低溫對生物方法凈化水質(zhì)的影響

■ 耿英慧張明 （ 上海保碩生物科技有限公司 華東師范大學(xué)）

低溫對生物方法凈化水質(zhì)的影響

■ 耿英慧1張明2（1 上海保碩生物科技有限公司 2 華東師范大學(xué)）

在集約化養(yǎng)殖模式下，水體有機(jī)污染嚴(yán)重，使用活菌制劑成了養(yǎng)殖戶的必然選擇?；罹苿┌ㄑ挎邨U菌、乳酸菌、酵母菌、光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌等，多數(shù)情況應(yīng)用于開放的池塘環(huán)境中，使用效果受到多種因素的影響，尤其低溫下的效果更是受到了廣泛的關(guān)注。但目前眾多企業(yè)對其產(chǎn)品低溫下使用劑量以及效果給出有效的數(shù)據(jù)支撐。

活菌制劑的菌株多分離篩選于自然環(huán)境，生物膜法水質(zhì)處理是通過水體中微生物富集生長于特定的載體上來凈化水質(zhì)的，兩者具有相似之處。因此本文通過低溫下生物膜法對黃浦江上游水體中氨氮處理效果，初步了解低溫下微生物活性的變化規(guī)律，以期對低溫下活菌制劑的應(yīng)用提供一點(diǎn)參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

上海RW原水廠

1.2 試驗(yàn)工藝流程

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示，主要設(shè)備如下：空氣壓縮，機(jī)型號VW-0.5/9-SA，南京某機(jī)電有限公司；壓縮機(jī)油水塵分離器，型號YSCFG-1.0/1.0，南京某機(jī)電有限公司；立式離心泵，上海某給水工程有限公司；加氨泵，型號ES-B10VC-230N1，日本；轉(zhuǎn)子流量計(jì)，LZB-10，浙江余姚。

1.3 生物處理池設(shè)計(jì)參數(shù)

生物處理柱直徑400mm，柱內(nèi)水深4m，填料為聚苯乙烯白色球形，粒徑8～10mm，密度0.02 g/m3，填料堆積高度為2m，曝氣區(qū)高度800mm，濾柱底部設(shè)穿孔管曝氣系統(tǒng)，孔徑2mm，氣水同向流。

1.4 試驗(yàn)運(yùn)行工況和水質(zhì)條件

水力負(fù)荷為8m3/m2·h（HRT=30min），氣水比為0.5。試驗(yàn)期間原水氨氮濃度在2.27～1.50mg/L，平均為1.68mg/L，CODMn在5～7mg/L范圍波動(dòng)，進(jìn)水溶解氧5mg/L以上，進(jìn)水pH均值7.55，進(jìn)水濁度均值56.38。

1.5 試驗(yàn)指標(biāo)的分析測定

1.5.1 試驗(yàn)水質(zhì)分析項(xiàng)目與測定方法

試驗(yàn)期間氨氮、CODMn均采用每6h取生物處理池進(jìn)出水即時(shí)樣，置于4℃冰箱中保存，混合后進(jìn)行水質(zhì)分析，其余指標(biāo)為即時(shí)樣測定。常規(guī)指標(biāo)測定項(xiàng)目與測定方法。水溫，水銀溫度計(jì)；流量，轉(zhuǎn)子流量計(jì)；氨氮，0.45μm濾膜過濾，鈉氏試劑比色法；CODMn，酸性高錳酸鉀法；溶解氧，溶解氧儀（OXI330/SEF德國）。

1.5.2 填料干重采用烘干法

取一定的填料于103℃～105℃烘2h，干燥器內(nèi)恒重2h后稱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫對氨氮去除效果的影響

生物膜法處理原水主要是依靠附著于填料上的微生物的新陳代謝活動(dòng)而去除污染物的，因此凡是影響到微生物代謝活動(dòng)的因素，必然也對處理效果造成影響。在以硝化為主的原水生物預(yù)處理中水溫是影響硝化過程的一個(gè)主要因素。

從圖2中看出在水溫4.6℃～13.4℃范圍內(nèi)，氨氮去除率與水溫有線性相關(guān)，隨著水溫的降低，氨氮去除率也逐漸降低。

圖1 試驗(yàn)工藝流程

圖2 水溫與氨氮去除率的關(guān)系

在8.4℃～13.4℃范圍內(nèi)氨氮去除率基本都在80%以上，平均為83.7%，與20℃以上的常溫下的處理效果（HRT=30min，原水氨氮平均為1.62mg/L，平均去除率為84.5%）并無太大差距，這表明對該生物處理系統(tǒng)而言8.4℃以上的水溫對氨氮的處理效果不構(gòu)成太大的影響，從而也不影響系統(tǒng)工藝的正常運(yùn)行。但水溫在8.4℃以下時(shí)，氨氮的去除率受溫度的影響明顯加劇，降低幅度大，8.4℃～6℃氨氮去除率平均約為66.2% ，比20℃以上的常溫下處理效率平均降低了17.5個(gè)百分點(diǎn)，6℃～4.6℃氨氮去除率平均約為43.0%，比20℃以上的常溫下平均降低了40.7個(gè)百分點(diǎn)，在8.4℃～4.6℃范圍內(nèi)溫度每降低1℃，氨氮去除率降低約10個(gè)百分點(diǎn)，這說明在本試驗(yàn)的條件下8.4℃左右存在著一個(gè)對生物膜活性產(chǎn)生巨大影響的溫度點(diǎn)。

Focht D.D.和 Verstraete W認(rèn)為低于15℃硝化速率明顯下降，在12℃時(shí)降低約50%，張東等以YDT波紋彈性填料的低溫試驗(yàn)結(jié)果為水溫在10℃以上時(shí)，生化池氨氮平均去除率在60%左右，水溫對氨氮的平均去除率無明顯的影響；水溫降到10℃以下，生化池氨氮的平均去除率在37%～41%。本試驗(yàn)的結(jié)果與這些觀點(diǎn)有些不同，這些差別可能與填料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、原水水質(zhì)或水體微生物種類有關(guān)。

試驗(yàn)期間有一段時(shí)間水溫有所回升至6℃～8.4℃，氨氮去除率平均約為65.7% ，與此范圍內(nèi)溫度下降時(shí)平均氨氮去除率66.2%相比處理效果相差不大，活性的恢復(fù)過程是很快的。這進(jìn)一步說明低溫對生物處理系統(tǒng)的影響不是使生物膜上生物量的減少或低溫導(dǎo)致其死亡，而是使硝化細(xì)菌生物活性降低。

2.2 生物膜耗氧速率比較

耗氧速率是在相同的環(huán)境條件（溫度，pH等）下，單位重量的生物膜在單位時(shí)間內(nèi)對溶解氧的消耗量，可以反映生物膜活性的強(qiáng)弱。本試驗(yàn)在其它環(huán)境條件相同，不同溫度下對裝置下層（0.5m處）填料生物膜耗氧速率進(jìn)行了測定，結(jié)果如下圖，生物膜耗氧速率隨溫度的降低而減少，在低溫下6.5℃～3.4℃范圍內(nèi)生物膜上微生物對氧的利用率明顯降低，并且在這個(gè)溫度范圍內(nèi)耗氧速率的數(shù)值相差不大，為0.24～0.32mgO2/h·g干重填料左右，這說明在低溫下生物膜的活性明顯減弱。

3 低溫下提高水處理效果對策分析

低溫對生物處理系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響主要是通過微生物生化反應(yīng)速率和基質(zhì)的傳質(zhì)效率兩方面進(jìn)行的。

一方面由溫度與生化反應(yīng)速率之間的關(guān)系：

式中，rT：水溫T℃的生化反應(yīng)速率；r20：水溫20℃的生化反應(yīng)速率；

φ：溫度系數(shù)，一般取1.03

可知在水溫為10℃的生化反應(yīng)速率是在20℃時(shí)的74.4%。生化反應(yīng)速率降低主要是因?yàn)榈蜏叵旅富钚越档?，因而影響了對底物的催化效率?/p>

另一方面溫度對處理效果的影響還體現(xiàn)在基質(zhì)的傳質(zhì)效率上，水溫降低時(shí)水的粘度增大，致使底物在水和生物膜的擴(kuò)散阻力增大，導(dǎo)致底物的傳質(zhì)效率降低。以溶解氧為例，氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)與溫度的關(guān)系：

式中，KLa（T）：水溫T℃時(shí)氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，s-1；KLa（20）：水溫20℃時(shí)氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，s-1；φ：溫度系數(shù)，一般取1.024。

由公式可知溫度由25℃降為15℃時(shí)，氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)降低22%左右，由于溶解氧擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散速率成正比，所以水溫的降低會(huì)導(dǎo)致溶解氧擴(kuò)散速率下降。

基于上述理論分析和試驗(yàn)的結(jié)果，建議從以下5個(gè)方面優(yōu)化生物膜法系統(tǒng)改善低溫運(yùn)行效率，以及在水產(chǎn)養(yǎng)殖上提高活菌制劑低溫下凈水效果。

3.1 適當(dāng)提高水體溫度至系統(tǒng)最低有效溫度的限度之上

不同生物處理系統(tǒng)（或活菌制劑）有不同有效的下限溫度，通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)分析找出這個(gè)最低有效溫度，如本試驗(yàn)提及的關(guān)鍵溫度點(diǎn)8.4℃，適當(dāng)提高溫度是最直接有效的方式，但這在處理量達(dá)上百萬噸的原水來講是不可能實(shí)現(xiàn)的，而在溫棚對蝦養(yǎng)殖和工廠化養(yǎng)殖中可以通過覆蓋薄膜、加地?zé)崴蝈仩t加溫達(dá)到升溫目的。

3.2 維持微生物所需最佳營養(yǎng)、水質(zhì)環(huán)境

增加水體基質(zhì)濃度，有利于生化反應(yīng)的順利進(jìn)行。如提高溶解氧的濃度可以提高傳質(zhì)效率，可以加快硝化反應(yīng)速率，另外曝氣量的增加還可以減少生物膜上懸浮物的積累和老化生物膜的脫落，使生物膜處在最佳狀態(tài)。

在以硝化反應(yīng)為主的系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌在微堿性的環(huán)境中生長良好，對 pH 的變化反應(yīng)明顯，理論計(jì)算硝化細(xì)菌氧化 1mgN-NH3，需要消耗7.14mg 堿度，故適當(dāng)提高水體pH值和維持適宜的堿度，硝化細(xì)菌才能很好的發(fā)揮作用。

圖3 氨氮去除率和水溫隨時(shí)間變化曲線

圖4 不同溫度下的耗氧速率

水產(chǎn)養(yǎng)殖中潑灑類活菌制劑進(jìn)入水體后繁殖速度快慢，與水體的營養(yǎng)水平有很大的關(guān)系。如果水體營養(yǎng)成分單一或失衡，有些異養(yǎng)菌為主的活菌制劑繁殖會(huì)受到影響，此時(shí)應(yīng)向水體中適當(dāng)補(bǔ)充缺乏的營養(yǎng)才能達(dá)到更好的效果。如對于反硝化細(xì)菌，水體中 BOD5/TN＜3，需要補(bǔ)充碳源才能有較好的脫氮作用。

3.3 延長水力停留時(shí)間

延長水力停留時(shí)間包括減少進(jìn)水流量、降低水力負(fù)荷，使底物和生物膜有足夠長的接觸時(shí)間，有助于改善生物膜法系統(tǒng)低溫處理效果。

對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體而言應(yīng)減少換水量導(dǎo)致的活菌的流失。

3.4 增加生物處理系統(tǒng)的生物量

增加生物處理系統(tǒng)的生物量，低溫下微生物的活性降低，增加參與處理的微生物數(shù)量可以考慮選用表面積大的填料和增加填料層深度，有助于提高低溫下的效果。

活菌制劑也可以考慮活化或擴(kuò)大培養(yǎng)來增加生物量。

3.5 耐冷微生物篩選

近年來，低溫微生物在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用逐漸受到重視，吳迪等篩選的耐冷酵母在8℃，對模擬污水中的COD和有機(jī)氮等具有去除效果；李海礁等篩選出一株嗜冷芽孢桿菌，在15℃條件下對模擬污水和微污染水樣中有機(jī)質(zhì)降解率分別達(dá)到21.56%和50.14%。

Monrita認(rèn)為低溫微生物可以分為兩類，一類是最適生長溫度低于15℃，生長上限低于20℃，在0℃可生長繁殖的微生物為嗜冷菌；另一類是最適溫度高于15℃，生長上限溫度高于20℃，在0℃～5℃可生長繁殖的微生物稱為耐冷菌。我們要借助生物工程技術(shù)，從特定環(huán)境采樣、富集、分離出適合水產(chǎn)養(yǎng)殖和污水處理的耐冷菌，通過工業(yè)化生產(chǎn)、以生物強(qiáng)化的方式來放大低溫微生物的特性，進(jìn)一步提高低溫凈水效果。（參考文獻(xiàn)略）