生物脫氮對環(huán)境條件敏感,容易受溫度變化影響。絕大多數微生物正常生長(cháng)溫度為20~35℃,低溫會(huì )影響微生物細胞內酶的活性,在一定溫度范圍內,溫度每降低10℃,微生物活性將降低1倍,從而降低了對污水的處理效果。工藝投入運行后,由于四季的交替和所處的地理位置影響,若不加以人工調控,溫度很難保持適宜。而溫度調控則會(huì )耗費大量的能源。
溫度是影響細菌生長(cháng)和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數微生物正常生長(cháng)溫度為20~35℃。溫度主要是通過(guò)影響微生物細胞內某些酶的活性而影響微生物的生長(cháng)和代謝速率,進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率;溫度還會(huì )影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度,以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內細胞質(zhì)的流動(dòng)性,進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸等代謝過(guò)程,并且普遍認為低溫將會(huì )導致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降,以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對微生物活性的抑制,不同于高溫帶來(lái)的毀滅性影響,其抑制作用通常是可恢復的。生物硝化反應可以在4~45℃的溫度范圍內進(jìn)行。氨氧化細菌(AOB)最佳生長(cháng)溫度為25~30℃,亞硝酸氧化細菌(NOB)的最佳生長(cháng)溫度為25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生長(cháng),而且影響硝化菌的活性。有研究表明,硝化細菌最適宜的生長(cháng)溫度為25~30℃,當溫度小于15℃時(shí)硝化速率明顯下降,硝化細菌的活性也大幅度降低,當溫度低于5℃時(shí),硝化細菌的生命活動(dòng)幾乎停止。大量的研究表明,硝化作用會(huì )受到溫度的嚴重影響,尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現硝化工藝穩定運行的案例較為常見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對硝化作用的影響,結果表明,溫度從12.5℃升至40℃,氨氧化速率增加,但當溫度下降至6℃時(shí),硝化菌活性很低。反硝化細菌生長(cháng)的最佳溫度為25~35℃,而我國冬季氣溫通常低于20℃,低溫成為冬季微生物反硝化脫氮的限制性因素。目前關(guān)于反硝化細菌的研究主要集中于對硝酸鹽去除能力的提高,對低溫限制下低濃度硝酸鹽水體中反硝化作用的研究仍然較少。JichengZhong等研究了太湖沉積物中的反硝化作用,經(jīng)過(guò)數月的實(shí)驗分析發(fā)現反硝化速率呈現季節性變化。U.Welander等考察了低溫條件下(3~20℃)反硝化工藝的運行性能,研究表明在3℃下反應器的反硝化速率僅為15℃下的55%。現行的解決辦法非常有限,在我國部分北方城市常用的措施有:(1) 曝氣池、二沉池等池壁采用發(fā)泡保溫板保溫,外砌磚圍護(爐渣、膨脹珍珠巖等填充)結構,池頂加蓋等保溫措施;(2) 鼓風(fēng)機一側設空氣預熱室,將冬季-10~-20℃的冷空氣預熱到5~8℃;空氣管道設置管廊,便于保溫處理等。(4) 用熱蒸汽給進(jìn)入曝氣池的污水加熱。現行的這些辦法都將會(huì )增加污水處理的運行成本。提高泥齡的最終表現是MLSS的提高,冬季微生物增殖緩慢,做為自養菌的硝化細菌增殖更為緩慢,提高泥齡可以使硝化細菌能保持在一定的范圍內(顏胖子:目的是保證硝化細菌為優(yōu)勢菌種),并且適當提高污泥濃度MLSS,在細菌代謝能力下降的前提下,可以使總量的污泥代謝能力能保持穩定。
經(jīng)固定化處理后,微生物的抗逆性能提高,能耐受外界環(huán)境的變化,從而保持了較高的活性。此外,微生物經(jīng)包埋固定后持留能力得以增強,可望實(shí)現反應器的快速啟動(dòng)和高效穩定運行。通過(guò)固定化可以削弱溫度變化對硝化作用的影響。張爽等研究了固定化硝化菌在不同溫度下對氨氮的去除效能,采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養的含耐冷菌的硝化污泥,用于處理常溫和低溫生活污水。結果表明,經(jīng)過(guò)固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下,也表現出了較高的硝化效率(>80%)。也有學(xué)者開(kāi)展了固定化反硝化細菌脫氮的研究,結果表明,經(jīng)過(guò)固定化處理,提高了反硝化細菌對溫度的適應性,固定化反硝化細菌對高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。固定化是一種有效的技術(shù)手段,然而也會(huì )使微生物活性有所降低,且固定化后,傳質(zhì)阻力會(huì )增大,氧的傳質(zhì)阻礙尤為明顯,固定化更能在厭氧條件下發(fā)揮其優(yōu)勢。此外,其成本也有待技術(shù)經(jīng)濟評估。馴化就是人為的在某一特定環(huán)境條件長(cháng)期處理某一微生物群體,同時(shí)不斷將它們進(jìn)行移種傳代,以達到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老育種方法。微生物的馴化是脫氮工藝運用到低溫環(huán)境中的重要措施,使微生物體內的酶和細胞膜的脂類(lèi)組成能夠適應低溫環(huán)境,并能在低溫條件下發(fā)揮作用。大量研究表明,通過(guò)適當的馴化策略,經(jīng)歷一定的馴化時(shí)間,低溫脫氮工藝可以實(shí)現穩定運行。逐步馴化即逐步較緩慢地將工藝溫度由適宜溫度降至目標溫度。在馴化微生物適應當前溫度下再將其溫度降低,進(jìn)一步馴化。尚會(huì )來(lái)等采用馴化方式,逐步降低溫度,每降1℃就穩定一個(gè)多月,半年后不刻意控制溫度,經(jīng)歷了冬季10℃的低溫,成功地穩定了常溫、低溫短程硝化反硝化,亞硝化率始終維持在78.8%以上。J.Dosta等通過(guò)該方法在18℃成功啟動(dòng)并穩定運行厭氧氨氧化工藝,但將溫度降至15℃時(shí),工藝系統失穩;并認為優(yōu)化的操作步驟應為:先在厭氧氨氧化最適溫度下,積累足夠的厭氧氨氧化生物量,然后再緩慢馴化微生物適應低溫條件。直接馴化就是將反應系統直接置于目標溫度下進(jìn)行馴化。K.Isaka等研究了在適度的低溫(20~22℃)下,厭氧生物濾池中利用厭氧氨氧化實(shí)現高效的脫氮。通過(guò)直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養,在經(jīng)過(guò)446d后,NLR達到8.1kg/(m3?d)。還在6℃檢測到了微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時(shí)的2.8kg/(m3?d)降至6℃的0.36kg/(m3?d)。楊朝暉等對比了兩種馴化策略下厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間,接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢反應的厭氧序批生物膜反應器中的生物膜(溫度為31℃),置于16℃的生化培養箱中馴化,最快56d成功啟動(dòng)了低溫厭氧氨氧化;接種與前者相同的生物膜,首先置于31℃的生化培養箱中,然后以每12d降低3℃的速度為梯度逐步降溫至16℃,最慢70d馴化結束,其馴化結束的標志是在16℃的環(huán)境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩定。以往的研究表明,微生物對溫度的逐步降低較為適應,如若溫度突然降低,則易引起系統的失穩;但較近的研究表明,直接將溫度降至目標溫度,馴化的時(shí)間可能會(huì )更短一些。對此尚需系統的研究來(lái)論證,試驗現象背后的機理仍有待揭示。