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1、低溫對污水處理工藝的影響
目前，國內(nèi)外通用的污水處理技術(shù)主要是采用生物法，此方法具有處理徹底、有機物降解率高、二次污染小、能耗低和運行管理方便等優(yōu)點。但也存在微生物對環(huán)境的適應有要求，特別是水溫受自然環(huán)境影響的問題較難解決。國內(nèi)外大量的理論與試驗研究表明，正常水處理條件利用的是中溫菌，在15～35℃之間有較好的活性，當水溫低于8℃或高于35℃時，微生物反應的速度明顯降低。實際運行中，水溫高于35℃的情況較少，降低水溫也比較容易。當水溫低于8℃時，中溫菌活性降低或死亡，但在北方地區(qū)保持水溫不低于8℃則是很困難的事，耗能和保溫都存在問題。所以，如何保證北方地區(qū)污水處理廠冬季正常運行是一個急需解決的重要問題之一。
溫度是一個重要的生態(tài)因子，是影響微生物生長與存活的*重要因素之一，對生物個體的生長、繁殖、新陳代謝及生物種群分布和種群數(shù)量起著決定作用。此外，溫度對活性污泥的絮凝沉降性能、曝氣池充氧效率以及水的粘度都有較大影響。
由于低溫引起微生物生長緩慢和酶促反應速度下降，必將導致活性污泥活性降低，使得生物處理反應速率下降。
圖2 中溫性細菌生長速率和溫度關(guān)系
聚丙烯酰胺PAM廠家設(shè)計運行寒冷地區(qū)城市污水處理廠
圖3 溫度對酶促反應速度的影響
聚丙烯酰胺PAM廠家設(shè)計運行寒冷地區(qū)城市污水處理廠
根據(jù)生長溫度特性，微生物大致可分為3類：高溫菌、中溫菌和低溫菌。低溫菌通常又被細分為兩類：一類是必須生活在低溫條件下，其*高生長溫度不超過20℃，在0℃可生長繁殖的微生物稱為嗜冷菌;另一類是*高生長溫度高于20℃，在0~5℃可生長繁殖的微生物稱為耐冷菌。這兩類微生物的生態(tài)分布和低溫微生物學特征均存在差異，它們以獨特的生理功能適應環(huán)境.當環(huán)境溫度超過其*高生長溫度時，有些嗜冷菌細胞溶解且隨之死亡。而耐冷菌比嗜冷菌更能忍受溫度波動，其溫度適宜范圍也比較寬。因此，耐冷菌更適用于污水處理。
盡管已證明嗜冷性微生物在低溫下具有較高的污染物降解能力，并且已分離到幾種耐低溫酵母菌，但是由于嗜冷性微生物種類較少，且污水中的生物量也少，易在活性污泥中流失，所以其污染物去除能力沒有很好的發(fā)揮出來。又由于污水處理中的微生物大多數(shù)是適溫微生物，適溫微生物的*低生長溫度為10℃，低于10℃時，起主要降解作用的中溫菌已經(jīng)失去了降解有機物的能力，而冷適微生物由于世代時間較長，并且受自身生理特性和各種生態(tài)因子的抑制作用，在數(shù)量上不能達到一定的程度，在量與質(zhì)上并未形成優(yōu)勢群體，從而導致了生物處理效果的降低。因此，低溫條件下市政污水廠活性污泥中微生物種群數(shù)量少、活性低、分解有機物能力弱、處理效率低、出水水質(zhì)差。
在北方寒冷地區(qū)，水溫降低或過低可能使得污水處理過程出現(xiàn)一系列困難或問題，包括物理與生物吸附能力下降，生物活性降低，沉淀不易，污泥膨脹等，導致污水處理量與出水水質(zhì)很難保證與達標。
吸附作用
水溫在5℃以下時，溫度對活性污泥初期吸附作用影響較大，水溫愈低愈明顯。
0℃時初期吸附作用不明顯，5℃的吸附曲線初期吸附作用較高，隨著溫度的升高，初期吸附效果變好。這是因為冷適微生物所分泌的細胞外聚合物變少以及酶催化作用的減少降低了生化反應速度，低溫時微生物本身代謝功能也逐漸減弱，吸附在活性污泥表面上的有機物，不能很快被降解，未降解的有機物在活性污泥吸附表面上有所積累，在一定程度上改變了被多糖類粘液層包覆的吸附表面的性質(zhì)，污泥的表面活性恢復的較慢，從而降低了活性污泥的吸附作用。如果延長生物反應時間，溫度對于COD 去除率的影響將逐漸減少。這可以認為總吸附表面積不會因水溫降低而減少，這就保證了低溫吸附去除作用繼續(xù)存在。
污泥沉降
低溫條件下活性污泥的沉速較小，常溫條件下活性污泥的沉降性能明顯好于低溫條件下活性污泥的沉降性能。主要原因如下，常溫條件下的中溫菌分泌的胞外聚合物較多，使污泥的絮體結(jié)構(gòu)密實、大小適中，容易形成大塊絮狀體沉淀下來，因此具有良好的沉降性能。而低溫條件下能夠代謝外源物質(zhì)的中溫菌的數(shù)量少，活性低。冷適應微生物的數(shù)量雖然有所上升但和常溫條件下的中溫菌相比數(shù)量較少，活性也較低。所以低溫條件下微生物菌群的分泌能力低，胞外聚合物的數(shù)量大為減少，微生物間的相互作用變?nèi)?，從而導致活性污泥顆粒細碎，不易形成大顆粒絮狀體，常常是細小的泥粒等速共沉，沉速較小，溫度越低這種現(xiàn)象越明顯。從水質(zhì)特點上分析，低溫環(huán)境下，水的粘滯性增高，固體顆粒沉降阻力增大，降低了泥水分離效果，沉淀后的上清液仍有細小的懸浮顆粒隨出水帶走。
污泥膨脹
有關(guān)研究表明在寒冷地區(qū)城市污水廠，除低氧、低負荷外，溫度也確是影響污泥膨脹的重要因素。專家通過對膨脹污泥的顯微觀察和生化分析認為微絲菌屬的小胸蟲在低溫條件下會引起污泥膨脹。此細菌適合的生長環(huán)境是低溫、低負荷，在這種環(huán)境下它的絲特別長，具有疏水性特點。低溫導致絲狀菌的過度生長是寒冷地區(qū)冬季和春季污泥膨脹的主要原因。
污泥脫水
對于低溫運行的活性污泥，顆粒密度是影響污泥比阻的主要因素，而對于常溫活性污泥，顆粒大小才是影響污泥比阻的主要因素。同時，低溫下絲狀菌的大量出現(xiàn)導致了污泥絮體疏松、密度減小，進一步導致污泥比阻和沉降指數(shù)增大。與常溫運行活性污泥相比，低溫運行活性污泥所攜帶的負電荷少而具有更高的親
水性;低溫活性污泥的胞外分泌物中含有更多的粘性物質(zhì)，使污泥的壓縮性降低而難于沉降。
2、寒冷地區(qū)水質(zhì)水量特點
污水是以其物理、化學和生物的組分來表征的。污水處理廠設(shè)計的前提條件是必須正確掌握污水的水質(zhì)，由于污水的組成成分極其復雜，難以用單一指標來表示其性質(zhì)。因此，在眾多的水質(zhì)指標中，按污水中雜質(zhì)形態(tài)大小分為懸浮態(tài)物質(zhì)和溶解態(tài)物質(zhì)兩大類，每類按其化學性質(zhì)又可分為有機性物質(zhì)和無機性物質(zhì);按是否消耗水體中溶解氧，又可分為生物化學需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)等。在污水處理系統(tǒng)設(shè)計時，污水水質(zhì)是確定處理設(shè)備能力和操作特性并確保達到處理目標的必要條件，也是污水處理廠規(guī)劃、設(shè)計和運行管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。城市污水中污染物的含量與用水量、排水系統(tǒng)、氣候以及生活習慣等相關(guān)，
北方地區(qū)冬季寒冷，污水溫度低，同時由于生活習慣的差異，城鎮(zhèn)污水具有以下特點。
(1) 水溫低。氣溫隨著季節(jié)呈周期變化，而水溫則隨氣溫變化，但其變幅相對較小，特別是污水管道中水溫變幅不大。北方低溫地區(qū)的市政污水溫度一般在8~15℃，少數(shù)在6~8℃。
(2) 水質(zhì)較差。由于該類地區(qū)冬季蔬菜較貴，居民多以肉食為主，且地下水位較深，污水中滲入水少，居民用水量小，洗浴水少，故水質(zhì)較差，含油多，污染物含量高。低溫下管道自分解能力弱，夜間水質(zhì)較好，白天差，晝夜變化較大。
(3) 水量變化大。該類地區(qū)冬季晝短夜長，所以白天的污水排放較為集中，而夜間污水量較少，所以晝夜水量變化較大，易對污水廠形成水質(zhì)水量沖擊。
由于其特殊的水質(zhì)水量特點，在選擇城市污水處理工藝時，不僅要考慮水質(zhì)水量波動對工藝的影響，更要考慮溫度變化對工藝的影響，并在設(shè)計時采取適當?shù)募夹g(shù)措施，保證低溫條件下市政污水廠的正常運行。
×××市位于吉林省，屬于北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨，冬季寒冷漫長，春秋季較短。年均氣溫4.3℃，極端*低氣溫達到零下40℃，多年平均降雪約20mm，歷年*大積雪深度達到460mm左右，*大凍土深度約-1.90m。
×××污水處理廠北緯約44度，屬于我國北緯 35 度以北的地區(qū)，冬季寒冷，冰凍期長，降雪量大，晝短夜長，冬季進水溫度一般在6~10℃，水量、水質(zhì)變化較
大，易對污水處理廠形成水質(zhì)、水量沖擊，使活性污泥中活性污泥微生物種群數(shù)量少、活性低、分解有機物能力弱，導致污水處理效率低，出水水質(zhì)較差。
3、寒冷地區(qū)污水廠工藝設(shè)計
在寒冷地區(qū)建設(shè)污水處理廠時，除要充分考慮原水的水質(zhì)狀況、水量變化、處理水的出路、占地面積、運行費用等因素外，還需考慮低溫對生物處理的影響。由于特殊的氣候條件，北方地區(qū)污水廠設(shè)計時必須慎選設(shè)計參數(shù)，注意構(gòu)筑物及設(shè)備管閥的保溫。要采取適當?shù)募夹g(shù)措施，保證在低溫季節(jié)也能正常運行。
(1) 設(shè)計參數(shù)的選擇適當降低污水處理構(gòu)筑物的有機負荷和表面負荷設(shè)計參數(shù)。
(2) 池體設(shè)計除超高外，池體宜全部設(shè)于地下，從而滿足池體冬季保溫的需要。
(3) 鼓風機房設(shè)計應考慮提高風溫的加熱室設(shè)計，將冷空氣溫度加熱至
8~12 ℃，以提高曝氣池水溫，這樣可使曝氣池水溫在*冷月份保持在8℃以上，并在選擇風機時適當放大設(shè)計參數(shù)。
(4) 池型設(shè)計適當減小池子的平面尺寸，加大池子豎向尺寸，減少平面散熱面積。
(5) 利用太陽能，采用采光保溫罩等加蓋措施，減少生物反應池內(nèi)熱量散失，防止冬季降雪引起的反應池內(nèi)污水降溫。
(6) 設(shè)備及管閥設(shè)計設(shè)備*好設(shè)于室內(nèi)，否則應采取保溫措施。管、閥宜設(shè)于管廊內(nèi)。
(7) 污泥系統(tǒng)設(shè)計有污泥回流時宜取回流比的上限，以維持生物池的高生物量。
(8) 污水處理各露天構(gòu)筑物池壁采用發(fā)泡保溫板保溫，外砌磚圍護結(jié)構(gòu)等進行保溫處理。
4、寒冷地區(qū)污水廠運行
不得不采取增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施，這些措施可能又進一步會降低污水水溫，尤其是污水停留時間的增長，會導致污水水溫隨時間線性下降。
通?？赏ㄟ^增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施讓耐低溫菌盡可能代謝污染物。
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目前的工程中一般采用降低污泥負荷、增加污泥回流量、增長水力停留時間甚至對池體做升溫或保溫等措施，以保證污水廠在冬季時的正常運行，但這不僅會增加工程的投資和運行費用，還會帶來污泥膨脹等一系列問題。
現(xiàn)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(jié)構(gòu)，池頂加蓋等保溫措施;
(2) 鼓風機一側(cè)設(shè)空氣預熱室，將冬季-25～-30℃的冷空氣預熱到5～8℃;空氣管道設(shè)置管廊，便于保溫處理等。
(3) 適當加熱污泥，包括回流污泥;
(4) 用熱蒸汽給進入曝氣池的污水加熱。
現(xiàn)行的這些辦法會增加污水處理的成本。
5、問題分析
5.1設(shè)計規(guī)模
×××污水處理廠設(shè)計規(guī)模2×104 m3/d，目前實際處理水量1.5×104~1.6×104 m3/d，實際規(guī)模與原設(shè)計略有出入，這是我國目前污水處理廠普遍存在的問題。設(shè)計規(guī)模偏大，導致設(shè)備與運行狀態(tài)不符，運行控制狀態(tài)調(diào)整困難，由此產(chǎn)生出水水質(zhì)超標，同時造成水處理成本增加。
5.2污水水質(zhì)
國家標準《室外排水設(shè)計規(guī)范》GBJ14-87(2005年版)中，建議對城市污水處理廠的設(shè)計水質(zhì)需要進行調(diào)查，然后確定進水水質(zhì)。然而，有關(guān)的調(diào)查方法，取得的數(shù)據(jù)處理等則未作規(guī)定。由于缺乏水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和有效的數(shù)據(jù)處理方法，目前己建成的部分城市污水處理廠實際進水水質(zhì)與設(shè)計水質(zhì)存在較大差異，嚴重影響了城市污水處理廠的運行。
×××污水處理廠設(shè)計水質(zhì)偏高，目前實際進水水質(zhì)約為設(shè)計水質(zhì)的一半左右，原設(shè)計進水水質(zhì)確定方法需要進一步探討，對當?shù)爻鞘形鬯|(zhì)狀況缺乏詳細調(diào)查，緊緊依靠吉林當?shù)赝愇鬯幚韽S的設(shè)計水質(zhì)來確定設(shè)計水質(zhì)，由此造成設(shè)計偏差，從而導致污水處理廠建成后，進水負荷不足，造成一定的投資浪費，并造成實際運行的困難。
5.3 運行管理
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由于原設(shè)計水量水質(zhì)與實際狀態(tài)不一致，需要根據(jù)實際狀況調(diào)整運行策略，從而保證出水水質(zhì)達標，避免造成運行成本過高。
CAST生物反應池是污水二級處理的核心，采用4系并聯(lián)運行，CAST工藝具有一定的靈活性，可以根據(jù)水質(zhì)水量變化調(diào)整運行的個數(shù)以及各個反應時段的時間，從而達到*佳運行狀態(tài)。目前×××污水處理廠按照原設(shè)計控制方案運行，造成處理負荷過低，難以維持較高的活性污泥量，同時導致運行費用過高。
吉林地區(qū)冬季*冷月氣溫可降至-20~-30℃，在常溫條件下培養(yǎng)的污泥隨著水溫的降低，需要進行微生物的種屬篩選和淘汰，逐步適應了低溫的自然環(huán)境，建立了新的生物平衡關(guān)系。當溫度在10℃時，保持較穩(wěn)定的低溫運轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時間，污水溫度與微生物建立穩(wěn)定的平衡關(guān)系后，處理效果可接近正常溫度的水平。
目前×××污水處理廠緊緊經(jīng)過一個冬季的考驗，去年冬季開始調(diào)試，缺乏冬季運行的經(jīng)驗。
6、技術(shù)調(diào)整方案
針對×××污水處理廠現(xiàn)狀，從輸水管網(wǎng)、進水水質(zhì)、控制策略、冬季保溫等方面提出以下技術(shù)調(diào)整改造方案。
6.1污水收集
2010年×××市總?cè)丝?7萬人，其中城鎮(zhèn)人口21萬人。由于當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平限制，污水管網(wǎng)雨污混接是突出的問題。雨污分流系統(tǒng)改造不到位，雨污混流、地下水滲入以及河水倒灌等問題導致污水處理廠進水污染物濃度降低。
應按照“廠網(wǎng)并舉、管網(wǎng)適度超前”的原則，采取一切必要措施，加快污水收集系統(tǒng)的建設(shè)進度，及時足量地將污染物收集到污水處理廠予以處理，充分發(fā)揮污水處理設(shè)施的污染物減排效益。
應加大對現(xiàn)有雨污合流系統(tǒng)的改造力度，盡量實現(xiàn)雨污分流，由于客觀困難無法實現(xiàn)分流的區(qū)域應加大截留倍數(shù)，盡量提高污染物收集率，減少直接向水體溢流。另外，應強化對管網(wǎng)的養(yǎng)護管理，及時進行大修維護，防止污水大量外滲或地下水大量滲入。應在污水管網(wǎng)的安全溢流口設(shè)置逆止裝置，防止河水大量倒灌進污水管網(wǎng)，降低污水處理效率。
6.2 低負荷運行策略
由于實際處理水量不足，約為設(shè)計的80%，進水COD約為設(shè)計的50%，目前
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污水處理廠運行負荷不足原設(shè)計的一半，導致現(xiàn)有污水處理廠運行出現(xiàn)一定問題。
CAST中污泥濃度偏低主要是由于進水負荷太低造成的，在進水負荷不足，采用原設(shè)計的4池運行方式和曝氣強度，必然導致活性污泥營養(yǎng)不足，產(chǎn)生自我消減，反硝化碳源不足，從而導致目前處理效果不加，特別是出水氨氮超標。同時浪費曝氣的電耗。
CAST工藝運行具有一定的靈活性，根據(jù)目前水量水質(zhì)現(xiàn)狀，可以適當調(diào)整CAST工藝，采用2格或3格運行方式，達到微生物增殖的合適負荷，提高污泥濃度，并保證出水達標。
6.3 CAST運行周期
CAST運行一個周期包含進水、曝氣、沉淀和潷水 4 個階段，根據(jù)目前水量水質(zhì)現(xiàn)狀，污泥濃度、污泥齡以及污泥回流比等控制參數(shù)，可以適當調(diào)整每個周期和其中任何一個階段時間，保證每個階段達到*佳效果。
6.4 運行參數(shù)控制
冬季微生物的增殖緩慢，數(shù)量不高，消耗氧的數(shù)量少，冬季污水中原有少量熱量經(jīng)鼓風曝氣會很快散發(fā)，使原本較低的進水溫度降得更低，因此通過控制曝氣量以減少曝氣過程中對水的熱量損失。另外可以提高污泥回流比，減少污泥排放，延長污泥齡，維持CAST中較高的污泥濃度。
6.5 耐冷菌馴化
×××地區(qū)進入秋季，氣溫就開始下降。在常溫條件下培養(yǎng)的污泥隨著水溫的降低，需要進行微生物的種屬篩選和淘汰，逐步適應了低溫的自然環(huán)境，建立了新的生物平衡關(guān)系，保證冬季污水處理廠基本處于正常運行狀態(tài)。
6.6 生物強化
生物強化處理工藝是指向生化處理系統(tǒng)中投加高效菌種或載體，以提高系統(tǒng)中的微生物活性或濃度、強化生化處理效果的一種有效手段。
冬季向系統(tǒng)投加在低溫條件下仍可有效降解污染物的耐冷菌、經(jīng)固定化處理的耐冷菌、遺傳工程菌等，通過高效菌種的直接作用或共代謝作用實現(xiàn)對低溫污水的強化處理。
二是向活性污泥曝氣池中投加載體，以利于微生物附著生長并形成高效生物膜，利用懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜共同承擔去除低溫污水中污染物的任務，提高反應池中生物量，防止污泥膨脹，改善泥水分離效果。投加的載
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體可以選用聚氨酯泡沫、粉末活性炭、硅藻土以及鐵鹽等。
6.7 空氣加熱
冬季污水中原有少量熱量經(jīng)鼓風曝氣會很快散發(fā)，使原本較低的進水溫度降得更低，要提高鼓風機進風溫度，該廠在風機一側(cè)設(shè)空氣預熱室，將冷空氣加熱至8~10℃左右，再經(jīng)風機加壓升溫?？諝夤艿啦捎霉芾刃问剑由w保溫處理，減少裸露空氣管道的沿程熱量損失。以提高曝氣池水溫，這樣可使曝氣池水溫在*冷月份保持在8℃以上。
6.8 保溫措施
北方污水處理廠通常需要采用池體半地下或全地下形式、池壁保溫、池頂加蓋等方式，保證污水冬季水溫達到生化處理的基本溫度要求。×××污水處理廠原設(shè)計在保溫方面不足，地上式的建筑結(jié)構(gòu)不利于保溫，因此需要對整個污水處理廠露天構(gòu)筑物進行保溫處理。防止冬季池面結(jié)冰、池中水溫過低，影響處理效果。
具體可采取如下措施：CAST池地面以上池壁保溫，采用池外壁圍厚10cm發(fā)泡保溫板，外砌磚作圍護結(jié)構(gòu)。池面采用日光棚保溫結(jié)構(gòu)，在冬季雨雪時候防止進入池內(nèi)，防止熱量散失，冬季可以使池內(nèi)溫度提高約1℃。細格柵間、旋流沉砂池在室內(nèi)，要保證室內(nèi)采暖正常，減少熱量散失。
7、結(jié)論
×××市污水處理廠為了實現(xiàn)全年穩(wěn)定達標排放，需要完善設(shè)計中的不足，調(diào)整運行策略，進行必要的改造，提高管理水平等多方面綜合考慮，*終實現(xiàn)污水處理廠的優(yōu)化運行，保證出水穩(wěn)定達標，節(jié)省運行費用。
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