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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(guò)度積累導(dǎo)致水體富含營(yíng)養(yǎng)，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)的安全。一般采用生物法進(jìn)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(lái)，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(xì)菌將氨直接氧化為氮?dú)鈱?shí)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(yùn)行費(fèi)用少、無(wú)需添加碳等優(yōu)點(diǎn)，是目前技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑之一。
生物反應(yīng)對(duì)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(zhǎng)溫度為20～35℃，低溫會(huì)影響微生物細(xì)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(yùn)行后，由于四季交替和地理位置的影響，如果不進(jìn)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(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的低溫生物處理技術(shù)。
近年來(lái)，國(guó)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(duì)脫氮工藝的影響，比較低溫脫氮工藝的運(yùn)行策略，并指出低溫脫氮工藝的研發(fā)方向。
一、低溫對(duì)脫氮工藝的影響。
溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物的正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃。
溫度主要影響微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，影響微生物的生長(zhǎng)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(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)性，影響物質(zhì)傳輸?shù)却x過(guò)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(duì)微生物活性的控制與高溫帶來(lái)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(jìn)行。
氨氧化細(xì)菌(AOB)的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細(xì)菌(NOB)的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。溫度不僅影響硝化菌的生長(zhǎng)，還影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化菌的最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，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(shí)，硝化菌的生命活動(dòng)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(yùn)行失敗的情況很常見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對(duì)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(shí)，硝化菌的活性較低。
隨著脫氮技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)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(guò)對(duì)兩種硝化細(xì)菌(AOB、NOB)的更多認(rèn)識(shí)，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(guò)程通常由控溫、溶氧、pH實(shí)現(xiàn)。溫度控制短距離硝化的基礎(chǔ)是兩種硝化細(xì)菌對(duì)溫度的敏感性不同，在25℃以上時(shí)，AOB的最大比生長(zhǎng)率大于NOB的最大比生長(zhǎng)率。
提出了世界首個(gè)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(duì)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(guò)的實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(duì)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(dá)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(duì)溫度變化敏感的反應(yīng)類型，降低溫度對(duì)其抑制作用明顯。
低溫對(duì)厭氧氨氧化的影響很大，低溫抑制后恢復(fù)需要很長(zhǎng)時(shí)間。厭氧氨氧化技術(shù)的運(yùn)行溫度從18℃下降到15℃時(shí)，亞硝酸鹽無(wú)法完全去除，亞硝酸鹽的積累對(duì)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(duì)厭氧氨氧化技術(shù)的長(zhǎng)期影響時(shí)，將試驗(yàn)溫度從30℃調(diào)整到15℃，只有氮容積負(fù)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(guò)30d馴化也沒(méi)有好轉(zhuǎn)，將試驗(yàn)溫度恢復(fù)到30℃運(yùn)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(yùn)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(kuò)大培養(yǎng)技術(shù)。菌種擴(kuò)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(guò)試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐的多層次擴(kuò)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(zhǎng)。因此，體現(xiàn)了菌種流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。
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(fù)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(lái)未知的生長(zhǎng)因子，在如此低的流入速度下，可以實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的高效運(yùn)行。
菌種流加有望成為低溫下運(yùn)行生物反應(yīng)器的有效對(duì)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(guò)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(shí)期需要延長(zhǎng)泥齡，增加反應(yīng)器容積的問(wèn)題。
菌種流加的操作靈活，不需要長(zhǎng)期的適應(yīng)調(diào)整時(shí)間，是應(yīng)對(duì)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(yùn)行效率低的問(wèn)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(duì)生物處理的影響，在反應(yīng)器容積有限時(shí)不適合長(zhǎng)期采用。
2.接種耐冷菌。
接種物對(duì)低溫條件下厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)具有重要意義。耐冷菌耐溫變動(dòng)，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(jī)物。
目前的研究重點(diǎn)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(yùn)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(jī)制和分子生物學(xué)研究等方面，對(duì)嗜冷產(chǎn)甲烷菌的研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的綜述，并指出接種物對(duì)于低溫條件下厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)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(xì)菌。如果能將AOA應(yīng)用到低溫廢水的生物處理中，將會(huì)推動(dòng)生物脫氮工藝的發(fā)展。這可以作為今后研究的一個(gè)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(qiáng)，可望實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和高效穩(wěn)定運(yùn)行。
通過(guò)固定化可以削弱溫度變化對(duì)硝化作用的影響。研究了固定化硝化菌在不同溫度下對(duì)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(guò)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(kāi)展了固定化反硝化細(xì)菌脫氮的研究，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)固定化處理，提高了反硝化細(xì)菌對(duì)溫度的適應(yīng)性，固定化反硝化細(xì)菌對(duì)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(guò)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(dòng)厭氧氨氧化，NRR達(dá)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(shí)，厭氧氨氧化工藝的NRR達(dá)到了8.0kg/（m3•d）。
固定化是一種有效的技術(shù)手段，然而也會(huì)使微生物活性有所降低，且固定化后，傳質(zhì)阻力會(huì)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(shì)。此外，其成本也有待技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。
4.馴化
馴化就是人為的在某一特定環(huán)境條件長(zhǎng)期處理某一微生物群體，同時(shí)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(guò)適當(dāng)?shù)鸟Z化策略，經(jīng)歷一定的馴化時(shí)間，低溫脫氮工藝可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
如果將AOB的運(yùn)行溫度從30℃直接降至5℃，會(huì)導(dǎo)致其失活。逐步降低運(yùn)行溫度，AOB可調(diào)整細(xì)胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件下不易凍結(jié)。后來(lái)一些研究得到了與此相悖的結(jié)論。因此有學(xué)者開(kāi)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(jìn)一步馴化。
尚會(huì)來(lái)等采用馴化方式，逐步降低溫度，每降1℃就穩(wěn)定一個(gè)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(guò)該方法在18℃成功啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行厭氧氨氧化工藝，但將溫度降至15℃時(shí)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)高效的脫氮。通過(guò)直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養(yǎng)，在經(jīng)過(guò)446d后，NLR達(dá)到8.1kg/（m3•d）。還在6℃檢測(cè)到了微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時(shí)的2.8kg/（m3•d）降至6℃的0.36kg/（m3•d）。
對(duì)比了兩種馴化策略下厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(duì)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(shí)間可能會(huì)更短一些。對(duì)此尚需系統(tǒng)的研究來(lái)論證，試驗(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)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(huì)導(dǎo)致生物脫氮工藝啟動(dòng)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，處理負(fù)荷和處理效率大幅降低。通過(guò)菌種流加、接種耐冷菌、細(xì)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(lái)的研究可以圍繞下面幾點(diǎn)展開(kāi)：
（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(dòng)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(duì)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(diǎn)。
（3）菌種流加過(guò)程的優(yōu)化和控制：深入研究厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和代謝動(dòng)力學(xué)特性，獲得菌種流加的定量參數(shù)；引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)過(guò)程的自動(dòng)化控制。
（4）多技術(shù)耦合：通過(guò)多種技術(shù)手段的結(jié)合，強(qiáng)化低溫生物脫氮工藝。例如在較低溫度下通過(guò)接種低溫優(yōu)勢(shì)菌實(shí)現(xiàn)了工藝啟動(dòng)后，通過(guò)菌種流加優(yōu)化低溫生物脫氮過(guò)程，提高其抗沖擊能力。
