梁 政

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

鐵路沿線的會讓站、越行站、獨立的工區(qū)、橋隧守護點、區(qū)間牽引變電所等單位絕大多數(shù)位于城鎮(zhèn)市政排水設施覆蓋之外，具有排放量小、水質(zhì)污染濃度低等特點。針對這些特點，實際工程中多采用厭氧生物濾池（AF）對這些場所的生活污水進行處理，處理后的污水多用于綠化、農(nóng)業(yè)灌溉等。

我國幅員遼闊，各地海拔高差、南北緯度相差很大，氣象條件大不相同。在相對溫暖、炎熱的中部、南方地區(qū)，中小車站厭氧濾池一般運行比較穩(wěn)定，出水水質(zhì)能滿足國家GB8978—1996《污水綜合排放標準》中的Ⅱ級標準，具體指標如表1。

表1 厭氧濾池進、出水水質(zhì)指標 單位：mg/L

在氣候寒冷、氣溫長年偏低的東北、西北地區(qū)，系統(tǒng)收集到的污水水溫普遍較低，冬季難以達到10 ℃以上。由于厭氧反應器對溫度有很高的要求，在寒冷地區(qū)繼續(xù)采用厭氧生物濾池處理后尾水不能達標排放。另外，東北、西北地區(qū)冬季嚴寒而漫長，普遍存在季節(jié)性凍土，一些地區(qū)凍土深度甚至超過3m，考慮到施工難度、系統(tǒng)維護及結(jié)構(gòu)合理性，厭氧濾池不能埋設太深，難以避免受到凍土層的影響。

厭氧反應過程的影響因素主要包括內(nèi)部因素和外在因素兩類：基礎因素（主要包括有機負荷、營養(yǎng)比、污泥濃度、混合接觸狀況等），外在因素（包括pH值、溫度、毒性物質(zhì)、氧化還原電位等［1］）。

1 厭氧反應的控制條件

1.1 水溫

按照3種不同嗜溫厭氧菌（5 ℃～20 ℃；20 ℃～42 ℃；42 ℃～75 ℃）工程上分為低溫厭氧（15 ℃～20 ℃）、中溫厭氧（30 ℃～35 ℃）、高溫厭氧（50 ℃～55 ℃）3種。溫度對厭氧反應尤為重要，當溫度低于最優(yōu)下限溫度時，每下降1 ℃，效率下降11%。在上述范圍，溫度在1 ℃～3 ℃的微小波動，對厭氧反應影響不明顯，但溫度變化過大（急速變化），則會使污泥活力下降，產(chǎn)生酸積累等問題［3］。

溫度對CODCr的去除率影響如圖1，對厭氧微生物活性的影響如圖2。

圖1 溫度去除率

圖2 溫度與厭氧生物活性

在低溫（10 ℃以下）條件下采用厭氧反應器處理低濃度的鐵路生活污水，出水難以達到Ⅱ級排放標準。如果繼續(xù)采用優(yōu)點眾多的厭氧生物濾池工藝，需要認真研究。

1.2 污水水質(zhì)指標

1.2.1 pH

厭氧水解酸化工藝，對pH要求范圍較松，即產(chǎn)酸菌的pH應控制4～7范圍內(nèi)；產(chǎn)甲烷反應控制范圍6.5～8.0，最佳范圍為6.8～7.2。

1.2.2 營養(yǎng)物

厭氧反應池營養(yǎng)物比例為C∶N∶P=（350～500）∶5∶1。

1.2.3 氧化還原電位

水解階段氧化還原電位為-100～+100mV，產(chǎn)甲烷階段的最優(yōu)氧化還原電位為-150～-400mV。

1.2.4 有毒有害物

抑制和影響厭氧反應的有害物主要有：無機物、有機化合物、生物異型化合物。

鐵路中小車站排放的污水性質(zhì)為生活污水，污水中不存在有毒有害物，其pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物一般符合厭氧反應的水質(zhì)條件。

1.3 主要工藝參數(shù)

1.3.1 水力停留時間（HRT）

保持進水濃度不變，水力停留時間的變化不僅影響泥水在厭氧反應器中的接觸時間，更影響到反應器有機負荷率的大小，隨著HRT的降低，反應器的有機負荷率會大幅增加，從而影響運行效果。

1.3.2 污泥負荷（NS）

增加污泥負荷，初期CODCr去除率會暫時下降，但經(jīng)過一段穩(wěn)定運行后，正常溫度下去除率會慢慢穩(wěn)定，在一定運行狀態(tài)下逐步提高污泥負荷，不會對反應器的運行造成不良影響。

2 低溫條件

自然界中大部分甲烷是在低溫環(huán)境下形成，隨著嗜冷產(chǎn)甲烷微生物的分離 （最低生長溫度-2 ℃～5 ℃）等一系列研究，已證明嗜冷消化的可行性。另一方面，生態(tài)學者認為各種低溫生態(tài)系統(tǒng)中，甲烷的生成是由嗜冷產(chǎn)甲烷古菌群落與其他微生物群落的相互營養(yǎng)作用決定［2］。因此，通過添加特定低溫水解菌群的菌株或者馴化的菌群，可為有機物厭氧降解及達標排放提供一個方向。

2.1 低溫厭氧細菌的馴化

厭氧消化存在水解酸化和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣兩個生化階段，考慮在這兩個階段馴化、優(yōu)選出低溫厭氧細菌和低溫厭氧生物添加劑。

2.1.1 水解產(chǎn)酸階段

水解性細菌生長代謝中產(chǎn)生的一系列酶類，如蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶和脂酶，這些酶是大分子有機化合物分解的主要催化劑，活性大小決定了厭氧發(fā)酵的速度［4］。通過分離和選擇在低溫條件下能大量分泌蛋白酶、淀粉酶和脂酶的細菌進行混合培養(yǎng)，并篩選在厭氧低溫條件下能促進厭氧菌群生長代謝的細菌，如糞鏈球菌及其他一些有益細菌進行混合培養(yǎng)，這些細菌同纖維素分解菌共同組成了有益微生物菌群［3］。鏈球菌污泥顆粒（SEM）照片如圖3。

2.1.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段

圖3 鏈球菌

嗜冷產(chǎn)甲烷菌對于自然界的碳素循環(huán)具有非常重要的意義，近年來引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注。利用嗜冷產(chǎn)甲烷菌實現(xiàn)低溫厭氧生物處理過程，可從本質(zhì)上突破低溫厭氧工藝的技術(shù)瓶頸，進而大大拓展厭氧生物處理技術(shù)的應用范圍并降低廢水處理的成本。產(chǎn)甲烷菌污泥顆粒（SEM）照片如圖4。

圖4 產(chǎn)甲烷菌

實際工程中，在北方寒冷地區(qū)沼澤地采集底泥，底泥內(nèi)棲息著大量天然的低溫甲烷菌。采用培養(yǎng)甲烷菌用的BalchM培養(yǎng)基，并用丙酸鉀代替乙酸鈉和甲酸鈉，用丙酸鉀及豬糞水作底物。在溫度10 ℃條件下馴化培養(yǎng)1年，然后再以纖維素（濾紙粉末）為基質(zhì)在室溫下培養(yǎng)2個月后作菌種使用［5］。就低溫馴化菌群而言，可以解決部分不可培養(yǎng)細菌（特別是產(chǎn)甲烷菌）的問題，但馴化周期較長、微生物互生關系復雜，對不同底物及溫度變化的適應性有限。

經(jīng)過長時間低溫條件培養(yǎng)，可以篩選出嗜冷菌群或者使普通的中溫菌群產(chǎn)生低溫適應性。但是，這個菌群對溫度上升非常敏感，容易失去低溫下保持的平衡，并且讓嗜中溫或高溫菌群迅速占據(jù)生長優(yōu)勢，低溫適應性也隨之減弱。因此氣溫變化從中溫轉(zhuǎn)入低溫厭氧時，額外添加冷適應菌群加快菌群調(diào)整是十分必要的［6］。

系統(tǒng)啟動中投入嗜冷產(chǎn)甲烷菌等生物菌種后，在10 ℃，污泥負荷2kgCOD/（m3·d），厭氧濾池裝置對鐵路生活污水CODCr，TOC，SS的去除率如圖5～圖6。

圖5 CODCr去除率

圖6 TOC、SS去除率

2.2 采用厭氧附著膜與厭氧顆粒污泥組合系統(tǒng)

厭氧顆粒污泥系統(tǒng)（如UASB），使微生物天然固化，進而提高了系統(tǒng)內(nèi)微生物對污水的處理效能并增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

厭氧濾池（AF）對半速度常數(shù)低時能生長的甲烷菌有選擇性，可降低出水VFA。對顆粒污泥的沉降性能也有很好的選擇性，可以增加反應器容納的生物量，延長SRT。

通過和其他反應器比較可發(fā)現(xiàn)，厭氧附著膜系統(tǒng)與厭氧顆粒污泥系統(tǒng)的結(jié)合（UBF）能夠充分發(fā)揮不同反應器的運行優(yōu)勢，有效提升單個反應器對污水中COD等的去除效率，有助于保障低溫條件下生活污水中污染物的高效去除［7］。

2.3 改善工藝技術(shù)參數(shù)

2.3.1 水力停留時間HRT

低溫環(huán)境下，水力停留時間8h，厭氧生物濾池的CODCr去除率可以達到54%，停留時間14h，CODCr去除率可以達到63%，但當水力停留時間從14h增加到16h，去除率提高不明顯。因此，從工程經(jīng)濟性出發(fā)，合理的HRT應控制在14h以下。

2.3.2 污泥負荷NS

系統(tǒng)運行成功的關鍵是使反應器中微生物合成的生物量大于流失的生物量。低溫條件下污泥沉降性降低，即使加大容積負荷，提高HRT，污泥負荷也無法達到設計條件，而且投資急劇升高。因此，低溫條件下厭氧生物濾池（AF）采用的污泥負荷一般為1.5～3kgCOD/（m3·d）。

3 結(jié)語

北方寒冷地區(qū)低溫環(huán)境下僅靠調(diào)節(jié)HRT、NS等設計參數(shù)，厭氧生物濾池既不經(jīng)濟也不能達標排放。通過在系統(tǒng)中接種、投加優(yōu)選出的嗜冷厭氧細菌，在低溫條件下也可采用較低的污泥負荷，當溫度從20 ℃降低到10 ℃以下時，溫度降低所產(chǎn)生的沖擊可以考慮由嗜冷生物量的比例增大來補償，具有十分重要的工程意義。

通過優(yōu)選出嗜冷厭氧細菌及改進工程措施后，厭氧生物濾池在啟動40d后CODCr去除率就能夠穩(wěn)定在60%以上，SS去除率也能達到40%，表明在低溫條件下處理鐵路低濃度生活污水達到Ⅱ級排放標準是可行的。

［1］趙慶良，高暢，魏亮亮，等.城鎮(zhèn)生活污水的低溫厭氧生物處理技術(shù)研究與應用進展［J］.環(huán)境保護科學，2014（5）：12-18.

［2］李香真.低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)研究［R］.成都：中國科學院成都生物研究所，1997.

［3］曾胤新，俞勇，陳波，等.低溫纖維素酶產(chǎn)生菌的篩選、鑒定、生長特性及酶學性質(zhì)［J］.高技術(shù)通訊，2005（4）：60-64.

［4］胡梅芬，李小明，曾光明，等.中低溫厭氧處理城市污水污泥顆粒化的研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設備，2005（10）.

［5］譚鐵鵬.廢水的低溫厭氧及低溫固化技術(shù)［J］.新疆環(huán)境保護，1994（6）：60-64.

［6］左劍惡，邢薇.嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應用［J］.應用生態(tài)學報，2007（9）：2127-2132.

［7］江瀚，王凱軍，倪文，等.厭氧生物水處理技術(shù)研究進展［J］.中國沼氣，2004（4）：18-21.