从污水厂冬季运行氨氮的问题深入探讨污水厂的实验性课题研究

处于温带也就是我国北方地区的污水厂，在冬季运行期间可能都要认真考虑指标的稳定达标的问题，水温的变化是对出水指标影响的重要因素，这种情况可以称为四季分明的北方地区污水厂季节性的运行问题。如果单纯的解决水温的问题是比较简单的，增加加热措施就可以了，但是污水厂的流量都较大，加热污水成本极高，能耗极大，和未来的碳减排的目标是完全背离的。因此污水厂运管人员通常会采用增加混合液悬浮固体 (MLSS)、延长污泥曝气时间或曝气充氧量和延长污泥停留时间 (SRT) 来应对季节性工艺问题。但是在实际操作中这样也存在着伴生的其他问题，普通的活性污泥法工艺构筑物的设计和参数设定都不是以高浓度的长污泥龄的活性污泥考虑的，过高的污泥浓度和过长的污泥龄往往带来污泥泡沫和污泥膨胀等问题，使得冬季污水厂的运行管理困难度极大。

针对这样的问题，污水厂常年处于困顿的运行状态中，也激发了很多高校的科研机构对污水厂的冬季问题进行研究。每年都有大量的科技文献对污水厂的冬季问题进行科学的探讨和研究，这些科技文献资料从各个侧面对污水厂的冬季运行问题进行了深入的研究，今天我们就来了解一些关于季节变化对氨氮去除研究科技内容。

对于常年运行污水厂的运维人员都比较了解，氨氮的去除能力较弱，受冬季低水温的影响也比较大，为了保证冬季氨氮的稳定达标，需要采取各种工艺手段来调整活性污泥的性质，提高活性污泥对氨氮的去除效果，但是受到实际工况和微生物反应的未知的影响，很多时候采取工艺手段的周期性规律性非常难以掌控，造成冬季运行的时好时坏。

生物硝化过程通常由不同分类的微生物群进行。首先，氨化细菌将氨氧化成亚硝酸盐，然后亚硝酸盐氧化细菌进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。近年来的科技研究还发现了氨氧化细菌（comammox），它们能够通过亚硝酸盐将氨直接氧化为硝酸盐，也就是短程硝化的机理。传统意义粗略描述是这样的一个过程，但是它们在生活污水处理中的作用需要进一步研究，运营污水厂需要更多更详细的细节来加以注意，以便更好的进行工艺调控。

利用实验室的研究提供了硝化过程中的很多方面的资料，比如碱度的消耗，对溶解氧的需求，对污泥龄的需求等等，这些发现对日常的工艺管理也产生了良好的促进作用，也使污水厂对氨氮指标的管控有了较好的工艺控制措施。但是随着全球水环境问题的日益突出，对污水厂的处理出水指标的越来越严苛的要求，污水厂必须进行更精细化的工艺控制来提升硝化反应的效果。这对硝化细菌的作用过程就需要进行更为深入的研究，现在科技手段对微生物的研究已经可以利用DNA的手段进行研究，可以大幅度的提升研究的准确性。

科学研究通过在实际运行的污水厂中，接引每日实际进水，利用厂内曝气池内的实际存在的活性污泥，建立了SBR模组进行了长达一年的实验，基本涵盖了污水厂一年四季的水温变化情况。通过采集活性污泥的样本进行DNA的测序分析，使用根据16S标记基因的序列相似性对细菌进行分类的宏基因组学中的OTU来进行细菌的标定。一个OTU由一组16S标记基因显示97%及以上序列同一性的细菌组成，通过检测不同温度下的OTU的种类丰度来确定活性污泥中的硝化菌的数量变化情况。在一年的研究中，最终得出了一些实验的结果：

1、温度是SBR实验反应器中硝化菌多样性变化的主要驱动因素

2、高度同步的反应器中存在微生物群落结构的季节性变化的模式

3、 一组OTU核心丰度极高，并且各SBR反应器之间丰度基本一致

4、单个 OTU 仅在SBR反应器中的任何一个以季节性（单季、多季）或较短时间发生

5、尽管冬季月份活性污泥硝化性能下降，但氨氧化细菌等关键功能组仍保持稳定的种群丰度。

上述结论从DNA族谱的角度来进行活性污泥硝化作用在季节变化情况的影响，可以看出温度对硝化作用的影响是很大的，进一步的实地研究表明：

对特定地区的四个污水处理厂的设置的六个全尺寸SBR反应器内的微生物群落动态表现出高度可重复和同步的季节性波动。经过一整年的采样，单个SBR反应器在群落组成上保持了微小但稳定的差异。各个污水厂设施的活性污泥群落存在季节性群落演替，但每年会出现群落数量会持续漂移的情况。这种年度群落漂移将如何在长期年度时间尺度上影响活性污泥系统功能稳定性和过程性能，需要在未来进一步进行研究。对于活性污泥系统，季节性温度波动似乎主要是位于温带气候区的污水处理厂群落组成的主要决定性因素，而热带气候中的污水处理厂，年平均气温较温暖，年平均温度变化较小，群落持续漂移而不是季节性演替模式似乎推动了活性污泥微生物种群组成的变化。

这也说明我国北方污水厂在冬季运行期间，微生物的群落变化并不是主要的影响因素，可能更大的影响来源于微生物的反应动力受温度的影响更大，如何提升微生物的反应动力可能是更主要的工艺调整思路。

通过这个科技文献的解读和我们实际污水厂的生产运营实践，也说明了污水厂的实际运营问题的解决最终是需要更严谨的科学研究来验证的，盲目的采取措施，碰运气的调整方式将制约污水厂的精细化管理，建立污水厂运营管理和科研团队之间的信息沟通，激发科研团队来解决实际应用问题的应用型研究，也是污水处理行业未来能够满足全球水环境发展的迫切要求。