低溫下活性污泥處理廢水技術(shù)

　　由于地理區(qū)域(高緯度地區(qū))和季節(jié)性變化(進(jìn)入冬季/春季)的差異，廢水溫度經(jīng)?？山抵?~10℃，低溫嚴(yán)重抑制微生物活性，底物利用率和細(xì)胞增長，導(dǎo)致污水處理工藝性能惡化，廢水去除效率顯著降低。低溫廢水的處理研究已逐漸成為行業(yè)內(nèi)日益關(guān)注的焦點。由于低溫對活性污泥微生物活性的抑制作用，現(xiàn)有工藝難以滿足低溫下生化污水廠對低溫廢水的處理要求，且難以實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，對環(huán)境負(fù)荷造成了嚴(yán)重的影響。本文綜述了近年來低溫廢水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，并總結(jié)了研究活性污泥處理低溫廢水的可行性理化指標(biāo)，為進(jìn)一步研究活性污泥處理低溫廢水提供理論指導(dǎo)。

　　1、低溫廢水處理研究現(xiàn)狀

　　目前，污水處理技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)比較廣泛，但是對于低溫廢水處理技術(shù)的應(yīng)用仍面臨較大的挑戰(zhàn)。并且在低溫廢水的生物處理中，微生物對低溫廢水的污染物的去除完全依賴于活性污泥微生物的新陳代謝，所以溫度作為影響微生物菌群的生長繁殖與代謝活性的重要生態(tài)因子對廢水生物處理具有重要影響。除調(diào)整傳統(tǒng)的活性污泥法系統(tǒng)的運行參數(shù)如降低負(fù)荷、增加水力停留時間、采取一定的保溫措施等之外，主要有化學(xué)強(qiáng)化混凝、人工濕地強(qiáng)化、投加高效耐冷菌種技術(shù)等強(qiáng)化低溫污水的處理效果。劉海龍等利用合成新型復(fù)合混凝劑(SynthA)在低溫(2~5℃)條件下強(qiáng)化混凝對溶解性有機(jī)物等去除方面研究時發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化混凝能夠在一定程度上提高系統(tǒng)對污染物的去除效果。魏作紅等低溫制備改性納米降解亞甲基藍(lán)染料廢水，取得較好的處理效果。伍海全等篩選培育高效處理低溫城市污水的微生物菌種，增強(qiáng)活性污泥耐冷性能，進(jìn)而強(qiáng)化處理低溫城市污水。

　　由于低溫對廢水生化處理的不利影響，近年來我國水處理工作者在低溫廢水生化處理的方面進(jìn)行了部分研究工作。為解決低溫廢水難生物降解的問題，生物強(qiáng)化處理技術(shù)在廢水處理中得到一定的應(yīng)用。唐子夏等研究發(fā)現(xiàn)與陶粒填料的BAF系統(tǒng)相比，陶粒-竹絲復(fù)合填料適合微生物附著，低溫條件下，復(fù)合填料上不同菌種之間的共降解和協(xié)同降解作用更為顯著，對反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的污染物降解效果更為顯著。張琪等在研究低溫條件下磁分離與裝配式人工濕地組合工藝對小區(qū)生活廢水的處理時發(fā)現(xiàn)，該聯(lián)合工藝對小區(qū)廢水中污染物有較好的處理效果，其中COD，NH3-N，TP的去除率分別為86.8%，52.5%，96.8%。張曉飛等研究低溫下(7~13℃)多級AO-膜生物反應(yīng)器(MAO-MBR)工藝對市政廢水中有機(jī)物和N、P去除效果時發(fā)現(xiàn)，出水COD，NH3-N的平均去除率分別為97%和98%，經(jīng)組合工藝處理后，出水水質(zhì)達(dá)到GB18918―2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。近年，大多數(shù)關(guān)于提高低溫生物廢水處理效率的研究都集中在冷適應(yīng)細(xì)菌的馴化或生物強(qiáng)化上。但是，在許多地區(qū)，溫度是季節(jié)性變化的。是否占優(yōu)勢的細(xì)菌群落在低溫下適應(yīng)將保持穩(wěn)定并且在長期溫度循環(huán)期間遺傳仍然存在爭議。并且，目前的處理工藝措施具有一定的缺點和不足，不僅會增加工程投資和運行費用，而且在復(fù)雜多變的低溫環(huán)境中抗冷沖擊性能得不到保證，還常會引起污泥膨脹等問題。

　　由于溫度對活性污泥微生物個體的生長、繁殖、新陳代謝、生物種群分布和種群數(shù)量起著決定性作用，直接影響著冬季污水處理效率的高低，以生化法為主要工藝的污水處理廠的處理效果受到嚴(yán)重的影響。因此，低溫成為我國冬季寒冷地區(qū)印染廢水生物處理工藝最大的限制因素，使得低溫(0~10℃)廢水處理成為環(huán)境水處理領(lǐng)域目前面臨的一大難題。

　　2、低溫對活性污泥降解過程的影響

　　在低溫廢水的生物處理中，微生物對低溫廢水的污染物的去除完全依賴于活性污泥微生物的新陳代謝，所以溫度作為影響微生物菌群的生長繁殖與代謝活性的重要生態(tài)因子對廢水生物處理具有重要影響。

　　(1)低溫對活性污泥沉降性能的影響

　　低溫條件下廢水中有機(jī)物質(zhì)的擴(kuò)散及其沉降變慢，導(dǎo)致廢水中絲狀菌大量生長，產(chǎn)生污泥膨脹，低溫使水中氣體的溶解度變大，導(dǎo)致污泥上浮，從而導(dǎo)致活性污泥沉降性能下降。此外，低溫會致使污水處理系統(tǒng)中活性污泥微生物釋放大量具有親水性的多糖類胞外聚合物，同樣會導(dǎo)致發(fā)生污泥上浮的現(xiàn)象。所以在廢水的生物處理過程中，活性污泥的沉降性能是使廢水處理達(dá)到更高水平的關(guān)鍵因素之一。王曉東等在研究城市污水處理廠實際生產(chǎn)活性污泥特性時發(fā)現(xiàn)，污水生化處理系統(tǒng)中的反應(yīng)溫度所導(dǎo)致的MLVSS/MLSS值的變化直接影響活性污泥沉降性能。

　　(2)低溫對微生物脫氫酶活性的影響。

　　脫氫酶是微生物細(xì)胞的胞外酶，參與了有機(jī)物降解的全過程，是微生物降解有機(jī)污染物所必需的酶，所以脫氫酶既可以作為生物體活性的參數(shù)，又是微生物細(xì)胞對底物降解能力的體現(xiàn)。溫度降低會導(dǎo)致活性污泥微生物新陳代謝減弱、脫氫酶活性降低。并且，脫氫酶活性的檢測是微生物活性檢測中一種靈敏、簡單的手段。

　　鄧航等在利用印染廢水作為碳源，探究SBR反應(yīng)器缺氧段、好氧段的酶活性時發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定運行后的SBR反應(yīng)系統(tǒng)中的脫氫酶活性高于酯酶活性;較之于酯酶，脫氫酶活性與反應(yīng)系統(tǒng)COD、色度的去除率有著更為顯著的相關(guān)性。王帆等研究低溫(3~15℃)連續(xù)流運行曝氣池中活性污泥的脫氫酶活性的變化，反應(yīng)體系中脫氫酶活性整體上隨溫度的下降呈下降趨勢，微生物活性逐漸減弱，代謝速率下降，COD的去除率隨之降低。張浩等發(fā)現(xiàn)，微氧磁性活性污泥系統(tǒng)在處理五氯酚廢水時的微生物量與脫氫酶活性均比微氧無磁性活性污泥系統(tǒng)中的參數(shù)高。王曉東等實驗探究得出微生物脫氫酶活性的變化是導(dǎo)致活性污泥沉降性能受溫度影響的生物學(xué)原因。

　　(3)低溫對磷脂脂肪(Phospholipidfattyacids,PLFA)的影響。

　　細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界的通道，其流動性是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能表達(dá)的基礎(chǔ)，當(dāng)溫度下降時，膜的流動性會隨之減弱，從而影響細(xì)胞膜的正常生理功能。然而，微生物可以通過改變細(xì)胞膜中脂肪酸的成分來調(diào)節(jié)膜的流動性，以適應(yīng)在低溫惡劣環(huán)境下的生存。磷脂脂肪酸(PLFA)為從甲基化活性污泥中提取磷脂后得到的細(xì)胞膜中的脂肪酸產(chǎn)物，是活體微生物細(xì)胞膜的重要組成成分。微生物細(xì)胞自體合成不同組分和鏈長的PLFA，以維持細(xì)胞膜的完整性與響應(yīng)其直接生存環(huán)境的細(xì)胞功能。不同類群的微生物中存在某些特定的磷脂脂肪酸，PLFA可以作為鑒定活性污泥系統(tǒng)中微生物量和微生物群落的生物標(biāo)記。

　　磷脂脂肪酸分析已經(jīng)被普遍運用于環(huán)境樣品中微生物群落的分析。近年來，PLFA分析方法在土壤、生物膜和活性污泥等水處理技術(shù)相關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能方面均取得顯著的進(jìn)展。周新程等利用GC/MS分析表面流人工濕地沉積物中提取的PLFA，檢測出濕地沉積物中主要形成了以好氧菌、硫酸鹽還原菌、放線菌等細(xì)菌組成的微生物群落，其中，好氧菌為優(yōu)勢種群。尹勇等研究生態(tài)強(qiáng)化法原位凈化村鎮(zhèn)廢水時發(fā)現(xiàn)，PLFA分析得到底泥中飽和脂肪酸含量最為豐富，以脂肪酸生物標(biāo)記量為指標(biāo)，表明底泥的生態(tài)群落中是以假單胞桿菌、好氧細(xì)菌為主導(dǎo)。張璐璐等研究直流電場強(qiáng)化活性污泥法處理木質(zhì)素廢水的效能時發(fā)現(xiàn)，不同電流強(qiáng)度馴化出不同的微生物群落，實驗條件的變化對微生物細(xì)胞膜的PLFA產(chǎn)生了顯著的影響。NIU等表明，2~4mT的磁感應(yīng)強(qiáng)度對PLFA多樣性具有明顯的強(qiáng)化作用，刺激活性污泥微生物細(xì)胞合成更多的不飽和脂肪酸來適應(yīng)低溫環(huán)境。

　　3、活性污泥處理低溫廢水的研究進(jìn)展

　　3.1 磁場強(qiáng)化好氧活性污泥處理低溫廢水

　　研究表明，一切具有生命活性的生物體都具有磁性，在生命活動過程中都會產(chǎn)生穩(wěn)定或不穩(wěn)定的為弱磁場，所以生物磁性與生物特性之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。有文獻(xiàn)論證到不同強(qiáng)度(從1mT到1T)的靜態(tài)磁場(SMF)一定程度上能夠影響許多生物系統(tǒng)。磁場強(qiáng)化活性污泥的機(jī)理在生物學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為：①磁場能夠直接影響活性污泥微生物的生長代謝。生命運動、生物化學(xué)反應(yīng)及生物物質(zhì)分子中存在著許多磁性物質(zhì)，同時生物體內(nèi)還存在大量的電子和離子，任何生物都是具有磁性的，因此外加磁場、環(huán)境磁場和生物體內(nèi)的磁場都會對生物體及其生命活動產(chǎn)生不容忽視的影響。外部磁場作用于微生物細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)通道，影響帶電離子對細(xì)胞膜的滲透交換能力，從而增大物質(zhì)傳遞擴(kuò)散，影響生物體內(nèi)的代謝作用[38]。②磁場通過提高生物降解所需酶的活性，間接強(qiáng)化廢水處理的降解能力。過渡金屬原子作為生物酶的成分，許多情況下表現(xiàn)出順磁特性，磁場通過影響生物體的順磁原子進(jìn)而影響酶的活性。

　　XU等在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將絮狀活性污泥系統(tǒng)(10℃)置于7mT靜磁場中時，雖然活性污泥比乙酸吸收率降低了29%，但是PHB最高產(chǎn)量和比乙酸產(chǎn)PHB率分別提高32%和28%，其主要原因在于靜磁場會促進(jìn)乙酰CoA導(dǎo)流至PHB的合成過程中，并能夠抵消較高乙酸鹽濃度和低溫對絮狀活性污泥系統(tǒng)造成的不利影響。NIU等[33]以葡萄糖為碳源，研究了低溫下10~50mT的靜態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度對活性污泥活性的影響，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定運行階段的COD降解率在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但是具有磁場強(qiáng)化的反應(yīng)器適應(yīng)于低溫環(huán)境更快，能夠達(dá)到更高的COD去除效率。20~40mT的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以強(qiáng)化活性污泥微生物脫氫酶活性適應(yīng)寒冷環(huán)境的活性。在合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度(該研究中為30mT)下，具有較好冷適應(yīng)性的革蘭氏陰性細(xì)菌富集，同時確保低溫反應(yīng)器中的微生物具有更好的耐寒性。

　　3.2 厭氧顆粒污泥處理低溫廢水

　　厭氧顆粒污泥是由產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌和水解發(fā)酵菌等構(gòu)成的自凝聚體，其良好的沉淀性能和產(chǎn)甲烷活性是厭氧污泥反應(yīng)器反應(yīng)器成功的關(guān)鍵。SCULLYC等在研究低溫厭氧顆粒污泥處理低溫苯酚廢水處理效果時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度逐漸降低至9.5℃時，苯酚去除率有所下降，出水苯酚含量升高，但是其甲烷產(chǎn)量仍然可以達(dá)到3.3L/(g?d)，比苯酚降解率和比甲烷產(chǎn)率分別達(dá)到68mg/(g?d)和12~20mL/(g?d)，表明厭氧顆粒污泥可以耐受較高的苯酚負(fù)荷，具有處理低溫有毒的苯酚廢水的能力。ENRIGHTAM等通過實驗探究發(fā)現(xiàn)厭氧顆粒同樣具有處理低溫甲苯廢水的效能，在實驗周期內(nèi)COD和甲苯去除效率分別達(dá)到70%~90%和55%~99%，結(jié)果表明低溫厭氧消化處理含甲苯廢水的可行性。并且，TSUSHIMAI等在研究厭氧顆粒污泥處理低溫蔗糖廢水時，反應(yīng)器在低溫時仍然具有較高的COD去除率，微生物種群結(jié)構(gòu)分析表明在顆粒污泥的表層甲烷螺菌屬得到富集，該細(xì)菌是一類產(chǎn)甲烷菌，有助于在低環(huán)境溫度下厭氧地降解蔗糖底物。

　　4、結(jié)論與展望

　　低溫已經(jīng)成為我國冬季寒冷地區(qū)廢水生物處理工藝最大的限制因素。由于低溫對活性污泥微生物活性的抑制作用，現(xiàn)有工藝很難滿足生化污水廠對低溫廢水的處理要求，難以實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。其中，以厭氧顆粒污泥處理低溫廢水的應(yīng)用較多，但是厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)周期較長，需要較高的運行溫度，培養(yǎng)過程較為復(fù)雜，往往還需要串聯(lián)好氧生物處理技術(shù)以保證出水水質(zhì)穩(wěn)定和出水達(dá)標(biāo)排放。而磁場強(qiáng)化技術(shù)因其有效的污染物降解率、無二次污染、低能耗等優(yōu)點已成為水處理領(lǐng)域研究熱點，對解決低溫印染廢水處理的問題提供了新思路、研究方向和理論指導(dǎo)，磁場強(qiáng)化與污水處理的復(fù)合控制技術(shù)已經(jīng)成為污水治理領(lǐng)域逐漸興起的新型工藝。所以，磁場強(qiáng)化活性污泥處理低溫印染廢水將具有成為解決此類低溫廢水的新興技術(shù)的潛力。但是，該領(lǐng)域的理論研究內(nèi)容較少，所以還需進(jìn)一步探究磁場強(qiáng)化活性污泥處理低溫廢水處理技術(shù)，為進(jìn)一步研究活性污泥處理低溫廢水提供理論指導(dǎo)。(來源：東南大學(xué)，江蘇省環(huán)境工程重點實驗室 江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院)