调节运行参数、优化低温微生物菌剂和优化低温脱氮工艺。污水厂调节运行参数的方法一般包括降低污泥负荷、提高HRT、提高建筑保温能力和提高DO值等措施，这些措施可以稳定低温生物处理的运行，但也会大幅增加污水处理的成本和基建费用。我国环境保护建设还处于上升阶段，探索高效率和高性价比的运行措施才是环保事业发展的主旋律，这种宏观调控手段与主体为微生物的生物处理工艺在逻辑上方向是偏離的，应将宏观调控与微观调控相结合，从低温微生物菌剂优化和低温脱氮工艺优化这两方面入手，才能从根本解决这一困扰，达到最高收益。

2.1 低温微生物菌剂优化

低温微生物菌剂优化相较于低温脱氮工艺优化方式，其无需对原有构筑物进行改建或修建复杂的工艺建筑，节约基建投资；无需复杂的物化处理和研究工艺，强化的菌株可以做到即插即用；低温微生物在低温条件下快速生长，在运行期间可以做到高效且稳定地处理污水。低温微生物菌剂的优化是突破低温污水生物脱氮瓶颈一种有效的研究思路。

2.1.1 接种耐冷菌 耐冷菌这类低温微生物具有特殊的耐冷结构和调节机制，耐冷菌体内的酶能够承受环境温度的波动，菌株可在低温环境下正常生长发育，是生物低温处理废水的“主力军”，接种耐冷菌制成生物菌剂在低温条件下运作厌氧反应器并研究其脱氮能力，在脱氮工程上具有重要意义。贲岳等在活性污泥中接种耐冷菌并投入生活污水中，控制温度在6～10℃，污水中COD的去除率达到86.7%，保证了低温农村污水生物处理系统的有效运行。反硝化耐冷菌能在10℃以下降解苯二甲酸等水中难降解有机物，还有一些耐冷菌还能在低温条件下降解甲苯、氯酚等难降解物。同时，接种耐冷菌在低温产甲烷系统中有着积极的作用，例如，嗜冷产甲烷菌可加速微生物在污水厌氧反应器中的启动时间。目前实验人员对氨氧化古菌（AOA）的研究十分关注，这种特殊的古细菌能在低温条件下能保持其活性，将AOA投入生物低温处理工艺中可在脱氮工程中发挥巨大的功效，是今后需要考究的一个创新型方向。

2.1.2 微生物驯化 在低温条件下，低温微生物处理农村污水具有良好的研究前景，但低温微生物并不是在处理系统中大量单独存在的，需要研究人员对其进行分离、筛选和鉴定，在中国应用最广泛的就是微生物的驯化。驯化是将一种微生物群体在一定环境条件下长期培养使其传代累积，最终获取具有特定功能的微生物的一种育种手段。经过驯化的微生物细胞膜内组成、应激能力以及低温酶调节等耐低温性能得到强化，使得其在低温条件下具有良好的代谢及沉降性能。根据大量的试验得出，微生物在进行恰当的低温驯化后，脱氮工艺的各项去除指标将满足排放需求且脱氮工艺能够稳定运行。通过选择培养基对低温微生物筛选并进行低温驯化可得到高效菌种，李军等分离出的高效降解硝态氮低温菌降解浓度为300毫克/升NO3-_N，去除率可达到99.8%。

2.2 低温脱氮工艺优化

首先，针对传统的低温脱氮工艺进行优化，传统低温脱氮工艺主要以自养好氧硝化-异养厌氧反硝化为理论机理建造的污水处理方案，对其进行工艺优化的主要方式是通过对其脱氮工艺参数和工程技术进行优化。例如延长污泥龄、增强水力停留时间和降低污泥负荷等参数调节，或对低温菌剂固定化处理以及对厌氧、缺氧工序优化调整等手段来改善脱氮效果。其次，研究和创新更高效、更稳定的新型生物脱氮技术，并将其投入到处理工艺中。D.Y.Zhang等发现的低温异养硝化—好氧反硝化菌相较于自养硝化菌具有在低温条件下更耐受且启动时间短、处理速度快等优点。结合这类新型脱氮菌对污水处理工艺进行工程示范，既省去了厌氧阶段额外投加碳源的费用，又能在低温下稳定运行。在我国新型生物脱氮工艺包括，改良自养好氧硝化—异养厌氧反硝化工艺、短程硝化反硝化脱氮工艺、厌氧氨氧化脱氮工艺，以及短程硝化与厌氧氨氧化相结合的自养脱氮工艺等。其中，改良自养好氧硝化—异养厌氧反硝化工艺包括倒置A2O、A2O+BAF工艺、两段式MBBR工艺等，在5～15℃的条件下COD、TN、氨氮等指标均能达到国家一级A标准；短程硝化反硝化脱氮工艺反应历程较短、运行成本更低，能有效避免过度曝气及能耗变化带来的种群结构恶化；厌氧氨氧化脱氮工艺具有节约能耗以及超高的处理效率，但因其对温度较为敏感，需要对其低温条件下的工艺进行改善；自养脱氮理论低温脱氮将短程硝化与厌氧氨氧化相结合，除了具有两者的优点以外还具有产泥量小、排气量少的优点。

目前，许多研究结果表明，降低温度会大幅延长生物脱氮过程的启动时间，降低处理负荷和处理效率。但通过接种耐冷微生物、驯化等有效生物强化措施，以及研究工艺参数优化和机理调配等工艺优化方案，可以提高低温废水生物脱氮过程的效率和稳定性。此外，利用基因工程手段以及建立数学模型措施对低温生物脱氮研究也是行之有效的方法。我们目前研究的处理工艺很多都仅停留在实验室阶段，若能将实验室得到的成果应用到实际工程之中，才是研究生物处理污水技术的终极目标，这一目标的实现也是对其在科研和社会价值上的肯定。