作者|上海保硕生物科技有限公司耿英慧华东师范大学张明
来源|腾氏水产商务网-当代水产杂志社
在集约化养殖模式下，水体有机污染严重，使用活菌制剂成了养殖户的必然选择。活菌制剂包括芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、硝化细菌等，多数情况应用于开放的池塘环境中，使用效果受到多种因素的影响，尤其低温下的效果更是受到了广泛的关注。但目前众多企业对其产品低温下使用剂量以及效果给出有效的数据支撑。
活菌制剂的菌株多分离筛选于自然环境，生物膜法水质处理是通过水体中微生物富集生长于特定的载体上来净化水质的，两者具有相似之处。因此本文通过低温下生物膜法对黄浦江上游水体中氨氮处理效果，初步了解低温下微生物活性的变化规律，以期对低温下活菌制剂的应用提供一点参考依据。
1试验方法
1.1试验地点
上海RW原水厂
1.2试验工艺流程
主要设备如下：空气压缩，机型号VW-0.5/9-SA，南京尚爱机电有限公司；压缩机油水尘分离器，型号YSCFG-1.0/1.0，南京尚爱机电有限公司；立式离心泵，上海凯泉给水工程有限公司；加氨泵，型号ES-B10VC-230N1，日本；转子流量计，LZB-10，浙江余姚，试验工艺流程如图1所示。
■图1试验工艺流程
1.3生物处理池设计参数
生物处理柱直径400mm，柱内水深4m，填料为聚苯乙烯白色球形，粒径8～10mm，密度0.02g/m3，填料堆积高度为2m，曝气区高度800mm，滤柱底部设穿孔管曝气系统，孔径2mm，气水同向流。
1.4试验运行工况和水质条件
水力负荷为8m3/m2·h（HRT=30min），气水比为0.5。试验期间原水氨氮浓度在2.27~1.50mg/L，平均为1.68mg/L，CODMn在5-7mg/L范围波动，进水溶解氧5mg/L以上，进水pH均值7.55，进水浊度均值56.38。
1.5试验指标的分析测定
1.5.1试验水质分析项目与测定方法
试验期间氨氮、CODMn均采用每6小时取生物处理池进出水即时样，置于4℃冰箱中保存，混合后进行水质分析，其余指标为即时样测定。
常规指标测定项目与测定方法：水温，水银温度计；流量，转子流量计；氨氮，0.45µm滤膜过滤，钠氏试剂比色法；CODMn，酸性高锰酸钾法；溶解氧，溶解氧仪（OXI330/SEF德国）。
1.5.2填料干重采用烘干法
取一定的填料于103℃~105℃烘2h，干燥器内恒重2h后称量。
2结果与讨论
2.1低温对氨氮去除效果的影响
生物膜法处理原水主要是依靠附着于填料上的微生物的新陈代谢活动而去除污染物的，因此凡是影响到微生物代谢活动的因素，必然也对处理效果造成影响。在以硝化为主的原水生物预处理中水温是影响硝化过程的一个主要因素。
从图2中看出在水温4.6℃~13.4℃范围内，氨氮去除率与水温有线性相关，随着水温的降低，氨氮去除率也逐渐降低。
在8.4℃~13.4℃范围内氨氮去除率基本都在80%以上，平均为83.7%，与20℃以上的常温下的处理效果（HRT=30min，原水氨氮平均为1.62mg/L，平均去除率为84.5%）并无太大差距，这表明对该生物处理系统而言8.4℃以上的水温对氨氮的处理效果不构成太大的影响，从而也不影响系统工艺的正常运行。但水温在8.4℃以下时，氨氮的去除率受温度的影响明显加剧，降低幅度大，8.4℃~6℃氨氮去除率平均约为66.2%，比20℃以上的常温下处理效率平均降低了17.5个百分点，6~4.6℃氨氮去除率平均约为43.0%，比20℃以上的常温下平均降低了40.7个百分点，在8.4℃~4.6℃范围内温度每降低1℃，氨氮去除率降低约10个百分点，这说明在本试验的条件下8.4℃左右存在着一个对生物膜活性产生巨大影响的温度点。
FochtD.D.和VerstraeteW认为低于15℃硝化速率明显下降，在12℃时降低约50%，张东等以YDT波纹弹性填料的低温试验结果为水温在10℃以上时，生化池氨氮平均去除率在60%左右，水温对氨氮的平均去除率无明显的影响；水温降到10℃以下，生化池氨氮的平均去除率在37%～41%。本试验的结果与这些观点有些不同，这些差别可能与填料的结构性质、原水水质或水体微生物种类有关。
试验期间有一段时间水温有所回升至6℃~8.4℃，氨氮去除率平均约为65.7%，与此范围内温度下降时平均氨氮去除率66.2%相比处理效果相差不大，活性的恢复过程是很快的。这进一步说明低温对生物处理系统的影响不是使生物膜上生物量的减少或低温导致其死亡，而是使硝化细菌生物活性降低。
2.2生物膜耗氧速率比较
耗氧速率是在相同的环境条件（温度，pH等）下，单位重量的生物膜在单位时间内对溶解氧的消耗量，可以反映生物膜活性的强弱。本试验在其它环境条件相同，不同温度下对装置下层（0.5m处）填料生物膜耗氧速率进行了测定，结果如下图，生物膜耗氧速率随温度的降低而减少，在低温下6.5℃~3.4℃范围内生物膜上微生物对氧的利用率明显降低，并且在这个温度范围内耗氧速率的数值相差不大，为0.24~0.32mgO2/h·g干重填料左右，这说明在低温下生物膜的活性明显减弱。
3低温下提高水处理效果对策分析
低温对生物处理系统运行效果的影响主要是通过微生物生化反应速率和基质的传质效率两方面进行的。
一方面由温度与生化反应速率之间的关系：
rT=r20φ（T-20）式中，rT：水温T℃的生化反应速率；r20：水温20℃的生化反应速率；φ：温度系数，一般取1.03。
可知在水温为10℃的生化反应速率是在20℃时的74.4%。生化反应速率降低主要是因为低温下酶活性降低，因而影响了对底物的催化效率。
另一方面温度对处理效果的影响还体现在基质的传质效率上，水温降低时水的粘度增大，致使底物在水和生物膜的扩散阻力增大，导致底物的传质效率降低。以溶解氧为例，氧的总转移系数与温度的关系：
KLa（T）=KLa（20）φ（T-20）式中，KLa（T）：水温T℃时氧的总转移系数，s-1；KLa（20）：水温20℃时氧的总转移系数，s-1；φ：温度系数，一般取1.024。
由公式可知温度由25℃降为15℃时，氧的总转移系数降低22%左右，由于溶解氧扩散系数与扩散速率成正比，所以水温的降低会导致溶解氧扩散速率下降。
基于上述理论分析和试验的结果，建议从以下5个方面优化生物膜法系统改善低温运行效率，以及在水产养殖上提高活菌制剂低温下净水效果。
3.1适当提高水体温度至系统最低有效温度的限度之上
不同生物处理系统（或活菌制剂）有不同有效的下限温度，通过对运行数据分析找出这个最低有效温度，如本试验提及的关键温度点8.4℃，适当提高温度是最直接有效的方式，但这在处理量达上百万吨的原水来讲是不可能实现的，而在温棚对虾养殖和工厂化养殖中可以通过覆盖薄膜、加地热水或锅炉加温达到升温目的。
3.2维持微生物所需最佳营养、水质环境。
增加水体基质浓度，有利于生化反应的顺利进行。如提高溶解氧的浓度可以提高传质效率，可以加快硝化反应速率，另外曝气量的增加还可以减少生物膜上悬浮物的积累和老化生物膜的脱落，使生物膜处在最佳状态。
在以硝化反应为主的系统中，硝化细菌在微碱性的环境中生长良好，对pH的变化反应明显，理论计算硝化细菌氧化1mgN-NH3，需要消耗7.14mg碱度，故适当提高水体pH值和维持适宜的碱度，硝化细菌才能很好的发挥作用。
水产养殖中泼洒类活菌制剂进入水体后繁殖速度快慢，与水体的营养水平有很大的关系。如果水体营养成分单一或失衡，有些异养菌为主的活菌制剂繁殖会受到影响，此时应向水体中适当补充缺乏的营养才能达到更好的效果。如对于反硝化细菌，水体中BOD5/TN<3，需要补充碳源才能有较好的脱氮作用。
3.3延长水力停留时间
延长水力停留时间包括减少进水流量、降低水力负荷，使底物和生物膜有足够长的接触时间，有助于改善生物膜法系统低温处理效果。
对水产养殖水体而言应减少换水量导致的活菌的流失。
3.4增加生物处理系统的生物量
增加生物处理系统的生物量，低温下微生物的活性降低，增加参与处理的微生物数量可以考虑选用表面积大的填料和增加填料层深度，有助于提高低温下的效果。
活菌制剂也可以考虑活化或扩大培养来增加生物量。
3.5耐冷微生物筛选
近年来，低温微生物在污水处理领域应用逐渐受到重视，吴迪等筛选的耐冷酵母在8℃，对模拟污水中的COD和有机氮等具有去除效果；李海礁等筛选出一株嗜冷芽孢杆菌，在15℃条件下对模拟污水和微污染水样中有机质降解率分别达到21.56%和50.14%。
Monrita认为低温微生物可以分为两类，一类是最适生长温度低于15℃，生长上限低于20℃，在0℃可生长繁殖的微生物为嗜冷菌；另一类是最适温度高于15℃，生长上限温度高于20℃，在0℃~5℃可生长繁殖的微生物称为耐冷菌。我们要借助生物工程技术，从特定环境采样、富集、分离出适合水产养殖和污水处理的耐冷菌，通过工业化生产、以生物强化的方式来放大低温微生物的特性，进一步提高低温净水效果。
