低溫農(nóng)村污水生物脫氮技術研究

任宏鵬

農(nóng)村污水主要包括農(nóng)業(yè)污水、餐廚污水、畜牧污水等，常有水質(zhì)復雜多變、水量隨時間變化不定等特點，如果不及時進行處理，很容易造成河流和土壤面源污染。農(nóng)村污水中生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)化肥、畜牧業(yè)糞便是污水中氮素的主要來源，而氮元素在水中過量累積會造成水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象造成水生植物過度生長，水中溶解氧含量下降，大量魚蝦因缺氧而死亡，這一系列連鎖反應進而導致水環(huán)境惡化，因而對農(nóng)村污水進行脫氮處理尤為重要。污水脫氮處理一般包括物化技術和微生物處理技術，相較于物化技術，微生物處理技術因價格低廉、處理率高等優(yōu)點，故一般采用微生物處理的方法對農(nóng)村污水進行脫氮處理。

微生物處理技術因具有良好的處理效果和較低的運行成本而被廣泛應用，但微生物的處理效率受環(huán)境條件的制約，其中溫度對微生物處理過程和處理能力的影響十分顯著。微生物正常生長溫度普遍在20～35℃，然而在我國北方地區(qū)冬季寒冷且十分漫長，河流湖泊水體溫度會在5～10℃，低溫會強烈影響中溫菌酶的活性，抑制中溫菌的生長，需要消耗大量的能量對室外水體溫度進行調(diào)控。因此，開展在低溫條件下強化微生物的去除效率的課題是十分必要的。

大部分酶都是由蛋白質(zhì)組成的，酶所需的作用條件十分溫和，低溫會導致微生物細胞內(nèi)酶的活性降低，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每降低10℃，微生物活性就會降低1倍，從而造成微生物的生長、代謝速率降低，微生物污泥產(chǎn)率也隨之降低進而導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溫的影響，低溫會改變微生物對污染物的降解途徑和方式，相關文獻表明，低溫還有可能影響微生物降解污水時的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣成分等。低溫條件下活性污泥間EPS含量明顯降低，這就表明低溫會使得污泥吸附和沉降性能下降，從而降低了對污水的處理效果；載體蛋白活性的下降使得微生物體內(nèi)細胞質(zhì)的流動性減弱，進而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過程。但不同于高溫對微生物不可逆的影響，低溫條件下微生物活性的抑制作用通常是可恢復的，這就使得強化微生物低溫脫氮工藝成為可能。

強化脫氮工藝的低溫運行效率措施主要包括調(diào)節(jié)運行參數(shù)、優(yōu)化低溫微生物菌劑和優(yōu)化低溫脫氮工藝。污水廠調(diào)節(jié)運行參數(shù)的方法一般包括降低污泥負荷、提高HRT、提高建筑保溫能力和提高DO值等措施，這些措施可以穩(wěn)定低溫生物處理的運行，但也會大幅增加污水處理的成本和基建費用。我國環(huán)境保護建設還處于上升階段，探索高效率和高性價比的運行措施才是環(huán)保事業(yè)發(fā)展的主旋律，這種宏觀調(diào)控手段與主體為微生物的生物處理工藝在邏輯上方向是偏離的，應將宏觀調(diào)控與微觀調(diào)控相結合，從低溫微生物菌劑優(yōu)化和低溫脫氮工藝優(yōu)化這兩方面入手，才能從根本解決這一困擾，達到最高收益。

2.1 低溫微生物菌劑優(yōu)化

低溫微生物菌劑優(yōu)化相較于低溫脫氮工藝優(yōu)化方式，其無需對原有構筑物進行改建或修建復雜的工藝建筑，節(jié)約基建投資；無需復雜的物化處理和研究工藝，強化的菌株可以做到即插即用；低溫微生物在低溫條件下快速生長，在運行期間可以做到高效且穩(wěn)定地處理污水。低溫微生物菌劑的優(yōu)化是突破低溫污水生物脫氮瓶頸一種有效的研究思路。

2.1.1 接種耐冷菌 耐冷菌這類低溫微生物具有特殊的耐冷結構和調(diào)節(jié)機制，耐冷菌體內(nèi)的酶能夠承受環(huán)境溫度的波動，菌株可在低溫環(huán)境下正常生長發(fā)育，是生物低溫處理廢水的“主力軍”，接種耐冷菌制成生物菌劑在低溫條件下運作厭氧反應器并研究其脫氮能力，在脫氮工程上具有重要意義。賁岳等在活性污泥中接種耐冷菌并投入生活污水中，控制溫度在6～10℃，污水中COD的去除率達到86.7%，保證了低溫農(nóng)村污水生物處理系統(tǒng)的有效運行。反硝化耐冷菌能在10℃以下降解苯二甲酸等水中難降解有機物，還有一些耐冷菌還能在低溫條件下降解甲苯、氯酚等難降解物。同時，接種耐冷菌在低溫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中有著積極的作用，例如，嗜冷產(chǎn)甲烷菌可加速微生物在污水厭氧反應器中的啟動時間。目前實驗人員對氨氧化古菌（AOA）的研究十分關注，這種特殊的古細菌能在低溫條件下能保持其活性，將AOA投入生物低溫處理工藝中可在脫氮工程中發(fā)揮巨大的功效，是今后需要考究的一個創(chuàng)新型方向。

2.1.2 微生物馴化 在低溫條件下，低溫微生物處理農(nóng)村污水具有良好的研究前景，但低溫微生物并不是在處理系統(tǒng)中大量單獨存在的，需要研究人員對其進行分離、篩選和鑒定，在中國應用最廣泛的就是微生物的馴化。馴化是將一種微生物群體在一定環(huán)境條件下長期培養(yǎng)使其傳代累積，最終獲取具有特定功能的微生物的一種育種手段。經(jīng)過馴化的微生物細胞膜內(nèi)組成、應激能力以及低溫酶調(diào)節(jié)等耐低溫性能得到強化，使得其在低溫條件下具有良好的代謝及沉降性能。根據(jù)大量的試驗得出，微生物在進行恰當?shù)牡蜏伛Z化后，脫氮工藝的各項去除指標將滿足排放需求且脫氮工藝能夠穩(wěn)定運行。通過選擇培養(yǎng)基對低溫微生物篩選并進行低溫馴化可得到高效菌種，李軍等分離出的高效降解硝態(tài)氮低溫菌降解濃度為300毫克/升NO3-_N，去除率可達到99.8%。

2.2 低溫脫氮工藝優(yōu)化

首先，針對傳統(tǒng)的低溫脫氮工藝進行優(yōu)化，傳統(tǒng)低溫脫氮工藝主要以自養(yǎng)好氧硝化-異養(yǎng)厭氧反硝化為理論機理建造的污水處理方案，對其進行工藝優(yōu)化的主要方式是通過對其脫氮工藝參數(shù)和工程技術進行優(yōu)化。例如延長污泥齡、增強水力停留時間和降低污泥負荷等參數(shù)調(diào)節(jié)，或?qū)Φ蜏鼐鷦┕潭ɑ幚硪约皩捬酢⑷毖豕ば騼?yōu)化調(diào)整等手段來改善脫氮效果。其次，研究和創(chuàng)新更高效、更穩(wěn)定的新型生物脫氮技術，并將其投入到處理工藝中。D.Y.Zhang等發(fā)現(xiàn)的低溫異養(yǎng)硝化—好氧反硝化菌相較于自養(yǎng)硝化菌具有在低溫條件下更耐受且啟動時間短、處理速度快等優(yōu)點。結合這類新型脫氮菌對污水處理工藝進行工程示范，既省去了厭氧階段額外投加碳源的費用，又能在低溫下穩(wěn)定運行。在我國新型生物脫氮工藝包括，改良自養(yǎng)好氧硝化—異養(yǎng)厭氧反硝化工藝、短程硝化反硝化脫氮工藝、厭氧氨氧化脫氮工藝，以及短程硝化與厭氧氨氧化相結合的自養(yǎng)脫氮工藝等。其中，改良自養(yǎng)好氧硝化—異養(yǎng)厭氧反硝化工藝包括倒置A2O、A2O+BAF工藝、兩段式MBBR工藝等，在5～15℃的條件下COD、TN、氨氮等指標均能達到國家一級A標準；短程硝化反硝化脫氮工藝反應歷程較短、運行成本更低，能有效避免過度曝氣及能耗變化帶來的種群結構惡化；厭氧氨氧化脫氮工藝具有節(jié)約能耗以及超高的處理效率，但因其對溫度較為敏感，需要對其低溫條件下的工藝進行改善；自養(yǎng)脫氮理論低溫脫氮將短程硝化與厭氧氨氧化相結合，除了具有兩者的優(yōu)點以外還具有產(chǎn)泥量小、排氣量少的優(yōu)點。

目前，許多研究結果表明，降低溫度會大幅延長生物脫氮過程的啟動時間，降低處理負荷和處理效率。但通過接種耐冷微生物、馴化等有效生物強化措施，以及研究工藝參數(shù)優(yōu)化和機理調(diào)配等工藝優(yōu)化方案，可以提高低溫廢水生物脫氮過程的效率和穩(wěn)定性。此外，利用基因工程手段以及建立數(shù)學模型措施對低溫生物脫氮研究也是行之有效的方法。我們目前研究的處理工藝很多都僅停留在實驗室階段，若能將實驗室得到的成果應用到實際工程之中，才是研究生物處理污水技術的終極目標，這一目標的實現(xiàn)也是對其在科研和社會價值上的肯定。