低溫農(nóng)村污水生物脫氮技術(shù)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(fù)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(yīng)進而導(dǎo)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(shù)和微生物處理技術(shù)，相較于物化技術(shù)，微生物處理技術(shù)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(shù)因具有良好的處理效果和較低的運行成本而被廣泛應(yīng)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(dǎo)致微生物細(xì)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(dǎo)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(guān)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(xì)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(fù)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(fù)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(shè)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(yīng)將宏觀調(diào)控與微觀調(diào)控相結(jié)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(gòu)筑物進行改建或修建復(fù)雜的工藝建筑，節(jié)約基建投資；無需復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(guān)注，這種特殊的古細(xì)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(yīng)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(xì)胞膜內(nèi)組成、應(yīng)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(dāng)?shù)牡蜏伛Z化后，脫氮工藝的各項去除指標(biāo)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(shù)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(fù)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(shù)，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(jié)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(jié)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(biāo)均能達到國家一級A標(biāo)準(zhǔn)；短程硝化反硝化脫氮工藝反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(fù)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(xué)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(yīng)用到實際工程之中，才是研究生物處理污水技術(shù)的終極目標(biāo)，這一目標(biāo)的實現(xiàn)也是對其在科研和社會價值上的肯定。