低温对于生物处理效果影响的试验研究韩洪军、马文成哈尔滨工业大学市政环境工程学院（150090）E-mail：han1955@摘要：我国北方地区冬季时污水处理系统普遍存在处理效果差，处理水难以达标等问题。
本文通过模拟自然降温过程，针对温度降低所引起得活性污泥系统的吸附、降解和沉降性能的变化进行研究。
试验结果表明：与常温相比温度降低至5℃时活性污泥系统的COD去除率大幅度降低；温度降低对活性污泥初期吸附作用影响较大，温度越低越明显；低温时活性污泥的沉降性明显低于常温。
关键词：低温；活性污泥；吸附性能；沉降性能；冷适微生物1.引言（四号，宋体，加粗）我国北方地区冬季气候十分寒冷，冰冻期长达3～6个月之久，最低气温在-30℃以下，冬季的平均水温一般不超过10℃。
寒冷的气候条件导致了污水处理系统中微生物的数量和活性急剧下降，严重地影响了污水厂的生物处理效果【1】，【2】。
研究表明，当温度下降到10℃以下时，起主要降解作用的中温菌已经失去了降解有机物的能力，而冷适微生物由于世代时间较长，并且受自身生理特性和各种生态因子的抑制作用，在数量上不能达到一定的程度，从而导致了生物处理效果的降低【3】。
目前的工程中一般采用降低污泥负荷、增加污泥回流量、增长水力停留时间甚至对池体做升温或保温等措施，以保证污水厂在冬季时的正常运行，但这不仅会增加工程的投资和运行费用，还会带来污泥膨胀等一系列问题。
本文通过模拟自然降温过程，对低温条件下活性污泥有机物降解能力、吸附性能、沉降性能变化及其机理进行研究。
2.试验装置与方法2.1 试验装置本试验采用圆柱型有机玻璃反应器，内径14cm，高60cm，有效容积8.6L，放置于低温生化培养箱中，实验温度控制在5～15℃，水温由测温仪在线测定。
采用微孔曝气管布气，鼓风机供气，并由转子流量计控制气量，反应器中溶解氧的测定采用溶解氧仪在线测定。
实验装置见图1。
2.2 试验用水和污泥本实验用水一部分取自家属区的生活污水:COD Cr=230～350 mg/L，BOD=160～250 mg/L，pH=6.5～7.4;另一部分采用按BOD5:N:P=100:5:1的比例在自来水中投加啤酒、尿素和磷酸二氢钾而获得。
种泥来源于校内家属区化粪池的底泥，底泥经过滤、沉淀、淘洗后投11本课题得到国家高技术研究发展专项经费资助（项目编号：2003AA601090）- 1 -Fig. 1 Experimental facilities of reactor3.试验结果与分析3.1 低温对于COD去除率的影响反应器放置在低温生化培养箱中，模拟季节性缓慢降温过程，15℃缓慢降至5℃，研究活性污泥随温度降低对COD去除能力的变化情况。
反应器的进水采用生活污水，并将其COD 控制在230mg/L左右。
反应器内MLSS控制在2600 mg/L左右，溶解氧为2.0 mg/L，曝气时间为5h。
系统运行2个月，试验结果如图2所示。
图2 初始COD=230mg/L时不同温度条件下COD降解情况Fig.2 Degradation of COD at different temperature when COD=230mg/L 从图2可知，随着温度的降低活性污泥系统对于水中COD的去除率也随之下降。
当温度从室温降至15℃时，系统对于COD的去除率基本保持在85%～90%之间，当温度下降至10℃时，COD的去除率开始有明显的下降，10℃时COD去除率为59 %，温度继续下降至5℃时，COD也下降至最低的41%。
本研究认为温度在15℃以上时，中温菌[4]是活性污泥系统中的优势种群，对水中有机物的降解起主要作用，因此系统可以保持较高的COD去除率。
在温度由15℃下降至10℃的过程中，中温菌的优势种属数目逐渐减少，菌体的增值速度和生理活性- 2 -迅速降低，当温度降低至10℃时，中温菌活性降至最低点，菌体呈休眠状，已经不再具有代谢外源物质的能力，从而导致了COD去除率明显下降。
温度继续下降5℃的过程中，低温条件下可降解有机物的冷适微生物的数量逐渐增加，但由于其生长速率较低，世代时间较长，以及降温过程中中温菌对它的竞争性抑制等原因，冷适微生物的数量很难达到常温时中温菌的数量水平【5】，因此虽然COD去除率下降的速度减缓，但仍呈下降趋势。
当温度继续下降至0℃，系统的COD去除率进一步降低但仍然保持极低的去除效果，这表明冷适应微生物在极端温度条件下仍然具有代谢活性。
因此，采用在冬季水温较低时将已驯化的高效耐冷菌种投加到反应池中，通过增加优势菌种的数量来提高活性污泥系统的处理效果是解决低温污水处理效果差的有效途径【6】。
在低温条件下，污泥负荷也是影响净化效果的主要因素之一，本试验在改变污泥负荷的条件下，对比了常温和低温时COD去除率的变化情况，如图3所示图3 污泥负荷与BOD去除率的关系Fig.3 Relationship between kgBOD/kgMLSS•d and BOD removal rate 试验表明，在常温条件下，随污泥负荷的增加，BOD去除率的降低并不十分显著，而在低温条件下，增加污泥负荷，BOD去除率将迅速降低，从图中常温与低温时BOD去除率对比来看，当污泥负荷取0.08BODkg/kgMLSS·d左右时，常温与低温时去除效果相差不大，而继续增加污泥负荷时，低温处理效果有较大的下降。
低温时控制较低的污泥负荷是保证活性污泥系统稳定运行的可靠保证。
3.2 低温对于活性污泥吸附性能的影响进水采用人工配水，COD控制在350mg/L左右，在15℃，10℃，5℃，0℃分别测定活性污泥系统60min内COD的去除情况。
试验结果如图4所示。
从图4中可以看出，水温在5℃以下时，温度对活性污泥初期吸附作用影响较大，水温愈低愈明显。
0℃时吸附曲线的形状与常温的曲线有很大的不同，初期吸附作用不明显。
5℃的吸附曲线初期吸附作用较高。
随着温度的升高，初期吸附效果变好。
反应20min时，15℃时COD的去除率达到86%，而0℃时仅为44%，相差42%。
这是因为冷适微生物所分泌的细胞外聚合物变少以及酶催化作用的减少降低了生化反应速度，低温时微生物本身代谢功- 3 -- 4 -图4 不同温度条件下活性污泥吸附性能的比较 Fig.4 Adsorption performance of activated sludge at different temperature 能也逐渐减弱，吸附在活性污泥表面上的有机物，不能很快被降解，未降解的有机物在活性污泥吸附表面上有所积累，在一定程度上改变了被多糖类粘液层包覆的吸附表面的性质，污泥的表面活性恢复的较慢，从而降低了活性污泥的吸附作用。
从曲线的变化趋势也可以看出，随着反映时间的加长，温度对于COD 去除率的影响将逐渐减少。
这可以认为总吸附表面积不会因水温降低而减少，这就保证了低温吸附去除作用继续存在。
3.3 低温对于活性污泥沉降性能的影响在15℃，5℃条件下，曝气5h 后，用量桶取样观察30min 内量桶中污泥界面的下降高度。
比较在常温和低温条件下活性污泥沉降性能。
试验结果如图5所示。
20406080100120140160180200036912151821242730时间/min 高度/m m图5 常温和低温条件下活性污泥沉降性能的比较Fig.5 Settling performance of activated sludge at ordinary and low temperature 从图5可以看出，常温条件下活性污泥的沉降性能明显好于低温条件下活性污泥的沉降性能。
15℃和5℃时活性污泥的平均沉速分别为5.51 mm /min、3.64 mm /min，低温条件下活性污泥的沉速较小。
主要原因如下，常温条件下的中温菌分泌的胞外聚合物较多，使污泥的絮体结构密实、大小适中，容易形成大块絮状体沉淀下来，因此具有良好的沉降性能。
而低温条件下能够代谢外源物质的中温菌的数量少，活性低。
冷适应微生物的数量虽然有所上升但和常温条件下的中温菌相比数量较少，活性也较低。
所以低温条件下微生物菌群的分泌能力低，胞外聚合物的数量大为减少，微生物间的相互作用变弱，从而导致活性污泥颗粒细碎，不易形成大颗粒絮状体，常常是细小的泥粒等速共沉，沉速较小，温度越低这种现象越明显。
本试验还发现当反应器内MLSS控制在2600 mg/L左右，进水COD控制在400mg/L，pH 控制在7.0左右，DO控制在2.0mg/L时，系统SVI值随温度的下降逐渐升高。
15℃时SVI 值为80，当温度降低到5℃时，SVI值达到150，通过镜检发现有相当数量的丝状菌出现。
研究认为温度是影响丝状菌生长的重要因素之一，当温度低于10℃时，丝状菌的生长速率大于菌胶团的生长速率，从而使菌胶团的生长受抑止，丝状菌的大量繁殖造成了活性污泥的絮体细碎，进而影响了系统的沉降性能[7]。
4.结论① 15℃时，系统对于COD的去除率基本保持在85%～90%之间，随着温度下降COD的去除率开始有明显的下降，10℃时COD去除率为59 %， 5℃时，COD的去除率下降至最低的41%。
低温条件下，随着污泥负荷的增加，BOD去除率迅速下降，在常温条件下则不明显，因此采用在冬季水温较低时将已驯化的高效耐冷菌种投加到反应池中，通过增加优势菌种的数量来提高活性污泥系统的处理效果是解决低温污水处理效果差的有效途径。
② 水温在5℃以下时，温度对活性污泥初期吸附作用影响较大， 随着反映时间的加长，温度对于COD去除率的影响将逐渐减少。
原因是低温时活性污泥颗粒细小分散，不易凝聚，冷适微生物所分泌的细胞外聚合物变少以及酶催化作用的减少降低了生化反应速度。
另外，活性污泥总吸附表面积不会因水温降低而减少，这也保证了低温吸附去除作用继续存在。
③ 低温条件下活性污泥的平均沉速较小，仅为 3.64 mm /min，沉降性能低于常温。
系统SVI值随温度的下降逐渐升高。
原因主要是低温细菌所分泌的胞外聚合物的数量大为减少，微生物间的相互作用变弱，从而导致活性污泥颗粒细碎，不易形成大颗粒絮状体，常常是细小的泥粒等速共沉，沉速较小；另外，低温造成了丝状菌的大量繁殖，也影响了系统的沉降性能。
因此应采用降低表面负荷，延长沉淀时间来克服低温所造成的对沉降性能的影响。
参考文献[1] 张自杰, 戴爱临. 国内城市污水低温生物处理试验（上）[J]. 环境工程. 1984, (1):11～16[2] 张自杰, 戴爱临. 国内城市污水低温生物处理试验（下）[J]. 环境工程. 1984, (2):19～22[3] 任南琪, 周大石, 马放. 水污染控制微生物学[M]. 哈尔滨: 黑龙江科学技术出版社, 1993[4] R. Y. Ｍorita. Psychrophilic Bacteria. Bacterial[J]. Rev. 1975, 39(1): 146～167[5] 辛明秀, 周培瑾. 低温微生物研究进展[J]. 微生物学报. 1998, 38(5):400～403[6] 姜安玺, 孟雪征. 耐冷菌的分离及在低温污水处理中的应用研究[J]. 哈尔滨工业大学学报. 2002,34(2):563～566[7] 崔洪升, 王宝贞. 寒冷地区城市污水处理厂污泥膨胀及其控制方法[J]. 哈尔滨建筑大学学报. 2001,34(2):79～82- 5 -Experimental Research on Biological Treatment Effect atLow TemperatureHAN Hong-jun , MA Wen-cheng(Harbin Institute of Technology, 150090)AbstractIn northern area, there was always a problem to treat low temperature sewage, for the low efficiency and difficulty to reach the criterion in winter. The paper was studied on the variation of adsorption, degradation and settling performance caused by temperature through simulating natural temperature drop process. The results show that when it reaches to 5℃, COD removal rate reduces in large range compared to ordinary temperature. Drop of temperature has large effect on adsorption performance of activated sludge in initial stage and it becomes more obvious with temperature falling. Settling performance is obviously lower in low temperature than ordinary temperature.Key words: low temperature, activated sludge, adsorption performance, settling performance, cold adapted microorganism作者简介：韩洪军，男，博士，教授（博导），研究方向为污水生物处理理论与技术，高浓度有机废水处理。