低温环境下反硝化除磷效能的多因素解析与调控策略.docxVIP

低温环境下反硝化除磷效能的多因素解析与调控策略

一、引言

1.1研究背景

在全球范围内，水体富营养化已成为一个严峻的环境问题，对生态系统和人类健康构成了重大威胁。随着工业化和城市化进程的加速，含有高浓度氮、磷等营养物质的生活污水、工业废水和农田地表水径流大量汇入湖泊、水库、河流和海湾水域，导致水体富营养化现象日益加剧。据相关研究显示，在开展营养状况监测的204个重要湖泊（水库）中，轻度富营养化状态湖泊（水库）占24.0%，中度富营养化状态湖泊（水库）占5.9%，主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数，总磷已经成为主要地表水体三大重污染指标之一。水体富营养化会引发一系列严重后果，如藻类等水生植物大量繁殖，形成水华或赤潮。这些藻类过度繁殖不仅会使水变得腥臭难闻，影响水体的感官性状，还会降低水体的透明度，阻碍阳光穿透水层，影响水中植物的光合作用，进而导致水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，破坏水生生态系统的平衡。此外，许多藻类还能够分泌、释放有毒有害物质，对动物和人体健康产生严重影响。

在导致水体富营养化的众多因素中，磷排放被视为关键因素之一。磷是生物体生长所必需的营养元素，但当大量的磷与其他营养物质一起排入水体时，会打破水体生态系统的平衡，引发藻类的过度繁殖。城市污水虽然磷含量相对较低，但其排放水量巨大，若未经有效处理直接排入水体，将严重污染水环境。除了生活污水，工业废水如黄磷生产废水、农药废水等也含有大量的磷，这些含磷有机废水毒性大、浓度高、生物难降解，一旦进入水环境，将对生态环境造成极为严重的破坏，威胁人类和水生物的生存。

为了有效解决水体富营养化问题，控制磷排放，各种除磷技术应运而生。传统的生物除磷技术主要基于聚磷菌（PAOs）的摄磷原理，在厌氧条件下，聚磷菌释放磷并摄取污水中的有机物合成聚β-羟丁酸（PHB）；在好氧条件下，聚磷菌分解PHB获取能量，同时过量摄取磷，通过排放富磷污泥达到除磷的目的。然而，传统生物除磷技术存在一些局限性，例如与硝化菌群泥龄不同，导致在实际运行中难以同时满足两者的生长需求；反硝化与释磷过程争夺碳源，当碳源不足时，会影响除磷效果；好氧阶段曝气能耗大，增加了污水处理成本。

反硝化除磷技术作为一种新型的污水生物处理技术，近年来受到了广泛关注。1993年，荷兰Delft大学的Kuba发现了一类能以硝酸盐为电子受体，在缺氧条件下摄磷的反硝化聚磷菌（DPB），实现了反硝化和除磷这两个生化过程的一体化。反硝化聚磷菌能够利用硝酸盐或亚硝酸盐替代氧气作为电子受体，在进行反硝化的同时过量摄取磷，这一过程不仅解决了传统工艺中碳源争夺的问题，实现了一碳两用，降低了污泥产量，还减少了氧的消耗，节约了曝气成本。

在实际应用中，反硝化除磷技术的性能受到多种因素的影响，其中温度是一个重要因素。反硝化除磷菌对温度变化较为敏感，尤其是低温环境会对其代谢活性、生长繁殖和除磷效果产生显著影响。硝化细菌的可生存环境温度在4-45℃之间，亚硝化菌的最适温度为35℃，硝酸菌的最适温度是35-42℃，在最适温度以下随着温度降低硝化细菌的活性也随之下降。反硝化的最适温度在15-20℃之间，低于此温度时反硝化菌的代谢能力降低到较低水平，反硝化反应受到明显抑制，当温度低于5℃时反硝化作用几乎停止。在低温条件下，微生物的新陈代谢和生理活性会受到抑制，微生物增殖速度下降，从而影响聚磷菌的释磷和吸磷效果，导致系统的除磷功能下降。此外，低温还可能导致聚糖菌成为生化系统中的优势菌群，破坏聚磷菌的优势地位，进一步影响反硝化除磷效果。

对于北方地区等污水季节温差变化大的区域，冬季水温较低，反硝化除磷技术面临着更大的挑战。因此，深入研究低温下反硝化除磷的影响因素，对于优化反硝化除磷工艺，提高低温条件下的除磷效率，解决水体富营养化问题具有重要的现实意义。通过对低温下反硝化除磷影响因素的研究，可以为污水处理厂在低温季节的运行管理提供科学依据，指导工艺参数的调整和优化，确保污水处理系统的稳定运行和出水水质达标，从而有效控制水体富营养化，保护水环境。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入探究低温条件下影响反硝化除磷效果的关键因素，揭示这些因素对反硝化聚磷菌代谢活动和除磷性能的作用机制。通过系统研究碳源种类及浓度、电子受体类型及浓度、pH值、污泥龄等因素在低温环境下对反硝化除磷的影响，明确各因素的最佳取值范围和相互作用关系，为优化低温反硝化除磷工艺提供理论依据和技术支持。

在实际应用中，对于北方地区等污水季节温差变化大的区域，冬季水温较低，反硝化除磷技术面临着更大的挑战。本研究成果将为这些地区的污水处理厂在低温季节的运行管理提供科学指导，帮助其通过调整工艺参数、优化运行条件等方式，提高低温