廢水生物脫氮低溫反硝化研究進展

張 瑞，周后珍，陳茂霞，趙仕林，譚周亮

(1.四川師范大學化學與材料科學學院，成都 610068;2.中國科學院成都生物研究所，成都 610041)

1 引言

氮的超標排放是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因，水體中氮污染的控制直接關(guān)系著國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。生物脫氮由于其相對于理化法有較高的經(jīng)濟效益［1］，是最常用的有效脫氮方法。生物處理中氮的去除主要是通過硝化和反硝化等過程。其中，反硝化效率的高低是廢水生物脫氮效果優(yōu)劣的關(guān)鍵。微生物反硝化是一系列酶催化下的脫氮反應(yīng)，受多種因素的影響［2］，包括廢水的溫度、溶解氧、pH值、外部碳源、微量元素等，其中，溶解氧、pH值等都可以通過工藝調(diào)節(jié)，使其達到反硝化的適宜條件。而水的比熱容很高，溫度對微生物反硝化的影響很難消除［3］。有研究發(fā)現(xiàn)，在不提高水溫的情況下，僅改變其他操作參數(shù)，在一定時間內(nèi)系統(tǒng)的脫氮性能并沒有顯著提高，該研究甚至得出結(jié)論認為低溫下反硝化過程受到抑制雖然可能存在其他因素，但主要還是受溫度限制［4］。

溫度是微生物反硝化的一個重要限制因素。本文從低溫對微生物反硝化處理效果的影響、低溫對反硝化微生物的影響機制以及低溫下反硝化效果的強化策略等方面的研究展開綜述，并提出了可能的研究方向，以期為微生物低溫反硝化進一步的機理研究與技術(shù)強化提供參考。

2 低溫對微生物反硝化效果的影響

一般認為，反硝化細菌的最適宜溫度為30℃［5］，隨著溫度的降低，反硝化速率下降。當溫度低于15℃時，反硝化速率明顯降低;低于5℃時，反硝化作用將停止。研究認為［6，7］，在生物處理工藝中，10℃以下的低溫對反硝化過程抑制作用非常大。有研究甚至認為［5］，在整個脫氮過程中，溫度對反硝化的影響比對普通生物處理的影響更大。更有研究認為，反硝化是一個受溫度決定的生物過程［8，9］。

溫度影響反硝化微生物的反硝化速率。?IMEK M［10］等將具有反硝化能力的樣品在4℃ ±2℃的低溫保存1周后，發(fā)現(xiàn)其反硝化能力顯著下降。延長保存時間 (最長為24周)，其反硝化能力進一步下降至初始的38% ～54%。還有研究者［11］發(fā)現(xiàn)Pseudomonas mandelii菌在30℃下10h的硝酸鹽去除量約為 30μmol，而 10℃下下僅約為 6.6μmol。反硝化動力學研究表明，溫度每升高10℃，反硝化反應(yīng)速率增加一倍［12］，也有動力學分析認為溫度每降低1℃，反硝化速率降低9%［13，14］。

低溫影響反硝化反應(yīng)器的處理效果。CHROI EUISO等［15］對生物脫氮除磷系統(tǒng) (BNR)進行的研究發(fā)現(xiàn)，通過對BNR工藝模型的調(diào)控，即使在8℃的低溫條件下，該懸浮污泥系統(tǒng)的硝化效果仍可達到90%，而其反硝化速率僅為8g/kg·h，成為了脫氮的限制性因素，且該懸浮污泥系統(tǒng)在5℃下的反硝化速率僅為20℃下的10%。在碳源充足(C/N=8)的情況下，反應(yīng)器出水的硝酸鹽含量隨著溫度的降低而升高［16］，5℃下出水硝酸鹽含量比30℃下上升一倍。

另外，研究認為溫度對反硝化速率的影響與反硝化設(shè)備的類型［17］(微生物懸浮生長型或固著型)有關(guān)。低溫沖擊下，懸浮污泥、流化床及生物轉(zhuǎn)盤3種反硝化設(shè)備類型的反硝化效果均不同程度地受到低溫抑制，反硝化速率均有所下降。相比于生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器和懸浮污泥反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器的反硝化對低溫的敏感性明顯小得多。

3 低溫影響微生物反硝化的作用機理

低溫造成微生物反硝化效果和速率下降的原因是多方面的。目前，國內(nèi)外研究人員針對低溫下微生物反硝化過程，從低溫對反硝化條件、低溫對微生物本身的沖擊等展開了研究，已經(jīng)取得了較大的進展。

3.1 低溫影響微生物反硝化的條件

低溫影響反硝化反應(yīng)器內(nèi)溶解氧 (DO)濃度。研究者普遍認為反硝化微生物為缺氧菌，DO濃度超過0.5mg/L就會影響反硝化的正常進行。過高的溶解氧將阻抑細菌中硝酸鹽還原酶系統(tǒng)的合成，或充當電子受體，競爭性地阻礙了硝酸鹽氮的還原，從而不利于反硝化的進行［18］。也有研究認為氧氣對反硝化微生物本身并沒有抑制作用，而是電子受體(O2、，和)之間爭奪電子的能力存在差異，通常O2接受電子的能力高于和。在溶解氧較高的條件下，和不易得到電子供體，因此難以被還原成。DO濃度與溫度成反比，溫度降低，廢水中DO的溶解度隨之增大，反應(yīng)器內(nèi)DO濃度增大。有研究發(fā)現(xiàn)，相同曝氣和環(huán)境溫度條件下，低溫運行的反應(yīng)器內(nèi)DO的濃度相比常溫運行的約高1.2mg/L［20］。

此外，溫度的降低還會導致傳質(zhì)速率及化學反應(yīng)速率下降，從而至使反硝化過程受到影響。

3.2 低溫對反硝化微生物的沖擊

作為廢水活性污泥處理中反硝化的功能主體，反硝化微生物對反硝化效率至關(guān)重要。有研究認為生物反硝化速率之所以受溫度的影響較大，是因為溫度既影響反硝化細菌的增殖速率又影響其活性［5］。

宏觀方面，研究表明，在活性污泥處理系統(tǒng)中，低溫下微生物的增殖速率減慢，其優(yōu)勢菌屬的種類及數(shù)量也產(chǎn)生變化［21］。反硝化菌群的組成受環(huán)境的影響，而反硝化菌群的構(gòu)成強烈影響反硝化速率［22，23］。溫度影響反硝化菌群的群落結(jié)構(gòu)［24］。低溫下，脫氮系統(tǒng)中Microthrix parvicella增長造成污泥膨脹和產(chǎn)生生物泡沫［25］。這些都造成低溫下脫氮系統(tǒng)的處理效果下降。

微觀方面，低溫會導致微生物進入停滯期，細胞結(jié)構(gòu)的改變及細胞質(zhì)流速下降 (剛性)和泄露。從而可能導致細胞的死亡，新陳代謝停止或不死亡但無法生長的狀態(tài)［26］。低溫影響微生物蛋白質(zhì)的合成及微生物DNA等遺傳物質(zhì)的合成及酶的轉(zhuǎn)錄［27］。有研究［11］以乙炔作為N2O還原酶抑制劑，分別在10℃、20℃、30℃下培養(yǎng)P.mandelii 2h后發(fā)現(xiàn)，20℃和30℃下，該菌cnorB(一氧化氮還原酶)的積累量分別為0h的9倍和94倍，而30℃下nirS(亞硝酸鹽還原酶)比20℃約大17倍;而10℃下，初始4h檢測不到P.mandelii菌cnorB和nirS基因的表達。低溫對反硝化基因的誘導和表達有不利的影響。

4 微生物反硝化的低溫強化策略

我國大部分地區(qū)冬季的氣溫較低，特別是北方地區(qū)，最低氣溫多在－30℃以下，冰凍期長達3～6個月，冬季平均污水溫度一般低于10℃，遠遠達不到反硝化的最適溫度。如何尋求有效途徑，克服低溫對反硝化的影響，是我國大部分污水處理廠面臨的嚴峻問題。國內(nèi)外許多研究者都針對這一難題做了多方面研究，主要是從工藝的優(yōu)化和改造、工藝參數(shù)優(yōu)化及生物強化3個方面進行。

4.1 工藝優(yōu)化與改造

4.1.1 投加填料

研究發(fā)現(xiàn)添加填料后，溫度對微生物反硝化效果的影響下降。WELANDER U等人［28］采用懸浮填料生物膜法進行低溫 (3℃ ～20℃)脫氮研究。結(jié)果表明，溫度對填充填料的反應(yīng)器的反硝化速率影響較小。15℃下每天的最大反硝化速率可達2.7g/m2，3℃時的反硝化速率可達到15℃下的55%。有研究在利用反硝化過程處理有機廢水時也發(fā)現(xiàn)，溫度對懸浮生長的反硝化污泥的影響更明顯［23］。反硝化設(shè)備中填料類型不同，其反硝化速率受溫度影響程度也有一定的差別［29］。Welander U，Henrysson T等人在10℃ ～26℃下，采用了兩種比表面積不同的懸浮填料對城市垃圾填埋場的垃圾滲濾液進行脫氮處理，兩者均可取得較好的反硝化速率，但比表面積較大的填料可獲得更高的反硝化速率［30］。

將傳統(tǒng)活性污泥法升級改造為懸浮填料生物膜法［31］，能顯著提高污水處理廠的處理能力。實際污水處理中有大量數(shù)據(jù)表明，低溫下懸浮填料生物膜法的脫氮效果顯著［32，33］。故可根據(jù)需要，選取合適的填料進行投加以加強低溫下的反硝化效果。

4.1.2 包埋技術(shù)

包埋技術(shù)是強化低溫下微生物反硝化效果的一種有效措施。相對于未包埋反硝化菌，采用PVA包埋的反硝化菌進行廢水脫氮的最適宜pH值及溫度未變，但在低溫 (10℃)下，包埋菌具有更強的耐受性和更好的脫氮效果［34］。LENKA VACKOVA等［3］對副球菌屬反硝化菌進行包埋，在10℃下處理50mg/L的硝酸鹽氮人工污水，7h可達標，且亞硝酸鹽積累較少。

投加填料和包埋處理都能夠減弱低溫對反硝化的沖擊，是低溫下強化生物反硝化效果及應(yīng)對低溫對反硝化效果沖擊時可采取有效措施。

4.2 操作參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 控制反應(yīng)池溫度

目前，各污水處理廠主是要通過保溫和加熱等措施以控制反應(yīng)池溫度。

為避免風力造成反應(yīng)池水溫大幅降低，設(shè)置防風措施及添加表面覆蓋是我國污水處理廠目前采取的主要保溫措施。也有研究者針對污水處理廠水溫變化進行的動態(tài)模型的設(shè)計的和優(yōu)化，以用于設(shè)計過程中的定量計算，以期及時應(yīng)對從而減少氣溫突降造成的水溫下降以及減弱水溫下降對處理設(shè)施的影響［6］。

現(xiàn)階段普遍采用的升溫措施是提高鼓風機進風溫度，通過將冷空氣加熱來提高反應(yīng)池水溫。

4.2.2 控制溶解氧

溶解氧對反硝化的抑制作用非常大。冬季運行的污水處理廠 (最低水溫小于10℃)，DO控制于0.5mg/L以下，仍可取得較好的反硝化效果，TN去除率可達 63%［14］。

低溫下反硝化的強化可通過控制溶解氧來實現(xiàn)。

4.2.3 增大污泥濃度 (混合回流比)

水溫和污泥齡對污泥增長量的影響呈明顯相關(guān)性［17］。冬季反硝化系統(tǒng)運行時，為彌補低溫對脫氮效果的影響，可適當加大回流比，延長泥齡，增加反硝化菌的總量，以提高脫氮效率。實際城鎮(zhèn)污水處理廠調(diào)查表明［14］，回流比控制在2～3，可取得較好的反硝化效果。

4.2.4 降低硝酸鹽負荷

當硝酸鹽負荷較低時，溫度對反硝化速率的影響較小，而硝酸鹽負荷較高時，溫度對反硝化速率的影響顯著。即使在3℃的低溫下，控制較低的硝酸鹽負荷仍可達到良好的脫氮效果［35］。

低溫下，污水處理廠可以采用降低硝酸鹽負荷或增加水力停留時間等措施來獲得較好的反硝化效果。

4.2.5 投加碳源

C/N比對反硝化過程很重要，充足的外碳源可以有效提高低溫反硝化速率。此外，外加碳源的類型不同也會影響反硝化的速率。研究發(fā)現(xiàn)［36］，13℃下以甲醇、乙醇和乙酸作為外加碳源對低溫反硝化速率均有不同程度的提高。WELANDER U，HENRYSSON T等人［30］以甲醇作為外加碳源，最佳工藝條件下，17℃時無機氮去除率可達100%，總氮去除率約為90%。以聚丁二酸丁二醇酯 (PBS)作為外加碳源［37］，隨著溫度的降低，雖然反硝化速率有所下降，但與未投加外加碳源的反應(yīng)器相比，其反硝化效果仍維持在較高的水平。殷芳芳，王淑瑩等［38］利用 Carrousel氧化溝系統(tǒng)的活性污泥，投加不同的碳源研究其對低溫反硝化的促進能力，其結(jié)果也表明外加碳源能顯著提高低溫下反硝化速率。

低溫條件下，特別是在低溫低碳源的條件下，強化城鎮(zhèn)污水處理廠的低溫生物脫氮效果可考慮采用投加碳源的措施［39］。

4.3 生物強化

4.3.1 投加低溫菌種

低溫微生物主要是指嗜冷菌和耐冷菌，其中耐冷菌更能適應(yīng)溫度波動，溫度適宜范圍較寬，更適用于污水處理［40］。分離篩選低溫下相對高效的工程菌應(yīng)用于生物處理，能更好地解決低溫污水生物處理效果差的難題。

耐冷微生物篩選是目前低溫污水處理的研究熱點。國內(nèi)外已有大量低溫菌篩選的研究成果，如利用分離到的低溫菌分解各種石油烴類污染物、人工合成的表面活性劑，脫氮除磷，去除COD等。針對低溫反硝化菌的篩選，國外有研究報道分離出一株反硝化耐冷菌可以在低于10℃的條件下利用硝酸鹽作為電子受體降解鄰苯二甲酸二丁基酯［41］，我國的李軍等人分離出的耐冷反硝化菌15℃下，對含138mg/L硝酸鹽氮的培養(yǎng)基3d硝酸鹽去除率可達51.6%，7d能達到99.3%，在低溫下表現(xiàn)出了良好的反硝化性能［42］。

目前將低溫反硝化菌投加到生物脫氮系統(tǒng)，強化和提高低溫反硝化脫氮效果的相關(guān)研究還較少，可以作為今后研究的一個重要方向。

4.3.2 馴化

馴化是人為的在某一特定環(huán)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(fā)突變體的一種古老育種方法。馴化使微生物體內(nèi)的酶和細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。微生物的馴化是脫氮工藝運用到低溫環(huán)境中的重要措施［43］，DEREK MARTIN，JANIM.SALMINEN 等人在強化養(yǎng)殖場低溫 (6℃ ±2℃)脫氮時，在外加碳源的存在下，經(jīng)馴化幾個星期后硝酸鹽氮的去除率可達到95% ～100%［44］。

大量研究表明［45，46］，通過適當?shù)鸟Z化策略，經(jīng)歷一定的時間，脫氮工藝在低溫下可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行，但目前針對厭氧氨氧化、短程硝化反硝化等方面低溫馴化的研究較多，有關(guān)低溫反硝化馴化的相關(guān)報道還較少。

5 總結(jié)與建議

目前低溫生物反硝化研究已經(jīng)引起眾多學者的關(guān)注。很多研究結(jié)果表明，溫度降低導致反硝化菌活性下降、處理負荷和處理效率大幅降低。我國常規(guī)的污水處理廠針對冬季低溫污水生物處理效果差的問題，為了保證低溫下污水處理廠出水能夠達到國家排放標準，目前一般多采用降低污泥負荷、增加污泥回流量、增加污水停留時間、對構(gòu)筑物進行保溫等措施來提高處理效果［47］，但這無疑會增加基建和運行費用，并且處理效果難以保證，還經(jīng)常引起污泥膨脹等問題。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，建議可以低溫脫氮工藝未來的研究可以圍繞下面幾點展開:

(1)耐冷反硝化菌的篩選。耐冷菌的篩選已經(jīng)成為現(xiàn)代污水生物處理的研究熱點，但目前針對低溫反硝化的主要是好氧菌是篩選，常規(guī)低溫反硝化菌的篩選研究還較少，可以加強該方面的研究，并可將分子生物學技術(shù)應(yīng)用于耐冷反硝化菌的篩選，將篩選出的菌種進行富集培養(yǎng)，用作接種物或者投加菌種，并建立菌群動態(tài)變化指示系統(tǒng)，指導低溫脫氮系統(tǒng)的調(diào)控。

(2)低溫對反硝化菌群的沖擊影響研究。目前有關(guān)低溫對污水處理微生物影響的研究主要是針對好氧活性污泥的，有關(guān)低溫對反硝化菌群的組成、對反硝化菌群功能和特性的影響等方面的研究還較少，可以利用分子學手段，對低溫沖擊下反硝化處理單元微生物種群結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進行研究，以更好地指導低溫下反硝化工藝的調(diào)控與強化技術(shù)的研究。

(3)目前有關(guān)低溫沖擊下反硝化菌對低溫的響應(yīng)機制、低溫對反硝化菌的生理特性的沖擊影響方面等的研究還較少?？梢岳梅肿訉W檢測手段，對低溫沖擊下，反硝化微生物功能基因的表達變化情況、關(guān)鍵酶的動態(tài)變化規(guī)律等進行研究，用于指導低溫反硝化菌的篩選。

(4)深入研究低溫對反硝化工藝條件的影響，并聯(lián)合整個污水處理系統(tǒng)的其他處理單元，更好的指導低溫下反硝化及其他污染物處理的工藝調(diào)控。

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