1. 引言
研究背景：在污水处理领域，低温环境是一个普遍存在的挑战，尤其是在北方寒冷地区，冬季低温对污水处理厂稳定运行造成了严重影响[1]。低温条件下，污水处理厂常面临出水超标、污泥膨胀、处理水量不足等严重问题，这些问题不仅威胁到水环境安全，也对区域可持续发展构成阻碍[4]。尽管污水处理厂通常通过调整工艺参数来应对低温影响，但当水温降至一定程度时，常规手段往往难以奏效。因此，解决低温污水处理问题对于环境保护和可持续发展具有重要意义。
研究目的与意义：本研究旨在全面分析低温条件下污水处理工艺的运行效果，并提出有效的改进措施，为提高低温污水处理效率、降低成本提供理论依据和实践指导[2]。通过对现有工艺运行效果的系统评估以及改进措施的技术经济分析，本研究期望为污水处理厂在低温环境下的优化运行提供科学支持，同时也为未来低温污水处理技术的发展方向提供参考[6]。
2. 常见污水处理工艺及低温下运行原理
2.1 常见污水处理工艺概述
活性污泥法通过悬浮生长的微生物絮体降解污水中的有机物，其流程包括曝气、沉淀、回流等步骤，具有处理效率高、适应性强等特点[3]。生物膜法则利用附着在固体介质表面的生物膜对污染物进行分解，典型工艺如生物滤池和生物接触氧化法，该法耐冲击负荷能力强且污泥产量低[5]。A²O工艺即厌氧 - 缺氧 - 好氧工艺，通过不同功能区的设置实现同步脱氮除磷，其流程复杂但处理效果全面。MBR工艺结合了膜分离技术与生物处理技术，以膜组件取代传统沉淀池，具有出水水质好、占地面积小的优势[3]。这些工艺在常规条件下均能有效处理污水，但在低温环境中会面临不同的挑战。
2.2 低温对污水处理工艺运行原理的影响
低温显著降低微生物的代谢活动与酶活性，从而影响污水处理工艺中污染物的降解途径和效率[14]。在硝化过程中，硝化细菌和亚硝化菌的适宜生长温度分别为35°C和45°C，当温度低于10°C时，其活性大幅下降，导致氨氮转化为硝态氮的速度减慢[3]。反硝化过程同样受到影响，反硝化菌在低温下的代谢速率降低，使得硝态氮还原为氮气的效率下降。此外，生物除磷过程中聚磷菌的活性也因低温而减弱，影响其对磷的吸收和释放能力[14]。这些受抑机制共同作用，导致低温条件下污水处理工艺的整体效率下降，难以达到预期处理效果。
3. 低温条件下污水处理工艺的运行效果分析
3.1 处理效率变化
在低温条件下，不同污水处理工艺对污染物的去除效率呈现出显著的变化。以陕西省某县城污水处理厂为例，该厂通过深挖系统潜能并结合芽孢杆菌优势菌种的改造思路，在进水温度仅有5℃、持续时间超过40天的极限条件下实现了稳定处理。运行结果表明，平均出水COD、NH₄⁺-N、TN、TP分别为19.49、0.095、11.24和0.188mg/L，达到了《陕西省黄河流域污水综合排放标准》A类[1]。然而，河北省某污水处理厂在冬季低温运行期间，主体生化处理工艺中活性污泥的硝化速率、反硝化速率和生物除磷效率显著下降，导致氨氮、TN、TP难以稳定达标[2]。这表明，不同工艺在低温下的处理能力存在明显差异。此外，商丘污水处理厂基于AAO工艺的数值模拟研究表明，通过调整混合液回流比和溶解氧浓度，可以在一定程度上提升脱氮效果，但除磷效果可能有所减弱[7]。这些案例表明，低温条件下污水处理工艺的处理效率受到多种因素的影响，包括微生物活性、工艺参数以及进水水质等。
3.2 出水水质达标情况
低温条件下污水处理厂出水水质达标面临较大挑战，尤其是氨氮和总氮指标往往难以满足排放标准。研究表明，低温会导致硝化细菌活性降低，从而抑制硝化反应的进行，使得氨氮去除率显著下降[7]。例如，在商丘污水处理厂的运行数据中，当水温降低至10℃以下时，氨氮出水浓度常高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准规定的5gN/m³[7]。此外，总氮的去除也受到反硝化速率下降的影响，尤其是在碳源利用率较低的情况下，反硝化过程难以高效完成，导致总氮超标[9]。对于总磷而言，低温条件下生物除磷效率的下降同样是一个突出问题。姚晓琰等的研究表明，在低温条件下，UCT-MBR工艺通过优化C/N比和回流比，可以实现较好的除磷效果，但其他工艺可能仍需依赖化学药剂辅助除磷[9]。因此，低温条件下污水处理厂出水水质达标的难易程度与具体工艺的选择及运行调控密切相关。
3.3 微生物活性变化
低温对活性污泥微生物群落结构和微生物活性产生了显著影响，进而直接作用于污水处理效果。研究表明，低温条件下微生物种类减少，生长繁殖速率减慢，且某些嗜温性微生物的活性受到明显抑制[6]。例如，在北方某矿区新建污水处理厂的实际运行中，平均水温为12.7℃时，系统对COD、氨氮和SS的总去除率分别达到86.92%、80.52%和94.70%，但微生物群落结构分析显示，低温导致微生物多样性降低，优势菌群向耐冷型微生物转变[8]。此外，低温还会影响微生物酶的活性，从而改变污染物的降解途径和效率。艾胜书等的研究表明，内置海绵与鲍尔环填料的悬浮球生物填料SBBR在10℃条件下仍能保持较高的微生物活性和系统稳定性，这得益于生物载体为微生物提供了良好的附着环境[8]。因此，低温条件下微生物活性的变化不仅是污水处理效果下降的重要原因，也是优化工艺设计和运行调控的关键切入点。
4. 低温条件下污水处理工艺的改进措施
4.1 工艺优化
4.1.1 调整工艺流程参数
在低温条件下，通过调整工艺流程参数可以有效提升污水处理效果。延长水力停留时间（HRT）能够增加污染物与微生物的接触时间，从而提高降解效率。研究表明，在低温环境中，适当增加HRT可显著改善COD和氨氮的去除率[7]。此外，增加污泥回流比有助于提高活性污泥浓度，增强微生物对污染物的代谢能力。例如，当混合液回流比从50%提升至400%时，脱氮效果有所增强，但除磷效果可能减弱，因此需要综合考虑各出水指标的变化[7]。调整曝气量也是优化低温运行的重要手段之一。低温条件下微生物的代谢活性降低，其对溶解氧（DO）的需求也随之变化。通过优化曝气量，不仅可以满足微生物的需氧量，还能减少能耗。实际案例表明，在低温条件下将溶解氧浓度控制在1.95 gO₂/m³左右，可以显著改善出水水质[11]。这些参数的调整需结合具体工艺和进水条件进行灵敏度分析，以确保优化方案的可行性。
4.1.2 组合工艺应用
组合工艺的应用是应对低温条件下污水处理挑战的有效策略之一。多级AO工艺和AO-MBR工艺因其较高的污染物去除效率而受到广泛关注。多级AO工艺通过分段进水的方式实现了碳源的合理分配，从而提高了脱氮效率。研究表明，在温度为(10±1)℃的条件下，采用三级AO耦合流离生化工艺处理低温废水，COD及NH₄⁺-N去除效率均超过90%，TN及TP去除效率达到80%[5]。AO-MBR工艺则结合了膜生物反应器的优势，能够在低温条件下实现高效的污染物去除。例如，在低温(7~13℃)条件下，多级AO-MBR工艺对COD、NH₃-N、TN和TP的去除率分别达到了96%、98%、85%和97.5%，出水水质满足GB 18918—2002的一级A标准[15]。这些组合工艺通过优化反应器内的微生物环境和污染物降解路径，显著提升了低温条件下的处理效果，为实际工程应用提供了可靠的技术支持。
4.2 设备改良
4.2.1 保温措施
在低温条件下，采取有效的保温措施对于维持污水处理系统的稳定运行至关重要。对污水处理池体和管道进行加盖保温或增加保温层，能够显著减少热量散失，从而维持适宜的反应温度。研究表明，北方寒冷地区的污水处理厂由于进水水温较低，常面临生物处理系统运行效率下降的问题。通过加强池体保温和管道埋深设计，可以有效缓解这一难题[4]。例如，将污水管道埋设在冰冻线以下或采取相应的保温措施，能够减少管内污水热量的损耗，确保污水温度在进入处理系统时保持相对稳定[4]。此外，加盖保温措施不仅可以提高池体内部温度，还能减少外界低温对微生物活性的影响，从而提升整体处理效果。尽管保温措施的实施需要一定的投资成本，但其长期效益显著，特别是在寒冷地区具有重要的应用价值。
4.2.2 优化曝气装置
优化曝气装置是提高低温条件下污水处理效果的关键措施之一。低温环境下微生物的代谢活性降低，其对溶解氧的需求也发生变化，因此优化曝气装置以提高氧转移效率显得尤为重要。研究表明，采用高效曝气设备如空气悬浮鼓风机，能够显著提高氧传递效率，从而满足低温条件下微生物对氧的需求[10]。此外，通过调整曝气强度和分布方式，可以进一步优化反应器内的溶解氧浓度，提升硝化反硝化效果。例如，在某污水处理厂的升级改造中，通过引入新型曝气装置并优化运行参数，成功实现了低温条件下出水氨氮和总氮的稳定达标[2]。这些改进措施不仅提高了处理效率，还降低了运行能耗，为低温污水处理系统的优化提供了重要参考。
4.3 添加特殊药剂
4.3.1 投加低温菌剂
投加耐低温菌剂是提高低温污水处理效果的一种有效手段。近年来，研究发现多种耐低温微生物能够在低温条件下保持较高的代谢活性，从而显著提升污染物的降解效率。例如，Microbacterium sp. SFA13和Pseudomonas mobil. M-8等菌株在低温条件下表现出良好的异养硝化性能，能够有效去除氨氮[3]。此外，通过富集培养和优化筛选获得的复合菌群，在10℃低温条件下对总氮的去除率可达到72%[13]。这些低温菌剂的投加不仅能够增强微生物群落的功能多样性，还能提高系统的抗冲击能力。然而，不同低温菌剂的应用效果和适用范围存在差异，需根据具体水质条件和工艺要求进行选择。
4.3.2 其他药剂投加
除了低温菌剂外，投加碳源、絮凝剂等药剂也是提高低温条件下污染物去除率的重要辅助手段。在低温环境中，由于微生物代谢活性降低，碳源不足可能导致反硝化效率下降。因此，适量投加外部碳源能够显著提升脱氮效果。例如，在UCT-MBR工艺中，通过调整C/N比为6.0，无需额外投加除磷药剂即可实现优异的脱氮除磷效果，其中缺氧池除磷率达到73.5%[9]。此外，投加絮凝剂如聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）能够有效去除污水中的总磷，确保出水水质达标。然而，药剂投加需注意剂量控制，以避免二次污染和运行成本的增加[12]。
5. 改进措施的经济成本分析
5.1 不同改进措施的成本构成
在低温条件下，污水处理工艺的改进措施涉及工艺优化、设备改良以及添加特殊药剂等多方面，这些措施的成本构成主要包括投资成本、运行成本和维护成本。工艺优化通常需要调整工艺流程参数或采用组合工艺，其投资成本可能涉及新建或改造处理单元，如增加曝气池体积或引入多级AO工艺，这会导致较高的初期建设费用[11]。然而，此类措施在长期运行中可能通过提高处理效率而降低单位水量的处理成本。设备改良方面，保温措施和优化曝气装置的实施需要购置保温材料或新型曝气设备，从而产生较高的投资成本。同时，这些设备的日常维护和能耗也构成了运行成本的重要组成部分。例如，对池体加盖保温虽能减少热量散失，但需定期检查和更换保温材料以维持效果[4]。此外，添加特殊药剂的成本主要体现在药剂采购费用上，尤其是低温菌剂的投加，虽然能够显著提升处理效果，但其价格较高且需持续投加，导致运行成本增加[3]。
5.2 成本效益评估
为了在实际应用中选取经济有效的改进方案，必须对各类改进措施的成本与带来的处理效果提升进行综合评估。工艺优化措施如延长水力停留时间和调整污泥回流比，尽管初期投资较大，但能够显著提高污染物去除效率，从而减少后续深度处理的成本[7]。例如，参考文献[11]中提到的生物处理工艺改造案例表明，通过优化运行控制参数，可在一定程度上弥补低温对处理效果的影响，且整体成本效益较为可观。设备改良措施的成本效益则与其使用寿命和节能效果密切相关。优化曝气装置虽需较高投资，但通过提高氧转移效率可降低曝气能耗，从而在长期运行中实现成本回收[2]。相比之下，添加特殊药剂的成本效益往往取决于药剂的选择和使用量。投加低温菌剂虽然能在短期内快速提升处理效果，但其高昂的成本限制了大规模应用[1]。因此，在实际选择改进措施时，需综合考虑污水处理厂的具体条件、资金预算以及长期运行目标，以实现最佳的成本效益平衡[4]。
6. 结论与展望
6.1 研究结论
低温条件下，常见污水处理工艺的运行效果普遍受到显著影响。活性污泥法、生物膜法、A²O工艺及MBR工艺等在低温环境中均表现出处理效率下降的现象，尤其是在硝化与反硝化过程中，由于微生物代谢活动减弱及酶活性的抑制，导致氨氮和总氮的去除率显著降低[3][14]。通过对实际案例的数据分析可知，在低温条件下，单一工艺往往难以满足出水水质标准，特别是氨氮和总氮超标问题较为突出[7][9]。此外，低温还导致微生物群落结构发生变化，活性污泥中微生物种类减少、繁殖速率减慢，进一步削弱了系统的处理能力[6][8]。
为应对上述挑战，多种改进措施被提出并验证其有效性。工艺优化方面，延长水力停留时间、增加污泥回流比以及调整曝气量等参数能够在一定程度上提升低温污水处理效果，且组合工艺如多级AO工艺和AO-MBR工艺的应用展现了更高的污染物去除效率[5][15]。设备改良层面，采取保温措施和优化曝气装置可维持适宜的反应温度并提高氧转移效率，从而改善低温条件下的处理性能[4][10]。同时，投加耐低温菌剂和其他辅助药剂也被证明是行之有效的策略，这些措施通过增强微生物活性或补充碳源等方式间接提升了系统的处理能力[3][13]。然而，不同改进措施的成本效益存在差异，因此在实际应用中需综合考虑投资成本、运行成本及维护成本等因素，以选择最为经济有效的改进方案[11]。
6.2 未来展望
随着低温污水处理技术的不断发展，新型耐低温微生物的研发与应用将成为重要方向之一。近年来，已有研究表明，某些耐低温功能菌如Microbacterium sp. SFA13和Pseudomonas mobil. M-8在低温条件下表现出优异的脱氮性能，这为未来低温污水处理提供了新的可能性[3]。此外，通过基因工程技术开发高效耐低温菌株，或利用混合菌群协同作用实现更高效的污染物降解，也将成为研究热点。与此同时，智能化控制技术的应用前景值得关注，例如基于人工智能的实时监测与动态调控系统，可以根据低温条件下污水处理工艺的运行状态自动优化操作参数，从而提高处理效率并降低能耗[13]。这些技术创新不仅有助于解决当前低温污水处理面临的难题，还将推动整个污水处理领域向更加高效、可持续的方向发展。
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作者简介：张静（1988—），女，汉族，河北邯郸人，大学专科，研究方向为水处理。
