【干货】低温条件下脱氮技术介绍！

氮素在水體(tǐ)中的过度积累造成了水體(tǐ)富营养化现象，严重危害生态系统安全。一般采用(yòng)生物(wù)法进行废水脱氮。硝化反硝化工艺是应用(yòng)普遍的生物(wù)脱氮工艺。近十几年，出现了一些新(xīn)的脱氮工艺。厌氧氨氧化工艺是其中有(yǒu)代表性的突破之一。该方法是利用(yòng)自养型细菌将氨直接氧化為(wèi)氮气而实现脱氮的工艺，与传统的硝化反硝化工艺相比具有(yǒu)耗氧量低、运行费用(yòng)少和不需要外加碳源等优点，是目前已知工艺中经济的生物(wù)脱氮途径之一。

生物(wù)反应对环境条件敏感，容易受温度变化影响。绝大多(duō)数微生物(wù)正常生長(cháng)温度為(wèi)20~35℃，低温会影响微生物(wù)细胞内酶的活性，在一1定温度范围内，温度每降低10℃，微生物(wù)活性将降低1倍，从而降低了对污水的处理(lǐ)效果。工艺投入运行后，由于四季的交替和所处的地理(lǐ)位置影响，若不加以人工调控，温度很(hěn)难保持适宜。而温度调控则会耗费大量的能(néng)源。解决这一难题的佳途径就是开发高1效稳定的低温生物(wù)处理(lǐ)工艺。

近年来國(guó)内外已有(yǒu)一些研究涉及低温废水生物(wù)脱氮技术，提出了一些新(xīn)方法。筆(bǐ)者将探讨低温对脱氮工艺的影响，比较低温脱氮工艺的运行策略，并据此指出低温脱氮工艺的研发方向。

1、低温对脱氮工艺的影响

温度是影响细菌生長(cháng)和代謝(xiè)的重要环境条件。绝大多(duō)数微生物(wù)正常生長(cháng)温度為(wèi)20~35℃。温度主要是通过影响微生物(wù)细胞内某些酶的活性而影响微生物(wù)的生長(cháng)和代謝(xiè)速率，进而影响污泥产率、污染物(wù)的去除效率和速率；温度还会影响污染物(wù)降解途径、中间产物(wù)的形成以及各种物(wù)质在溶液中的溶解度，以及有(yǒu)可(kě)能(néng)影响到产气量和成分(fēn)等。低温减弱了微生物(wù)體(tǐ)内细胞质的流动性，进而影响了物(wù)质传输等代謝(xiè)过程，并且普遍认為(wèi)低温将会导致活性污泥的吸附性能(néng)和沉降性能(néng)下降，以及使微生物(wù)群落发生变化。低温对微生物(wù)活性的抑制，不同于高温带来的毁灭性影响，其抑制作用(yòng)通常是可(kě)恢复的。

1.1硝化工艺

生物(wù)硝化反应可(kě)以在4~45℃的温度范围内进行。氨氧化细菌（AOB）佳生長(cháng)温度為(wèi)25~30℃，亚硝酸氧化细菌（NOB）的佳生長(cháng)温度為(wèi)25~30℃。温度不但影响硝化菌的生長(cháng)，而且影响硝化菌的活性。有(yǒu)研究表明，硝化细菌适宜的生長(cháng)温度為(wèi)25~30℃，当温度小(xiǎo)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(yòng)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(néng)实现硝化工艺稳定运行的案例较為(wèi)常见。U.Sudarno等考察了温度变化对硝化作用(yòng)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(hěn)低。

随着脱氮工艺的不断发展，人们对硝化工艺提出了更高的要求，希望将硝化作用(yòng)的反应产物(wù)控制在亚硝酸盐阶段，作為(wèi)反硝化或者厌氧氨氧化的前处理(lǐ)技术，可(kě)以节约曝气能(néng)耗和添加碱量。通过对两类硝化细菌（AOB、NOB）的更多(duō)认识，出现了短程硝化工艺。该工艺的核心是选择性地富集AOB，先抑制再限制后冲洗出NOB，使得AOB具有(yǒu)较高的数量而淘汰NOB，从而维持稳定的亚硝酸盐积累。短程硝化过程通常由控制温度、溶解氧、pH来实现。温度控制短程硝化的基础在于两类硝化细菌对温度的敏感性不同，25℃以上时，AOB的大比生長(cháng)速率大于NOB的大比生長(cháng)速率。据此提出了世界上第一个工业化应用(yòng)的短程硝化工艺——SHARON工艺（温度设置為(wèi)30~40℃〔1〕）。因此，在低温下实现短程硝化颇具挑战。

1.2反硝化工艺

低温对于反硝化有(yǒu)显著的抑制作用(yòng)，JichengZhong等研究了太湖(hú)沉积物(wù)中的反硝化作用(yòng)，经过数月的实验分(fēn)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(néng)，研究表明在3℃下反应器的反硝化速率仅為(wèi)15℃下的55%。相对于传统的缺氧反硝化，温度对好氧反硝化的脱氮效率影响不显著，王弘宇等筛选出的一株好氧反硝化菌，在25~35℃下都能(néng)达到大于78%的脱氮效率。表1概括了不同温度下的反硝化速率。

1.3厌氧氨氧化工艺

有(yǒu)學(xué)者的研究表明，能(néng)够进行厌氧氨氧化反应的温度范围為(wèi)6~43℃，佳温度為(wèi)28~40℃。在废水生物(wù)处理(lǐ)中，活化能(néng)的取值范围通常為(wèi)8.37~83.68kJ/mol，而厌氧氨氧化的活化能(néng)為(wèi)70kJ/mol。因此，厌氧氨氧化属于对温度变化比较敏感的反应类型，温度的降低对其抑制作用(yòng)明显。

低温对厌氧氨氧化的影响很(hěn)大，受低温抑制后需要较長(cháng)时间才能(néng)恢复。厌氧氨氧化工艺的运行温度从18℃降至15℃时，亚硝酸盐不能(néng)被完全去除，导致亚硝酸盐的积累，对厌氧氨氧化工艺有(yǒu)着显著的抑制效果，从而引起连锁效应，使得厌氧氨氧化菌失活〔6,25〕。J.Dosta等〔7〕在研究温度对厌氧氨氧化工艺的長(cháng)期影响时，将试验温度由30℃调至15℃，只有(yǒu)氮容积负荷（NLR）从0.3kg/（m3•d）大幅降低至0.04kg/（m3•d）才能(néng)保证出水水质。甚至经30d的驯化仍未见好转，将试验温度调回至30℃运行75d后，污泥活性仅為(wèi)0.02g/（g•d），处于较低水平。

2、脱氮工艺的低温运行改进方法

2.1菌种流加

菌种流加来源于发酵工艺的菌种扩大培养技术。菌种扩大培养技术是发酵工业中广泛采用(yòng)的一种菌种应用(yòng)技术，在批次发酵中，一般通过“试管→三角瓶→种子罐→发酵罐”的多(duō)级扩增，使菌量满足生产需要〔26〕。在废水脱氮工艺中，除装置内菌种自身增殖外，流加菌种有(yǒu)利于加快菌體(tǐ)积累。废水水质复杂，毒性物(wù)质、基质、pH、温度等因素的不稳定，都会对功能(néng)菌造成抑制。在受抑制条件下，微生物(wù)难以生長(cháng)。因此菌种流加的优势得以體(tǐ)现。

唐崇俭等〔26〕采用(yòng)菌种流加式厌氧氨氧化工艺处理(lǐ)制药废水，废水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度分(fēn)别為(wèi)120~200mg/L和160~240mg/L，菌种流加速率為(wèi)0.028g/（L•L•d），容积氮去除负荷（NRR）由0.1kg/（m3•d）提高至7.9kg/（m3•d）。并且认為(wèi)流加菌种不仅增加了反应器内的污泥浓度和厌氧氨氧化菌所占比例，可(kě)能(néng)还带入了一些未知的生長(cháng)因子，才能(néng)在如此低的流加速率下，实现厌氧氨氧化的高1效运行〔27〕。

菌种流加有(yǒu)望成為(wèi)低温下运行生物(wù)反应器的一种有(yǒu)效对策。何成达〔28〕的研究表明在低温期间為(wèi)保证正常的硝化速率，需要增大反应器的容积。通过向活性污泥系统投加硝化菌的方法可(kě)有(yǒu)效解决低温时期需要延長(cháng)泥龄和加大反应器容积的问题。

菌种流加的操作灵活，不需要長(cháng)期的适应调整时间，是一种应对低温冲击的快速有(yǒu)效方法，但是不能(néng)从根本上解决低温下反应器运行效率低的问题，仅是增加反应器内功能(néng)菌的数量及其在混合污泥的比例，缓解低温对生物(wù)处理(lǐ)的影响，在反应器容积有(yǒu)限1时不适合長(cháng)期采用(yòng)。

2.2接种耐冷菌

接种物(wù)对于低温条件下厌氧反应器启动运行具有(yǒu)重要的意义〔29〕。耐冷菌能(néng)够耐受温度波动，比较适合低温废水的处理(lǐ)。如反硝化耐冷菌——荧光假单胞菌能(néng)够在低于10℃的条件下降解苯二甲酸〔30〕，也有(yǒu)耐冷菌能(néng)在低温下降解甲1苯、氯酚等难降解有(yǒu)机物(wù)〔31,32〕。目前的研究重点关注了接种耐冷菌在低温产甲烷系统中的意义，如贲岳等〔33〕為(wèi)确保寒冷地區(qū)污水生物(wù)处理(lǐ)系统的有(yǒu)效运行，接种耐冷微生物(wù)，用(yòng)于生活污水的处理(lǐ)，在6~10℃下，成功地去除污水中86.7%的COD。左剑恶等〔29〕关注了嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理(lǐ)中的应用(yòng)，从分(fēn)离培养及生理(lǐ)生化特性、适冷机制和分(fēn)子生物(wù)學(xué)研究等方面，对嗜冷产甲烷菌的研究进展进行了全1面的综述，并指出接种物(wù)对于低温条件下厌氧反应器的启动很(hěn)重要。

氨氧化古菌（AOA）是一类能(néng)够在低温下保持活性的古细菌。如果能(néng)将AOA应用(yòng)到低温废水的生物(wù)处理(lǐ)中，将会推动生物(wù)脱氮工艺的发展。这可(kě)以作為(wèi)今后研究的一个重要方向。

2.3生物(wù)固定化

经固定化处理(lǐ)后，微生物(wù)的抗逆性能(néng)提高，能(néng)耐受外界环境的变化，从而保持了较高的活性。此外，微生物(wù)经包埋固定后持留能(néng)力得以增强，可(kě)望实现反应器的快速启动和高1效稳定运行〔34〕。

通过固定化可(kě)以削弱温度变化对硝化作用(yòng)的影响。张爽等〔35〕研究了固定化硝化菌在不同温度下对氨氮的去除效能(néng)，采用(yòng)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(yòng)于处理(lǐ)常温和低温生活污水。结果表明，经过固定化处理(lǐ)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(yǒu)學(xué)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(lǐ)，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〔36〕。B.K.Pathak等〔37〕在低温厌氧氨氧化的研究中通过接种固定化微生物(wù)和厌氧颗粒污泥处理(lǐ)低含氮废水，在20℃下成功启动厌氧氨氧化，NRR达到了16.22g/（m3•d），总氮去除率為(wèi)92%。L.M.Quan等〔38〕以聚乙烯醇（PVA）凝胶和1%的藻酸作為(wèi)厌氧氨氧化菌的包埋材料，在（25±0.5）℃时，厌氧氨氧化工艺的NRR达到了8.0kg/（m3•d）。

固定化是一种有(yǒu)效的技术手段，然而也会使微生物(wù)活性有(yǒu)所降低，且固定化后，传质阻力会增大，氧的传质阻碍尤為(wèi)明显〔39〕，固定化更能(néng)在厌氧条件下发挥其优势。此外，其成本也有(yǒu)待技术经济评估。

2.4驯化

驯化就是人為(wèi)的在某一特定环境条件長(cháng)期处理(lǐ)某一微生物(wù)群體(tǐ)，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體(tǐ)的一种古老育种方法〔40〕。微生物(wù)的驯化是脱氮工艺运用(yòng)到低温环境中的重要措施，使微生物(wù)體(tǐ)内的酶和细胞膜的脂类组成能(néng)够适应低温环境，并能(néng)在低温条件下发挥作用(yòng)〔6〕。大量研究表明〔41,42,43〕，通过适当的驯化策略，经历一1定的驯化时间，低温脱氮工艺可(kě)以实现稳定运行。

R.D.Jones等〔44〕认為(wèi)，如果将AOB的运行温度从30℃直接降至5℃，会导致其失活。逐步降低运行温度，AOB可(kě)调整细胞膜中的脂肪酸类型使其在低温条件下不易冻结。后来一些研究得到了与此相悖的结论〔25,43,44〕。因此有(yǒu)學(xué)者开始探索低温的驯化策略。

2.4.1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(wù)适应当前温度下再将其温度降低，进一步驯化。尚会来等〔41〕采用(yòng)驯化方式，逐步降低温度，每降1℃就稳定一个多(duō)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〔7〕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；并认為(wèi)优化的操作步骤应為(wèi)：先在厌氧氨氧化适温度下，积累足够的厌氧氨氧化生物(wù)量，然后再缓慢驯化微生物(wù)适应低温条件。

2.4.2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〔24,42〕研究了在适度的低温（20~22℃）下，厌氧生物(wù)滤池中利用(yòng)厌氧氨氧化实现高1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(wù)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〔43〕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(yòng)為(wèi)优势反应的厌氧序批生物(wù)膜反应器中的生物(wù)膜（温度為(wèi)31℃），置于16℃的生化培养箱中驯化，快56d成功启动了低温厌氧氨氧化；接种与前者相同的生物(wù)膜，首先置于31℃的生化培养箱中，然后以每12d降低3℃的速度為(wèi)梯度逐步降温至16℃，慢70d驯化结束，其驯化结束的标志(zhì)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(wù)对温度的逐步降低较為(wèi)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(kě)能(néng)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(lǐ)仍有(yǒu)待揭示。

3结论

目前低温废水生物(wù)脱氮技术的研究已经引起众多(duō)學(xué)者的兴趣，很(hěn)多(duō)研究结果表明，温度的降低会导致生物(wù)脱氮工艺启动时间显著延長(cháng)，处理(lǐ)负荷和处理(lǐ)效率大幅降低。通过菌种流加、接种耐冷菌、细胞固定化和驯化等有(yǒu)效技术手段，能(néng)够提高低温废水生物(wù)脱氮工艺的高1效性和稳定性。结合目前的研究现状，低温脱氮工艺未来的研究可(kě)以围绕下面几点展开：

（1）耐冷菌的分(fēn)离富集。将分(fēn)子生物(wù)學(xué)技术应用(yòng)于耐冷菌的筛选，将筛选出的菌种富集培养，用(yòng)作接种物(wù)或者流加菌种，并建立菌群动态变化指示系统，指导低温脱氮系统的调控。（2）加大古菌的研究力度。研究古菌的培养特性，将可(kě)培养的脱氮古菌用(yòng)于废水处理(lǐ)，提高系统对低温和极端环境的耐受性。这方面的研究有(yǒu)望成為(wèi)今后的热点。（3）菌种流加过程的优化和控制。深入研究厌氧氨氧化菌的生長(cháng)和代謝(xiè)动力學(xué)特性，获得菌种流加的定量参数；引进自动化控制技术，实现对该技术过程的自动化控制。（4）多(duō)技术耦合。通过多(duō)种技术手段的结合，强化低温生物(wù)脱氮工艺。例如在较低温度下通过接种低温优势菌实现了工艺启动后，通过菌种流加优化低温生物(wù)脱氮过程，提高其抗冲击能(néng)力。