低溫對市政污水生物處理的影響及對策

張 濤，余 冉

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096)

活性污泥中的微生物種類/豐度和活性受季節(jié)變化影響大，以活性污泥為核心的污水生物處理工藝處理效率也隨季節(jié)的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。尤其是在溫度較低的冬季，活性污泥中的功能微生物會(huì)受到低溫的生長抑制影響[1-2]，出現(xiàn)微生物活性低、污泥膨脹、出水水質(zhì)氮磷含量不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象。研究表明，我國北方寒冷地區(qū)的污水生物處理工藝，在污水溫度低于13 ℃時(shí)，整個(gè)污水處理系統(tǒng)處理效率會(huì)下降50%左右；而在水溫低于4 ℃時(shí)，工藝的生物處理效果可忽略不計(jì)[3]。表1列舉了我國北方城市污水處理廠不同污水處理工藝冬春兩季的水溫情況，冬春季的平均水溫都低于15 ℃，最低水溫甚至達(dá)到了4.7 ℃。因此，保障冬季低溫市政污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

表1 我國北方地區(qū)不同污水處理工藝春冬兩季水溫[4]

1 低溫對活性污泥的影響

1.1 活性污泥微生物

1.1.1 低溫對污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

活性污泥主要由微生物細(xì)胞組成，同時(shí)吸附了污水中的各種有機(jī)物和無機(jī)顆粒?；钚晕勰嘀械奈⑸锓N類豐富，一般以細(xì)菌為主，還含有古細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等。它們能夠形成一個(gè)完整的食物鏈，利用廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)來維持群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。污泥處理工藝中，常見的優(yōu)勢菌門有變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和放線菌門(Actinobacteria)，以及許多未知菌種[5]。這些菌種在污泥中擔(dān)任的角色各不相同，如硝化螺旋菌門(Nitrospirae)與活性污泥法的硝化作用有緊密關(guān)系[6]，變形菌門和厚壁菌門(Firmicutes)與反硝化作用有關(guān)[7]，以及與污泥膨脹相關(guān)的腐螺旋菌科(Saprospiraceae)、黃桿菌科(Flavobacteriaceae)、四球蟲屬(Tetrasphaera)[8-9]等。

溫度是影響污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。Ju等[1]在長達(dá)4年研究中，發(fā)現(xiàn)許多功能菌屬豐度遵循季節(jié)變化規(guī)律，夏季硝化細(xì)菌——硝化螺旋菌屬(Nitrospira)和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)表現(xiàn)出更高的豐度，而冬季除磷菌——四球蟲菌屬(Tetrasphaera)、具有反硝化作用的副球菌屬(Paracoccus)、潛在的人類糞便細(xì)菌雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、多利亞菌屬(Dorea)和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)等的豐度表現(xiàn)得更高。季節(jié)變化在改變污泥微生物的種群豐度的同時(shí)可能會(huì)影響其功能基因的表達(dá)。Liu等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，硝化單胞菌和硝化螺菌分別是代表性的氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)，而這2種細(xì)菌的豐度在冬季下降并導(dǎo)致了氨氮去除率降低。同樣，樊柳[11]對武漢市多個(gè)污水處理廠取樣研究發(fā)現(xiàn)，同一水廠的暖季樣品的Chao和Ace指數(shù)(Chao和Ace指數(shù)反映菌群豐度，數(shù)值越大，物種總數(shù)越大)高于冷季，而Simpson指數(shù)(Simpson指數(shù)反映種群多樣性，Simpson指數(shù)值越小，表明物種越豐富)卻具有一致性，這表明低溫只會(huì)使得污泥微生物菌群豐度減小，而對污泥微生物種群多樣性幾乎沒有影響。

污水處理工藝在冬季低溫環(huán)境下經(jīng)常發(fā)生污泥膨脹[12-13]，污泥群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和污染物的去除效率都會(huì)受到負(fù)面影響。污泥膨脹一般分為污泥絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹，其中非絲狀菌膨脹又分為菌膠團(tuán)污泥膨脹和菌膠團(tuán)解體污泥膨脹。低溫下的非絲狀菌膨脹一般是菌膠團(tuán)污泥膨脹，這種污泥膨脹可以通過改善活性污泥的組成，或調(diào)整適當(dāng)回流比、溶解氧、混合液懸浮固體濃度(MLSS)等參數(shù)進(jìn)行控制[14]。端正花等[9]對冬季鄭州某污水處理廠發(fā)生的污泥膨脹現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理研究，利用高通量測序技術(shù)對1月—4月及12月發(fā)生污泥膨脹的污泥樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腐螺旋菌科和黃桿菌科的絲狀菌在低溫下的過度增殖是污泥膨脹的主要成因。高春娣等[15]發(fā)現(xiàn)在14 ℃的低溫下SBR反應(yīng)器的污泥絲狀菌膨脹，污泥沉降性能明顯惡化，污泥中特定菌群絲狀菌群的豐度由0.49%變化至26.04%，而脫氮菌群和除磷菌群的豐度則相對減少。

1.1.2 低溫對污泥微生物活性的影響

微生物的活性一般指微生物的新陳代謝的速率，即污泥微生物細(xì)胞與污水之間的能量和物質(zhì)交換，以及污泥微生物細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)變。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，微生物的新陳代謝速率會(huì)下降從而導(dǎo)致其活性降低。已有研究顯示，低溫對微生物活性的影響因素包括以下幾點(diǎn)[16-22]。(1)膜的流動(dòng)性。微生物細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)是磷脂雙分子層，這種結(jié)構(gòu)需要保持適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，以保證基本膜蛋白的滲透性和活動(dòng)。常溫下的磷脂雙分子層是液晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，而溫度降低會(huì)使其向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變，細(xì)胞膜因不能保持流動(dòng)性而喪失物質(zhì)交換功能。(2)維持低溫下蛋白質(zhì)的合成和產(chǎn)生以及維持酶催化反應(yīng)的速率。低溫條件下，分子內(nèi)氫鍵增加導(dǎo)致酶的折疊增加，且單個(gè)酶分子合成減少，降低了酶催化反應(yīng)速率，最終引起蛋白質(zhì)合成速率的下降。(3)冷適應(yīng)蛋白及其作用機(jī)制。低溫微生物為了應(yīng)對溫度的突然降低，會(huì)在體內(nèi)合成冷適應(yīng)蛋白來適應(yīng)溫度的變化。(4)防凍機(jī)制。適應(yīng)低溫的微生物能夠產(chǎn)生相容性溶質(zhì)(甘氨酸、甜菜堿、甘油、海藻糖等)，這些溶質(zhì)能夠在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累，在不影響細(xì)胞活動(dòng)的同時(shí)，使細(xì)胞免于低溫傷害。

1.2 活性污泥理化性質(zhì)

1.2.1 低溫對活性污泥絮體結(jié)構(gòu)的影響

活性污泥絮體的粒徑分布、結(jié)構(gòu)和密度是控制活性污泥固液分離性能的最重要物理參數(shù)。污泥絮體大、密度高將有助于污泥快速沉降，并且使泥水分離后上清液渾濁度低。污泥絮體結(jié)構(gòu)受多種因素影響，如pH、Zeta電位、胞外聚合物(EPS)含量、絲狀菌數(shù)量等。弱穩(wěn)定的絮體結(jié)構(gòu)遇到剪切力作用時(shí)，容易在活性污泥水處理過程中分解，導(dǎo)致污水中的細(xì)小顆粒和游離態(tài)細(xì)菌數(shù)量增加。進(jìn)一步過程中，活性污泥不可避免地在水處理系統(tǒng)中各工段中會(huì)遇到因曝氣、泵輸送、脫水等產(chǎn)生的剪切力作用，污泥絮體往往會(huì)被分解成更小的顆粒，從而不利于泥水分離。而出水中30%的化學(xué)需氧量(COD)和50%～80%的磷都與粒徑大于0.1 μm的顆粒相結(jié)合[23]，低溫對絮體的影響間接導(dǎo)致了出水水質(zhì)下降。

冬季水溫較低時(shí)，活性污泥絮體的絮體結(jié)構(gòu)一般較弱，這使得污水中的懸浮固體濃度較高[24]。Koivuranta等[25]發(fā)現(xiàn)絮體的形成與進(jìn)水水質(zhì)沒有明顯關(guān)聯(lián)，而受水溫影響極大，具有明顯的季節(jié)性特征。夏季的污泥絮體通常個(gè)體大，形狀較圓，絲狀菌數(shù)量少，且小顆粒數(shù)量較少，而冬季污泥絮體的以上相關(guān)參數(shù)與夏季相反。造成這一差異的原因可能是低溫促進(jìn)了絲狀菌生長，致使污泥絮體中的絲狀菌數(shù)量增加。包含大量絲狀菌的絮體對剪切作用的敏感性更高，絮凝強(qiáng)度也降低，極易發(fā)生大規(guī)模破碎[26-27]。破碎后的絮體尺寸變小，同時(shí)小顆粒數(shù)目增加，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。

1.2.2 低溫對污泥絮體沉降性能的影響

污泥的沉降性能和松散程度一般用污泥容積指數(shù)(SVI)來衡量，過高的SVI會(huì)降低污泥沉降性能和脫水效果。污泥沉降性能的季節(jié)變化特性在污水處理廠中較為常見，SVI通常在冬季會(huì)遠(yuǎn)高于夏季，并且這一現(xiàn)象有時(shí)會(huì)伴隨著污泥中絲狀菌豐度的增加[28]。此外，冬季污水處理廠為彌補(bǔ)污水處理系統(tǒng)低溫除磷的不足，經(jīng)常會(huì)利用鐵鹽進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化除磷。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)這一舉措提高了污泥中的鐵濃度，會(huì)對污泥沉降性能和壓實(shí)性能產(chǎn)生負(fù)面影響[24]。

污泥的表面性質(zhì)(疏水性、表面電荷)和EPS的組成也會(huì)影響污泥的生物絮凝性能，EPS的含量與污泥的沉降性能SVI呈正相關(guān)性[29-30]。EPS是細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，主要由多糖、蛋白質(zhì)、核酸等高分子物質(zhì)構(gòu)成，是污泥絮體中的第三大成分，僅次于細(xì)胞和水[31]?；钚晕勰嘟M成會(huì)隨著季節(jié)變化而變化，在冬季時(shí)受低溫影響，污泥中的EPS含量達(dá)到全年最高[32-33]。崔迪[4]在對寒區(qū)污水處理系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn)，限制微生物合成多糖的限制酶EC 1.1.1.22(UDP-glucose 6-dehydrogenase，UGD)在冬季豐度達(dá)到最高，細(xì)菌利用多糖可以合成更多的EPS，這一定程度上解釋了冬季污泥中EPS含量偏高的現(xiàn)象。

2 低溫市政污水生物處理強(qiáng)化技術(shù)及運(yùn)行調(diào)控策略

對于絕大部分市政污水生物處理工藝來說，低溫會(huì)影響到其脫氮除磷效率但對COD的去除效率影響不大。故在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中，當(dāng)污水溫度低于12 ℃時(shí)，對總氮和氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了適當(dāng)放寬。

2.1 低溫脫氮

傳統(tǒng)的生物脫氮途徑一般包括硝化和反硝化兩個(gè)階段，分別由硝化菌和反硝化菌主導(dǎo)完成。低溫對脫氮的影響主要體現(xiàn)于對硝化和反硝化作用的抑制。常溫硝化菌群的最適溫度為30 ℃，世代時(shí)間約為15 h，而在低溫5 ℃時(shí)則延長為200 h[34]，故其硝化作用基本停止，而當(dāng)溫度低于4 ℃時(shí)，懸浮生長的污泥中可能不存在硝化菌[35-36]。同樣，低溫下的反硝化細(xì)菌，生長代謝速率降低，而且由于低溫會(huì)使水中溶解氧(DO)增加，分子態(tài)的氧與硝酸鹽競爭優(yōu)先充當(dāng)反硝化細(xì)菌的電子受體，抑制硝酸鹽的還原，降低反硝化速率。

許多學(xué)者從環(huán)境中馴化篩選嗜冷菌，并驗(yàn)證它們在低溫下處理污水的能力。盛曉琳等[37]在低溫(10 ℃)下馴化低溫硝化污泥，經(jīng)過菌種富集之后，污泥中的硝化桿菌屬和亞硝化單胞菌屬的相對豐度提高了43倍和42倍，在面對低溫影響時(shí)，該硝化污泥能夠在5 d內(nèi)，將氨氮去除率升至99%。孟盈盈[38]從北極海洋沉淀物中篩選出多株反硝化細(xì)菌構(gòu)建混合菌群，發(fā)現(xiàn)其在10 ℃下，48 h內(nèi)可將初始質(zhì)量濃度為60 mg/L的氨氮完全去除。伍海全等[39]篩選馴化了嗜冷性微生物菌群并形成活性污泥處理水溫為5、10、15 ℃的人工污水，結(jié)果表明COD去除率能夠達(dá)到95%以上，氨氮去除率能夠達(dá)到85%以上，且出水能夠達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級A標(biāo)準(zhǔn)。唐美珍等[40]從人工濕地的底泥中分離出黃假單胞菌，其能夠在16 ℃下，對模擬生活廢水中的COD、氮、磷達(dá)到較高的脫除效果。李曉亮[41]從北極海洋沉積物中分離出多株低溫硝化細(xì)菌，利用其構(gòu)建混合菌群在15 ℃下處理廢水48 h能夠獲得91.7%的氨氮去除率。

研究表明，嗜冷氨氧化細(xì)菌在0～5 ℃時(shí)，氨氮的去除作用并不明顯；而在8～10 ℃時(shí)，能夠保持較高的硝化速率[42]。王思萌等[43]在以短程硝化反硝化-厭氧氨氧化一體化工藝(SPN/A)為主體的序批式活性污泥(SBR)反應(yīng)器中，15 ℃的低溫反應(yīng)條件下定期投加短程硝化污泥，發(fā)現(xiàn)該方法能夠增強(qiáng)AOB和厭氧氨氧化菌的豐度及活性，抑制NOB活性，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的低溫氨氮處理能力。

好氧顆粒污泥(AGS)技術(shù)具有沉降性能好、生物活性高、耐沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。Jiang等[44]利用序批式氣提反應(yīng)器(SBAR)在低溫(8 ℃)下快速造粒，系統(tǒng)運(yùn)行10 d能夠觀察到緊致污泥顆粒，25 d能夠穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)穩(wěn)定后的氨氮去除率能夠達(dá)到99%以上。

通過載體的利用可以固定富集嗜冷菌，從而保證污水生物處理系統(tǒng)中的低溫菌生物量，避免因直接投加造成的菌株流失和菌株適應(yīng)等問題，以提高污水在低溫條件下的處理效能。鄭志佳等[45]為解決移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝在冬季出水氨氮不達(dá)標(biāo)問題，向生化池好氧區(qū)投加懸浮載體，低溫條件下仍然能夠保持硝化菌群數(shù)量，達(dá)到延長泥齡的目的，使得出水氨氮達(dá)標(biāo)。

2.2 低溫除磷

生物除磷需要保證充分的有機(jī)碳源。雖然低溫對聚磷菌的生長速率影響不大，但是會(huì)降低大分子有機(jī)物的水解速率，導(dǎo)致易受聚磷菌降解的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)等小分子產(chǎn)物含量降低，從而間接減緩微生物好氧釋磷作用。

在傳統(tǒng)活性污泥法AAO工藝中，除磷的唯一方法是從二沉池排放剩余污泥，遇到溫度降低時(shí)，工藝的除磷能力明顯不足。為了增強(qiáng)傳統(tǒng)AAO工藝的低溫除磷效果，Li等[46]對AAO工藝進(jìn)行了改進(jìn)。他們在缺氧池和好氧池之間增加一個(gè)中沉池，專門進(jìn)行硝化和釋磷。并在二沉池后端連接一個(gè)厭氧釋磷池，污泥釋放磷后活性會(huì)表現(xiàn)得更高，將其回流至前端好氧池，能夠更好地去除污染物，尤其是磷。與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的AAO工藝對磷的去除效率從56.0%增至93.3%。

雖然低溫一般會(huì)導(dǎo)致磷去除率下降，但也有研究人員發(fā)現(xiàn)低溫會(huì)促進(jìn)磷的去除。Erdal等[47]在研究生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)(EBPR)時(shí)發(fā)現(xiàn)，水溫由20 ℃降至10 ℃，生物除磷能力會(huì)下降，而降至5 ℃時(shí)，生物除磷能力反而會(huì)有所提高。Whang等[48]和Panswad等[49]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論，低溫會(huì)對除磷有一定的促進(jìn)效果。他們認(rèn)為這是由聚磷酸鹽微生物(PAOs)和糖原累積微生物(GAOs)之間的相互競爭引起的，PAOs能夠在低溫下優(yōu)先利用VFAs等有限碳源進(jìn)行除磷，而當(dāng)溫度升高，GAOs會(huì)搶奪碳源抑制PAOs的生物除磷反應(yīng)。

2.3 低溫污水處理工藝的改造與運(yùn)行調(diào)控

表2列舉了多種污水處理工藝的低溫改造和運(yùn)行調(diào)控措施，工藝的提標(biāo)改造措施除了優(yōu)化原有工藝運(yùn)行模式，多數(shù)都在原工藝的生物處理部分添加了填料，利用填料形成生物膜保留生物量的特性，增強(qiáng)低溫環(huán)境下對氮、磷的去除能力。通過向生物反應(yīng)池內(nèi)投加載體實(shí)現(xiàn)污水降解效果提高的工藝有很多，代表性工藝有挪威的KMT工藝(將圓柱狀KMT聚乙烯塑料載體與生物流化床相結(jié)合的污水處理技術(shù))、美國的Captor工藝(利用聚氨酯泡沫為生物膜載體的污水處理技術(shù))、Biofor工藝(利用曝氣生物濾池內(nèi)的填料附著生物膜的污水處理技術(shù))、德國的Linpor工藝(利用聚氨酯泡沫塊作為填料的生物流化床工藝，載體尺寸比Captor工藝的小)和IFAS工藝(活性污泥法與生物膜技術(shù)相結(jié)合和污水處理技術(shù))等。其中，IFAS工藝在國內(nèi)研究較為成熟，在北方污水處理中也發(fā)揮了顯著效果[50-51]。

表2 低溫污水處理工藝的改造與運(yùn)行調(diào)控

3 總結(jié)

低溫條件會(huì)導(dǎo)致市政污水生物處理系統(tǒng)氮、磷去除率下降，為克服現(xiàn)有問題，研究者們提出馴化篩選低溫菌、工藝改良等技術(shù)研究，但目前仍然存在不足：(1)對嗜冷菌的研究多停留在小試試驗(yàn)基礎(chǔ)，缺少中試及實(shí)際工程的應(yīng)用研究；(2)對單一嗜冷菌的處理效果研究較多，而對復(fù)合菌種協(xié)同處理效果和機(jī)理的研究較少；(3)多數(shù)研究角度都是從污泥的物理性質(zhì)和污泥組分的變化出發(fā)，而更深入的角度，如微生物酶、功能基因等研究較少。

與嗜冷菌的開發(fā)相比，對低溫污水生物處理工藝的改進(jìn)與調(diào)控策略的研究與工程應(yīng)用成效更為顯著。其中，基于生物膜技術(shù)的組合工藝因其能夠在低溫下保持較高的生物量和較好的處理效果，在未來的低溫污水處理研究中可能更具有發(fā)展前景。