低溫對生物方法凈化水質的影響

■ 耿英慧張明 （ 上海保碩生物科技有限公司 華東師范大學）

低溫對生物方法凈化水質的影響

■ 耿英慧1張明2（1 上海保碩生物科技有限公司 2 華東師范大學）

在集約化養殖模式下，水體有機污染嚴重，使用活菌制劑成了養殖戶的必然選擇。活菌制劑包括芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、光合細菌、硝化細菌等，多數情況應用于開放的池塘環境中，使用效果受到多種因素的影響，尤其低溫下的效果更是受到了廣泛的關注。但目前眾多企業對其產品低溫下使用劑量以及效果給出有效的數據支撐。

活菌制劑的菌株多分離篩選于自然環境，生物膜法水質處理是通過水體中微生物富集生長于特定的載體上來凈化水質的，兩者具有相似之處。因此本文通過低溫下生物膜法對黃浦江上游水體中氨氮處理效果，初步了解低溫下微生物活性的變化規律，以期對低溫下活菌制劑的應用提供一點參考依據。

1 試驗方法

1.1 試驗地點

上海RW原水廠

1.2 試驗工藝流程

試驗工藝流程如圖1所示，主要設備如下：空氣壓縮，機型號VW-0.5/9-SA，南京某機電有限公司；壓縮機油水塵分離器，型號YSCFG-1.0/1.0，南京某機電有限公司；立式離心泵，上海某給水工程有限公司；加氨泵，型號ES-B10VC-230N1，日本；轉子流量計，LZB-10，浙江余姚。

1.3 生物處理池設計參數

生物處理柱直徑400mm，柱內水深4m，填料為聚苯乙烯白色球形，粒徑8～10mm，密度0.02 g/m3，填料堆積高度為2m，曝氣區高度800mm，濾柱底部設穿孔管曝氣系統，孔徑2mm，氣水同向流。

1.4 試驗運行工況和水質條件

水力負荷為8m3/m2·h（HRT=30min），氣水比為0.5。試驗期間原水氨氮濃度在2.27～1.50mg/L，平均為1.68mg/L，CODMn在5～7mg/L范圍波動，進水溶解氧5mg/L以上，進水pH均值7.55，進水濁度均值56.38。

1.5 試驗指標的分析測定

1.5.1 試驗水質分析項目與測定方法

試驗期間氨氮、CODMn均采用每6h取生物處理池進出水即時樣，置于4℃冰箱中保存，混合后進行水質分析，其余指標為即時樣測定。常規指標測定項目與測定方法。水溫，水銀溫度計；流量，轉子流量計；氨氮，0.45μm濾膜過濾，鈉氏試劑比色法；CODMn，酸性高錳酸鉀法；溶解氧，溶解氧儀（OXI330/SEF德國）。

1.5.2 填料干重采用烘干法

取一定的填料于103℃～105℃烘2h，干燥器內恒重2h后稱量。

2 結果與討論

2.1 低溫對氨氮去除效果的影響

生物膜法處理原水主要是依靠附著于填料上的微生物的新陳代謝活動而去除污染物的，因此凡是影響到微生物代謝活動的因素，必然也對處理效果造成影響。在以硝化為主的原水生物預處理中水溫是影響硝化過程的一個主要因素。

從圖2中看出在水溫4.6℃～13.4℃范圍內，氨氮去除率與水溫有線性相關，隨著水溫的降低，氨氮去除率也逐漸降低。

圖1 試驗工藝流程

圖2 水溫與氨氮去除率的關系

在8.4℃～13.4℃范圍內氨氮去除率基本都在80%以上，平均為83.7%，與20℃以上的常溫下的處理效果（HRT=30min，原水氨氮平均為1.62mg/L，平均去除率為84.5%）并無太大差距，這表明對該生物處理系統而言8.4℃以上的水溫對氨氮的處理效果不構成太大的影響，從而也不影響系統工藝的正常運行。但水溫在8.4℃以下時，氨氮的去除率受溫度的影響明顯加劇，降低幅度大，8.4℃～6℃氨氮去除率平均約為66.2% ，比20℃以上的常溫下處理效率平均降低了17.5個百分點，6℃～4.6℃氨氮去除率平均約為43.0%，比20℃以上的常溫下平均降低了40.7個百分點，在8.4℃～4.6℃范圍內溫度每降低1℃，氨氮去除率降低約10個百分點，這說明在本試驗的條件下8.4℃左右存在著一個對生物膜活性產生巨大影響的溫度點。

Focht D.D.和 Verstraete W認為低于15℃硝化速率明顯下降，在12℃時降低約50%，張東等以YDT波紋彈性填料的低溫試驗結果為水溫在10℃以上時，生化池氨氮平均去除率在60%左右，水溫對氨氮的平均去除率無明顯的影響；水溫降到10℃以下，生化池氨氮的平均去除率在37%～41%。本試驗的結果與這些觀點有些不同，這些差別可能與填料的結構性質、原水水質或水體微生物種類有關。

試驗期間有一段時間水溫有所回升至6℃～8.4℃，氨氮去除率平均約為65.7% ，與此范圍內溫度下降時平均氨氮去除率66.2%相比處理效果相差不大，活性的恢復過程是很快的。這進一步說明低溫對生物處理系統的影響不是使生物膜上生物量的減少或低溫導致其死亡，而是使硝化細菌生物活性降低。

2.2 生物膜耗氧速率比較

耗氧速率是在相同的環境條件（溫度，pH等）下，單位重量的生物膜在單位時間內對溶解氧的消耗量，可以反映生物膜活性的強弱。本試驗在其它環境條件相同，不同溫度下對裝置下層（0.5m處）填料生物膜耗氧速率進行了測定，結果如下圖，生物膜耗氧速率隨溫度的降低而減少，在低溫下6.5℃～3.4℃范圍內生物膜上微生物對氧的利用率明顯降低，并且在這個溫度范圍內耗氧速率的數值相差不大，為0.24～0.32mgO2/h·g干重填料左右，這說明在低溫下生物膜的活性明顯減弱。

3 低溫下提高水處理效果對策分析

低溫對生物處理系統運行效果的影響主要是通過微生物生化反應速率和基質的傳質效率兩方面進行的。

一方面由溫度與生化反應速率之間的關系：

式中，rT：水溫T℃的生化反應速率；r20：水溫20℃的生化反應速率；

φ：溫度系數，一般取1.03

可知在水溫為10℃的生化反應速率是在20℃時的74.4%。生化反應速率降低主要是因為低溫下酶活性降低，因而影響了對底物的催化效率。

另一方面溫度對處理效果的影響還體現在基質的傳質效率上，水溫降低時水的粘度增大，致使底物在水和生物膜的擴散阻力增大，導致底物的傳質效率降低。以溶解氧為例，氧的總轉移系數與溫度的關系：

式中，KLa（T）：水溫T℃時氧的總轉移系數，s-1；KLa（20）：水溫20℃時氧的總轉移系數，s-1；φ：溫度系數，一般取1.024。

由公式可知溫度由25℃降為15℃時，氧的總轉移系數降低22%左右，由于溶解氧擴散系數與擴散速率成正比，所以水溫的降低會導致溶解氧擴散速率下降。

基于上述理論分析和試驗的結果，建議從以下5個方面優化生物膜法系統改善低溫運行效率，以及在水產養殖上提高活菌制劑低溫下凈水效果。

3.1 適當提高水體溫度至系統最低有效溫度的限度之上

不同生物處理系統（或活菌制劑）有不同有效的下限溫度，通過對運行數據分析找出這個最低有效溫度，如本試驗提及的關鍵溫度點8.4℃，適當提高溫度是最直接有效的方式，但這在處理量達上百萬噸的原水來講是不可能實現的，而在溫棚對蝦養殖和工廠化養殖中可以通過覆蓋薄膜、加地熱水或鍋爐加溫達到升溫目的。

3.2 維持微生物所需最佳營養、水質環境

增加水體基質濃度，有利于生化反應的順利進行。如提高溶解氧的濃度可以提高傳質效率，可以加快硝化反應速率，另外曝氣量的增加還可以減少生物膜上懸浮物的積累和老化生物膜的脫落，使生物膜處在最佳狀態。

在以硝化反應為主的系統中，硝化細菌在微堿性的環境中生長良好，對 pH 的變化反應明顯，理論計算硝化細菌氧化 1mgN-NH3，需要消耗7.14mg 堿度，故適當提高水體pH值和維持適宜的堿度，硝化細菌才能很好的發揮作用。

圖3 氨氮去除率和水溫隨時間變化曲線

圖4 不同溫度下的耗氧速率

水產養殖中潑灑類活菌制劑進入水體后繁殖速度快慢，與水體的營養水平有很大的關系。如果水體營養成分單一或失衡，有些異養菌為主的活菌制劑繁殖會受到影響，此時應向水體中適當補充缺乏的營養才能達到更好的效果。如對于反硝化細菌，水體中 BOD5/TN＜3，需要補充碳源才能有較好的脫氮作用。

3.3 延長水力停留時間

延長水力停留時間包括減少進水流量、降低水力負荷，使底物和生物膜有足夠長的接觸時間，有助于改善生物膜法系統低溫處理效果。

對水產養殖水體而言應減少換水量導致的活菌的流失。

3.4 增加生物處理系統的生物量

增加生物處理系統的生物量，低溫下微生物的活性降低，增加參與處理的微生物數量可以考慮選用表面積大的填料和增加填料層深度，有助于提高低溫下的效果。

活菌制劑也可以考慮活化或擴大培養來增加生物量。

3.5 耐冷微生物篩選

近年來，低溫微生物在污水處理領域應用逐漸受到重視，吳迪等篩選的耐冷酵母在8℃，對模擬污水中的COD和有機氮等具有去除效果；李海礁等篩選出一株嗜冷芽孢桿菌，在15℃條件下對模擬污水和微污染水樣中有機質降解率分別達到21.56%和50.14%。

Monrita認為低溫微生物可以分為兩類，一類是最適生長溫度低于15℃，生長上限低于20℃，在0℃可生長繁殖的微生物為嗜冷菌；另一類是最適溫度高于15℃，生長上限溫度高于20℃，在0℃～5℃可生長繁殖的微生物稱為耐冷菌。我們要借助生物工程技術，從特定環境采樣、富集、分離出適合水產養殖和污水處理的耐冷菌，通過工業化生產、以生物強化的方式來放大低溫微生物的特性，進一步提高低溫凈水效果。（參考文獻略）