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冬季脱氮效果不好的改进办法！

2022/2/16

生物脱氮对环境条件敏感，容易受温度变化影响。绝大多数微生物正常生长温度为20~35℃，低温会影响微生物细胞内酶的活性，在一定温度范围内，温度每降低10℃，微生物活性将降低1倍，从而降低了对污水的处理效果。工艺投入运行后，由于四季的交替和所处的地理位置影响，若不加以人工调控，温度很难保持适宜。而温度调控则会耗费大量的能源。

一、 低温对脱氮工艺的影响

温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。绝大多数微生物正常生长温度为20~35℃。温度主要是通过影响微生物细胞内某些酶的活性而影响微生物的生长和代谢速率，进而影响污泥产率、污染物的去除效率和速率；温度还会影响污染物降解途径、中间产物的形成以及各种物质在溶液中的溶解度，以及有可能影响到产气量和成分等。低温减弱了微生物体内细胞质的流动性，进而影响了物质传输等代谢过程，并且普遍认为低温将会导致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落发生变化。低温对微生物活性的抑制，不同于高温带来的毁灭性影响，其抑制作用通常是可恢复的。
硝化细菌
生物硝化反应可以在4~45℃的温度范围内进行。氨氧化细菌（AOB）最佳生长温度为25~30℃，亚硝酸氧化细菌（NOB）的最佳生长温度为25~30℃。
温度不但影响硝化菌的生长，而且影响硝化菌的活性。有研究表明，硝化细菌最适宜的生长温度为25~30℃，当温度小于15℃时硝化速率明显下降，硝化细菌的活性也大幅度降低，当温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止。大量的研究表明，硝化作用会受到温度的严重影响，尤其是温度冲击的影响更加明显。
由于冬季气温较低而未能实现硝化工艺稳定运行的案例较为常见。U.Sudarno等考察了温度变化对硝化作用的影响，结果表明，温度从12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但当温度下降至6℃时，硝化菌活性很低。
反硝化细菌
反硝化细菌生长的最佳温度为25~35℃，而我国冬季气温通常低于20℃，低温成为冬季微生物反硝化脱氮的限制性因素。目前关于反硝化细菌的研究主要集中于对硝酸盐去除能力的提高，对低温限制下低浓度硝酸盐水体中反硝化作用的研究仍然较少。JichengZhong等研究了太湖沉积物中的反硝化作用，经过数月的实验分析发现反硝化速率呈现季节性变化。
U.Welander等考察了低温条件下（3~20℃）反硝化工艺的运行性能，研究表明在3℃下反应器的反硝化速率仅为15℃下的55%。
二、冬季脱氮工艺运行的改进方法
1、加热
现行的解决办法非常有限，在我国部分北方城市常用的措施有：
(1) 曝气池、二沉池等池壁采用发泡保温板保温，外砌砖围护（炉渣、膨胀珍珠岩等填充）结构，池顶加盖等保温措施；
(2) 鼓风机一侧设空气预热室，将冬季-10～-20℃的冷空气预热到5～8℃；空气管道设置管廊，便于保温处理等。
(3) 适当加热污泥，包括回流污泥；
(4) 用热蒸汽给进入曝气池的污水加热。
现行的这些办法都将会增加污水处理的运行成本。
2、提高泥龄/MLSS
提高泥龄的最终表现是MLSS的提高，冬季微生物增殖缓慢，做为自养菌的硝化细菌增殖更为缓慢，提高泥龄可以使硝化细菌能保持在一定的范围内（颜胖子：目的是保证硝化细菌为优势菌种），并且适当提高污泥浓度MLSS，在细菌代谢能力下降的前提下，可以使总量的污泥代谢能力能保持稳定。

3、生物固定化（填料）

经固定化处理后，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界环境的变化，从而保持了较高的活性。此外，微生物经包埋固定后持留能力得以增强，可望实现反应器的快速启动和高效稳定运行。
通过固定化可以削弱温度变化对硝化作用的影响。张爽等研究了固定化硝化菌在不同温度下对氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常温富集培养的含耐冷菌的硝化污泥，用于处理常温和低温生活污水。结果表明，经过固定化处理的硝化菌群即使在低温条件下，也表现出了较高的硝化效率（＞80%）。
也有学者开展了固定化反硝化细菌脱氮的研究，结果表明，经过固定化处理，提高了反硝化细菌对温度的适应性，固定化反硝化细菌对高浓度的铵离子和低温的耐受性增加。
固定化是一种有效的技术手段，然而也会使微生物活性有所降低，且固定化后，传质阻力会增大，氧的传质阻碍尤为明显，固定化更能在厌氧条件下发挥其优势。此外，其成本也有待技术经济评估。
4、驯化
驯化就是人为的在某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老育种方法。微生物的驯化是脱氮工艺运用到低温环境中的重要措施，使微生物体内的酶和细胞膜的脂类组成能够适应低温环境，并能在低温条件下发挥作用。
大量研究表明，通过适当的驯化策略，经历一定的驯化时间，低温脱氮工艺可以实现稳定运行。
逐步驯化
逐步驯化即逐步较缓慢地将工艺温度由适宜温度降至目标温度。在驯化微生物适应当前温度下再将其温度降低，进一步驯化。尚会来等采用驯化方式，逐步降低温度，每降1℃就稳定一个多月，半年后不刻意控制温度，经历了冬季10℃的低温，成功地稳定了常温、低温短程硝化反硝化，亚硝化率始终维持在78.8%以上。J.Dosta等通过该方法在18℃成功启动并稳定运行厌氧氨氧化工艺，但将温度降至15℃时，工艺系统失稳；并认为优化的操作步骤应为：先在厌氧氨氧化最适温度下，积累足够的厌氧氨氧化生物量，然后再缓慢驯化微生物适应低温条件。
直接驯化
直接驯化就是将反应系统直接置于目标温度下进行驯化。K.Isaka等研究了在适度的低温（20~22℃）下，厌氧生物滤池中利用厌氧氨氧化实现高效的脱氮。通过直接将接种污泥置于20~22℃的环境下培养，在经过446d后，NLR达到8.1kg/（m3?d）。还在6℃检测到了微生物厌氧氨氧化活性。NLR由22℃时的2.8kg/（m3?d）降至6℃的0.36kg/（m3?d）。
杨朝晖等对比了两种驯化策略下厌氧氨氧化工艺的启动时间，接种以短程硝化-厌氧氨氧化协同作用为优势反应的厌氧序批生物膜反应器中的生物膜（温度为31℃），置于16℃的生化培养箱中驯化，最快56d成功启动了低温厌氧氨氧化；接种与前者相同的生物膜，首先置于31℃的生化培养箱中，然后以每12d降低3℃的速度为梯度逐步降温至16℃，最慢70d驯化结束，其驯化结束的标志是在16℃的环境温度下氨氮的去除效率在1周左右维持稳定。
以往的研究表明，微生物对温度的逐步降低较为适应，如若温度突然降低，则易引起系统的失稳；但较近的研究表明，直接将温度降至目标温度，驯化的时间可能会更短一些。对此尚需系统的研究来论证，试验现象背后的机理仍有待揭示。