韓鎮(zhèn)蓬，朱光燦,,*，陸勇澤，李淑萍，陳 悅

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2.西藏民族大學(xué)西藏水污染控制與生態(tài)修復(fù)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西咸陽(yáng) 712082)

相較于東部平原地區(qū)，我國(guó)高原地區(qū)城鎮(zhèn)化率較低，高原城鎮(zhèn)污水處理的研究和建設(shè)起步較晚。隨著21世紀(jì)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，高原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展，在城鎮(zhèn)化率顯著提高的同時(shí)，城鎮(zhèn)生活污水及其他污水產(chǎn)生量急劇增加。由于高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，生產(chǎn)生活污水的排放易造成高原地區(qū)水環(huán)境污染，城鎮(zhèn)污水處理對(duì)保護(hù)高原地區(qū)水生態(tài)環(huán)境具有重要作用。

技術(shù)和資金的缺乏限制了我國(guó)高原地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的建設(shè)。直至2002年，西寧市投資建設(shè)的第一污水處理廠(chǎng)順利完工，這是青藏高原首座污水處理廠(chǎng)[1]；2008年，中德合作建設(shè)的昌都污水處理廠(chǎng)建設(shè)完成，是全球首座成功應(yīng)用生物技術(shù)處理城鎮(zhèn)生活污水的高原污水處理廠(chǎng)[2]；2012年，青海玉樹(shù)結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)竣工，該污水處理廠(chǎng)位于海拔3 800 m處，是截至目前全球最高的污水處理廠(chǎng)[3]。在過(guò)去的十幾年中，西藏地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了近30座污水處理廠(chǎng)，擬(在)建50余座污水處理廠(chǎng)[4-5]。高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)通常直接借鑒內(nèi)地經(jīng)驗(yàn)，但由于高原地區(qū)獨(dú)特的自然環(huán)境和社會(huì)生活特點(diǎn)，污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)往往不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，與平原地區(qū)相比，高海拔污水處理廠(chǎng)存在處理效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定、能量消耗高等問(wèn)題[6]。

本文基于高原地區(qū)低壓低氧、低溫、強(qiáng)紫外輻射的自然條件和低碳氮比(C/N)的污水水質(zhì)，根據(jù)高原地區(qū)典型污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)情況，分析高原污水處理廠(chǎng)存在的問(wèn)題及其可能的原因。再進(jìn)一步分析低壓低氧引起溶解氧濃度低、曝氣強(qiáng)度改變、功能微生物變化和氣體生成變化的原因，以及對(duì)污水處理產(chǎn)生的影響；分析低溫引起的微生物活性差、脫氮效果差和污泥膨脹的原因，以及與低壓低氧的協(xié)同關(guān)系；分析強(qiáng)紫外輻射和污水水質(zhì)可能對(duì)污水處理造成的影響，為高原城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展提出建議。

1 高原地區(qū)特點(diǎn)

1.1 自然環(huán)境特點(diǎn)

青藏高原平均海拔超過(guò)4 000 m，具有典型的高原氣候特征。它的主要特點(diǎn)是：大氣中的空氣含量少，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，年總輻射量為6 000～8 000 MJ/m2，紫外線(xiàn)輻射含量是內(nèi)陸其他地區(qū)的1.5～2.5倍，屬于典型的高紫外線(xiàn)輻射強(qiáng)度地區(qū)[7-8]；年平均氣溫低，日溫差較大，日均最高氣溫為17 ℃，日均最低氣溫為3 ℃，相比于同緯度東部平原地區(qū)，冬季和夏季平均氣溫要低15～20 ℃[9-10]；低大氣壓、低氧分壓，例如，拉薩市年平均大氣壓和氧分壓只有海平面的64%[11]。青藏高原與同緯度東部平原地區(qū)地面大氣壓力和日平均氣溫的差異如圖1所示。

注：相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心圖1 全國(guó)夏季(2021年8月1日)氣象圖Fig.1 Nationwide Weather Map in Summer on 1st August, 2021

1.2 社會(huì)生活特點(diǎn)

青藏高原地域廣闊，總面積約為250萬(wàn)km2，約占全國(guó)總面積的26%，但人口數(shù)量較少，總?cè)丝诩s為1 300萬(wàn)，約占全國(guó)總?cè)丝诘?.9%，人口地域分布上具有少數(shù)地域人口稠密、多數(shù)地域人口稀疏的特征[12]。該地區(qū)居民以少數(shù)民族為主，藏族是最主要的少數(shù)民族，此外還有回族、門(mén)巴族、珞巴族、羌族等少數(shù)民族。青藏高原地區(qū)主要產(chǎn)業(yè)是農(nóng)牧業(yè)，工業(yè)占比較低且集中在清潔能源產(chǎn)業(yè)和食品加工業(yè)[13]，因此，青藏高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)的污水主要是城鎮(zhèn)生活污水，工業(yè)廢水的量很小。

1.3 污水水質(zhì)特征

基于調(diào)研和文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)，青藏高原地區(qū)城鎮(zhèn)生活污水營(yíng)養(yǎng)物濃度整體低于內(nèi)地，有機(jī)物含量較低，屬于低C/N污水，高原和平原典型污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 高原和平原典型污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent Quality of Typical WWTPs in Plateau and Plain

2 高原污水處理存在的問(wèn)題

西藏地區(qū)目前已運(yùn)行18座污水處理廠(chǎng)，試運(yùn)行14座，在建56座[4-5]，主要采用AAO工藝、氧化溝工藝、序批式活性污泥法(SBR)工藝以及上述工藝的改良型。對(duì)部分高原污水處理廠(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研污水處理廠(chǎng)位置如圖2所示，污水處理廠(chǎng)A、B、C的海拔高度分別為3 640、3 860、3 560 m，服務(wù)人口分別約為5.5萬(wàn)、10.2萬(wàn)、8.6萬(wàn)人，3座污水處理廠(chǎng)自然環(huán)境差異不大。調(diào)研污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)情況如表2所示。

圖2 調(diào)研污水處理廠(chǎng)位置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Locations of the Surveyed WWTPs

表2 西藏地區(qū)典型污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Influent and Effluent Quality of Typical WWTPs in Tibet Region

基于調(diào)研，從污水處理廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)情況可知，高原污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題是由氨氮不達(dá)標(biāo)引起的，其可能存在的原因有以下幾個(gè)方面。

(1)污水水溫較低

高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)夏季進(jìn)水水溫在15 ℃左右，冬季水溫進(jìn)一步降低，僅有10 ℃左右，低溫導(dǎo)致硝化菌的活性降低，硝化反應(yīng)速率降低，氨氮的去除率也因此降低[18]。此外，在冬季溫度較低情況下，生化池極易發(fā)生污泥膨脹，也可能會(huì)對(duì)氨氮的去除產(chǎn)生不利影響。

(2)曝氣強(qiáng)度不足

氨氮降解過(guò)程發(fā)生在好氧池中，好氧池中需要維持一定的溶解氧濃度才能有效地降解氨氮，高原地區(qū)氧分壓較低，不利于空氣中的氧轉(zhuǎn)移到污水中，因此，可能存在曝氣強(qiáng)度不足的問(wèn)題，導(dǎo)致硝化過(guò)程受阻[19]。

(3)污泥生物量不足

高原污水處理廠(chǎng)由于水溫較低、進(jìn)水濃度偏低，生化池中的微生物量增長(zhǎng)緩慢，部分生化池出現(xiàn)污泥流失的問(wèn)題，導(dǎo)致反應(yīng)器中活性污泥量不能滿(mǎn)足工藝生化反應(yīng)的需求。同時(shí)，部分污水處理廠(chǎng)為了維持污泥量，長(zhǎng)時(shí)間不排泥，導(dǎo)致污泥老化上浮，沉降性能變差，也影響了污水的處理效果。

(4)工藝參數(shù)調(diào)控不合理

高原地區(qū)污水處理尚處于起步階段，污水處理廠(chǎng)往往借鑒內(nèi)地的工藝參數(shù)，但高原地區(qū)整體情況與內(nèi)地并不一樣，再加上水處理專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的缺乏以及污水處理工藝設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)的不足，很多污水處理廠(chǎng)對(duì)工藝流程調(diào)控優(yōu)化沒(méi)有比較清晰的概念，也很難發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，很多控制參數(shù)都是按照原有設(shè)定，并沒(méi)有根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

此外，高原污水處理廠(chǎng)還面臨進(jìn)水濃度低的問(wèn)題，這主要是以下幾個(gè)原因造成的。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善

高原地區(qū)的污水收集系統(tǒng)未實(shí)行雨污分流，在每年5月—8月的雨季，大量的雨水混入到污水管網(wǎng)中，稀釋了污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水濃度。此外，污水收集系統(tǒng)的建設(shè)比較薄弱，污水收集不全，地下水滲入到污水管網(wǎng)中或者污水從管網(wǎng)中滲出。

(2)制度管理不完善

部分縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)于自來(lái)水管理制度不嚴(yán)格，大量的自來(lái)水進(jìn)入到污水中，稀釋了污水，影響了處理設(shè)施運(yùn)行效果，并且加大了污水處理廠(chǎng)的處理負(fù)荷。

3 高原環(huán)境對(duì)污水處理的影響

3.1 低壓低氧的影響

3.1.1 低溶解氧濃度

高原地區(qū)海拔較高，大氣壓和氧分壓顯著低于平原地區(qū)，表3是西藏主要城市海拔、氣壓和氧分壓的具體數(shù)據(jù)。

表3 西藏7個(gè)地級(jí)市的海拔、氣壓和氧分壓Tab.3 Altitude, Air Pressure and Partial Pressure of Oxygen in Seven Cities in Tibet

根據(jù)雙膜理論，氧分子通過(guò)氣、液界面向液相傳遞。在此過(guò)程中，由于高原地區(qū)氧分壓較低，污水中溶解氧飽和度隨之降低，空氣鼓入污水后氧的傳質(zhì)速率低，導(dǎo)致鼓入的空氣量只有達(dá)到平原地區(qū)的3倍以上才可滿(mǎn)足微生物生存與分解有機(jī)物的需氧量[20]，而一般要求的供氧系數(shù)僅為1.33～1.61[3]。同時(shí)，氧分壓降低不利于污水中溶解氧的保持和提高，如果保持較為合適的溶解氧水平，就需要增加曝氣強(qiáng)度以及維持更長(zhǎng)時(shí)間的曝氣，這勢(shì)必導(dǎo)致污水處理的能耗急劇增加。

如果曝氣強(qiáng)度達(dá)不到需求，污水處理將面臨低溶解氧的情況。在低溶解氧環(huán)境中，絲狀菌對(duì)氧氣的需求較低，且其比表面積較大，與菌膠團(tuán)細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所以，在較低的溶解氧濃度下，絲狀菌仍然能迅速增殖，從而引發(fā)絲狀菌污泥膨脹[21]，造成泥水分離效果變差，污水處理效率降低。但也有相關(guān)研究[22]表明，如果生化池內(nèi)不發(fā)生嚴(yán)重的污泥膨脹，只是低溶解氧濃度下的污泥微膨脹[污泥體積指數(shù)(SVI)為150～250 mL/g]，將有利于氮磷去除。如果控制污泥處于微膨脹狀態(tài)，使絲狀菌增殖程度不影響二沉池的泥水分離效果，那么絲狀菌延長(zhǎng)的菌絲更利于攝取低濃度底物，并且可以在二沉池中形成密實(shí)的網(wǎng)狀污泥，將細(xì)小的懸浮物捕獲。同時(shí)，控制污泥微膨脹需要在低溶解氧環(huán)境，這將節(jié)約供氣量，具有節(jié)省能耗的作用[23]。然而高原地區(qū)常年面臨低溫問(wèn)題，低溫和低溶解氧并存的情況下，難以控制污泥處于微膨脹狀態(tài)，往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的污泥膨脹問(wèn)題，對(duì)污水處理造成嚴(yán)重的不良影響[2]。

3.1.2 引起曝氣強(qiáng)度改變的影響

在高原地區(qū)低壓低氧的環(huán)境下，污水處理廠(chǎng)往往需要通過(guò)增加曝氣強(qiáng)度來(lái)維持好氧池中的溶解氧含量。但曝氣過(guò)程不僅為活性污泥提供必要的溶解氧，產(chǎn)生的水力剪切作用也會(huì)對(duì)污泥理化性質(zhì)和生物特性產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響污水系統(tǒng)處理能力。研究[24-25]表明，曝氣強(qiáng)度改變會(huì)對(duì)污泥理化特性和結(jié)構(gòu)、胞外聚合物、微生物種群結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生較大影響。Feng等[26]研究發(fā)現(xiàn)，曝氣強(qiáng)度存在一個(gè)臨界強(qiáng)度:當(dāng)曝氣強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，污泥聚集過(guò)程占主導(dǎo)地位，因?yàn)槲勰嗉?xì)胞必須相互碰撞和黏附以形成聚集體；當(dāng)曝氣強(qiáng)度大于臨界值時(shí)，污泥破碎過(guò)程占主導(dǎo)地位，因?yàn)檩^高的剪切力會(huì)破壞污泥聚集體。其中，松散附著胞外分泌物和緊密黏附胞外分泌物中腐植酸和蛋白質(zhì)的含量也呈現(xiàn)出隨著曝氣強(qiáng)度的增加先升高后降低的規(guī)律，但沒(méi)有觀(guān)察到多糖的明顯趨勢(shì)。但李軍等[27]研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥中松散附著胞外分泌物含量隨著曝氣強(qiáng)度的增加逐漸升高，其中多糖含量及比例均隨曝氣強(qiáng)度的上升而增大，蛋白質(zhì)和腐植酸含量受曝氣強(qiáng)度影響不大，導(dǎo)致活性污泥沉降性能變差。Xin等[28]通過(guò)改變曝氣強(qiáng)度研究對(duì)微生物產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣強(qiáng)度達(dá)到0.4 MPa時(shí)，群落生物多樣性峰值出現(xiàn)，群落穩(wěn)定性最好。較高的曝氣壓力(約為0.6 MPa)會(huì)對(duì)群落多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響，并不可避免地?fù)p害群落穩(wěn)定性。因此，高原地區(qū)增加曝氣強(qiáng)度來(lái)維持活性污泥系統(tǒng)合適的溶解氧水平，可能有利于系統(tǒng)處理能力的提升，但也可能會(huì)對(duì)污水處理效果產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)一步開(kāi)展曝氣強(qiáng)度對(duì)高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)微生物群結(jié)構(gòu)、污泥絮體和胞外分泌物等方面影響的研究。

3.1.3 對(duì)微生物的影響

研究[29]發(fā)現(xiàn)，大氣壓力會(huì)對(duì)污水處理廠(chǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Niu等[30]分析了海拔對(duì)污水處理廠(chǎng)脫氮細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)在海拔1 500 m以上時(shí)，脫氮微生物的豐度隨著海拔的升高而顯著下降，不同污水處理廠(chǎng)之間的海拔高度差越大，脫氮微生物群落結(jié)構(gòu)差異越大。Fang等[31]通過(guò)對(duì)比高原地區(qū)和低海拔地區(qū)污水處理廠(chǎng)的脫氮微生物群落后發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)中氨氧化菌(ammonia oxidation bacteria, AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidation bacteria，NOB)的相對(duì)豐度顯著低于低海拔地區(qū)的相對(duì)豐度，這是高原污水處理廠(chǎng)的硝化效率低于低海拔地區(qū)的一個(gè)重要因素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高原污水處理廠(chǎng)中聚磷菌(phosphorus accumulating organisms, PAOs)和聚糖菌(glycogen accumulating organisms, GAOs)的相對(duì)豐度高于平原地區(qū)，但高原污水處理廠(chǎng)中PAOs與GAOs的豐度比低于平原地區(qū)，表明高海拔條件可能有利于GAOs的生長(zhǎng)。陳悅[32]通過(guò)利用穩(wěn)定運(yùn)行90 d的同步硝化反硝化除磷系統(tǒng)污泥作為種泥，不同的大氣壓力(70、80、100 kPa)條件下進(jìn)行了一組污泥活性測(cè)試，結(jié)果表明在壓力降低時(shí)，AOB的活性受到抑制，而NOB的活性急劇增加，促進(jìn)了以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化細(xì)菌活性，而以硝酸鹽為電子受體的反硝化細(xì)菌活性受到了抑制，同時(shí)PAOs活性增強(qiáng)。由于高原地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，低溫等其他環(huán)境因素也會(huì)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)造成影響，大氣壓力對(duì)微生物的影響仍需進(jìn)一步研究。

3.1.4 對(duì)氣體生成的影響

活性污泥微生物會(huì)通過(guò)合成代謝和分解代謝兩條路徑從污水中去除有機(jī)污染物，最終生成CO2氣體[33]。異養(yǎng)反硝化菌通過(guò)合成代謝將大部分有機(jī)污染物生成為細(xì)胞物質(zhì)，再經(jīng)過(guò)內(nèi)源呼吸消耗掉這些細(xì)胞物質(zhì)并產(chǎn)生CO2；此外，小部分有機(jī)污染物在曝氣過(guò)程中通過(guò)分解代謝去除并產(chǎn)生CO2。無(wú)論是硝化反硝化脫氮還是厭氧氨氧化脫氮,污水中的氮素大部分會(huì)被轉(zhuǎn)化為N2從污水中去除。高原地區(qū)大氣壓力低，低壓導(dǎo)致CO2以及N2分壓降低，造成CO2和N2的溶解度下降。一方面，液氣傳質(zhì)的限制將形成潛在的氣體產(chǎn)物過(guò)飽和問(wèn)題，抑制反應(yīng)的正向進(jìn)行[34]；另一方面，低壓有利于CO2和N2從污水中排放到空氣中，從而可能有利于活性污泥微生物對(duì)有機(jī)物的降解以及氮素的去除。因此，低壓對(duì)氣體生成的影響取決于哪一方面起主導(dǎo)作用。張維嘉[35]探究低壓對(duì)厭氧氨氧化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，100 kPa時(shí)N2最終產(chǎn)生量為0.77 μmol，75 kPa時(shí)N2最終產(chǎn)生量增加到1.14 μmol，低壓環(huán)境更有利于氮素的去除。同樣，硝化菌在利用無(wú)機(jī)碳源的過(guò)程中，低壓會(huì)使空氣中的CO2溶解到污水中的過(guò)程受到限制，污水中的無(wú)機(jī)碳源濃度會(huì)下降，影響硝化菌對(duì)無(wú)機(jī)碳源的攝取，而且CO2溶解度的降低也將引起反應(yīng)池的pH上升，影響微生物的正常代謝[36]。

3.2 低溫的影響

3.2.1 微生物活性差

目前我國(guó)污水處理主要采用生物處理工藝，微生物活性的強(qiáng)弱對(duì)污水處理的效果有很大的影響。溫度是影響微生物生長(zhǎng)的重要因素，對(duì)微生物的活性有著重要的影響，在一定的溫度范圍內(nèi)，微生物的活性與溫度成正相關(guān)，當(dāng)溫度在15 ℃以下，微生物的活性將迅速降低，到4 ℃左右時(shí)，絕大部分微生物進(jìn)入了休眠狀態(tài)?；钚晕勰嘣诮到馕廴疚锏倪^(guò)程中，微生物胞內(nèi)酶和胞外酶的催化作用起著主導(dǎo)作用[37]。脫氫酶是一種全程參與有機(jī)物分解的胞外酶，是微生物降解有機(jī)污染物所必需的酶[38]，因此，可以用來(lái)反映微生物活性。研究[39]表明，隨著溫度的下降，脫氫酶的活性下降，會(huì)顯著影響污染物的處理效能。高原地區(qū)由于海拔較高，全年氣溫偏低，污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水溫偏低，相較于東部平原地區(qū)，高原污水處理廠(chǎng)普遍存在微生物活性衰弱的問(wèn)題[40]。

3.2.2 脫氮效果差

大量研究結(jié)果表明，硝化反應(yīng)的最適溫度為25～30 ℃，反硝化反應(yīng)的適宜溫度是20～40 ℃。相比于反硝化菌，硝化菌屬于自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)緩慢，世代周期較長(zhǎng)[41]，因此，在低溫情況下，硝化細(xì)菌很難積累到一定的數(shù)量，從而對(duì)硝化反應(yīng)和脫氮過(guò)程產(chǎn)生更為不利的影響。尚越飛等[42]研究發(fā)現(xiàn)，低溫降低了硝化種屬的數(shù)量，并對(duì)硝化速率形成了影響，但對(duì)反硝化種屬豐度無(wú)顯著影響。高原地區(qū)全年氣溫較低，污水處理廠(chǎng)夏季進(jìn)水水溫一般低于18 ℃ ，冬季進(jìn)水水溫低于10 ℃[43-44]。硝化菌的活性和增殖速率衰退，同時(shí)硝化菌也存在著數(shù)量不足的問(wèn)題，硝化反應(yīng)過(guò)程受到極大抑制，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。此外，反硝化菌的活性降低，硝酸鹽還原速率降低，硝酸鹽的積累也間接對(duì)硝化反應(yīng)造成了一定的抑制，最終共同導(dǎo)致污水處理廠(chǎng)的脫氮效果較差。

3.2.3 污泥膨脹

污泥膨脹是高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)面臨的最大問(wèn)題，研究[45]發(fā)現(xiàn)，在水溫低于12 ℃時(shí)，污水處理廠(chǎng)容易發(fā)生污泥膨脹，高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)冬季進(jìn)水水溫低于12 ℃，極易發(fā)生污泥膨脹。污泥膨脹發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二沉池泥水分離效果變差、活性污泥流失、出水水質(zhì)不佳等問(wèn)題[46]。污泥膨脹分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹，絲狀菌膨脹是由絲狀菌過(guò)度繁殖所引發(fā)，非絲狀菌膨脹是由菌膠團(tuán)中大量積累的黏性多糖類(lèi)物質(zhì)所致，其中由絲狀菌引起的膨脹可能占到90%以上[47]。低溫既可能引發(fā)絲狀菌膨脹，也可能引發(fā)非絲狀菌膨脹。研究[48]發(fā)現(xiàn)，常見(jiàn)的絲狀菌主要有M.parvicella(微絲菌)、Nostocoidalimicola型菌、Eikelboom 021N型菌、Type 1863 型菌、Nocardiaforms(諾卡氏菌)、Thiothrixspp.(發(fā)硫菌屬)和Haliscomenobacterhydrossis(軟發(fā)菌)等。陸鑫等[49]采集低溫狀態(tài)下的膨脹污泥進(jìn)行測(cè)序試驗(yàn)，結(jié)果顯示，發(fā)生過(guò)度生長(zhǎng)的絲狀菌是Halisco-menobacter和Trichococcus，且Haliscomenobacterhydrossis在微生物群落結(jié)構(gòu)中占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但高春娣等[50]研究發(fā)現(xiàn)，低溫下污泥膨脹的發(fā)生會(huì)引起絲狀菌群豐度的升高，其中以Thiothrix為代表的3種菌屬的豐度增加，僅Haliscomenobacterhydrossis的豐度減少，這可能是有其他因素對(duì)其豐度產(chǎn)生了影響。此外，在污水水溫較低且污泥負(fù)荷較高的情況下，污泥可能會(huì)發(fā)生非絲狀菌膨脹，這是由于在低溫條件下，微生物不能及時(shí)代謝吸附的有機(jī)物，大量高黏性的多糖物質(zhì)累積在胞外，使得污泥沉降性能變差[51]。污泥膨脹發(fā)生原因復(fù)雜，通常存在多種誘發(fā)因素，并且在不同污水處理廠(chǎng)，甚至同一污水處理廠(chǎng)不同時(shí)期，也存在著不同的優(yōu)勢(shì)絲狀菌，因此，目前尚無(wú)與高原污水處理廠(chǎng)污泥膨脹特別相關(guān)的絲狀菌，其有待進(jìn)一步研究。

3.2.4 與低壓低氧的協(xié)同影響

高原地區(qū)最主要的兩個(gè)環(huán)境因素是低壓低氧和低溫，兩者共同導(dǎo)致了高原地區(qū)污水處理效果不理想。低溫也會(huì)影響氧傳質(zhì)過(guò)程：一方面，水溫降低會(huì)導(dǎo)致水的黏滯性增大，擴(kuò)散系數(shù)降低，液膜厚度增大，氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)降低，不利于氧的轉(zhuǎn)移；另一方面，水溫越低溶解氧飽和度越大，液相中氧的濃度梯度增大，有利于氧的轉(zhuǎn)移[52]?？傮w來(lái)說(shuō)，低溫有利于氧的轉(zhuǎn)移,但相比于低壓低氧對(duì)氧轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的不利影響，低溫的影響往往可以忽略不計(jì)。低溫引起的污泥脫硝效率低和污泥膨脹等問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)提高污水水力停留時(shí)間、增大污泥回流比以及提高污泥泥齡來(lái)應(yīng)對(duì)[53]。但隨著污泥泥齡的增加，污泥濃度也會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致氧傳質(zhì)速率下降[54]，這將更不利于曝氣過(guò)程，尤其是在低壓低氧的高原環(huán)境下。在高原地區(qū)，維持合適的溶解氧水平需要增加曝氣量，而曝氣量的增加會(huì)使得低溫空氣帶走污水中更多的熱量，導(dǎo)致水溫下降[44]，所以在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)適當(dāng)減少曝氣，減少不必要的熱量損失。同時(shí)，適度提高曝氣量有利于抑制低溫污泥膨脹的發(fā)生，并且不會(huì)對(duì)污泥絮體結(jié)構(gòu)造成破壞。

3.3 水質(zhì)特征的影響

高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水C/N較低，根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論可知，充足的有機(jī)碳源是保證污水生物脫氮除磷的必備條件。反硝化脫氮和PAOs厭氧釋磷都需要大量的有機(jī)碳源，但低C/N污水中有機(jī)碳源含量較低，很難滿(mǎn)足它們的碳源需求，導(dǎo)致脫氮除磷效果不佳[55]。Xu等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在高原地區(qū)C/N為7時(shí)，活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的相對(duì)豐度物種均勻度最大，污染物去除效果也最好，但高原地區(qū)C/N很難達(dá)到這一要求。針對(duì)碳源不足的問(wèn)題，污水處理廠(chǎng)通常采取投加優(yōu)質(zhì)有機(jī)碳源的處理對(duì)策，如乙酸鈉、葡萄糖和甲醇等，但是這會(huì)導(dǎo)致額外的運(yùn)行成本和潛在的殘留物，從而限制污水處理廠(chǎng)的可持續(xù)運(yùn)行[57]。高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)低溫和低C/N的進(jìn)水條件，對(duì)生物處理系統(tǒng)的脫氮效率提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。韋琦等[58]利用AAO中試裝置探究了低溫、低C/N進(jìn)水條件對(duì)生物脫氮效率的影響，結(jié)果表明，低溫、低C/N進(jìn)水條件嚴(yán)重影響硝化和反硝化反應(yīng)的速率，且總氮去除效果較差，主要是由于反硝化過(guò)程受到限制。張勇等[59]在間歇進(jìn)水周期循環(huán)式活性污泥技術(shù)(CAST)工藝中通過(guò)優(yōu)化填料加入量及位置、控制污泥齡、增加負(fù)荷等策略實(shí)現(xiàn)了低溫、低C/N市政污水的高效處理，出水CODCr及氮、磷等指標(biāo)可穩(wěn)定優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。Li等[60]通過(guò)全流程脫氮除磷工藝在低溫[(10±2) ℃]、低C/N(3.6)條件下實(shí)現(xiàn)了城市生活污水中養(yǎng)分的有效去除，且高污泥濃度控制條件和反硝化PAOs在處理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。研究[61]發(fā)現(xiàn)，溶解氧濃度是處理低溫、低C/N污水重要的控制條件，部分研究表明在低溶解氧下處理低溫、低C/N污水是可行的，甚至更有利于脫氮除磷。因此，在高原地區(qū)低壓低氧、低溫的環(huán)境下，低C/N污水通過(guò)運(yùn)行優(yōu)化以及工藝改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)氮、磷的有效去除，但具體實(shí)踐操作有待研究。

3.4 紫外輻射的影響

高原地區(qū)海拔高、空氣稀薄，到達(dá)高原表面的太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射衰減較弱，因此，高原區(qū)域紫外線(xiàn)輻射較高，較高的紫外線(xiàn)強(qiáng)度可能會(huì)對(duì)微生物的核酸產(chǎn)生破壞作用。方德新等[62]研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)紫外線(xiàn)條件選擇下，部分微生物受到抑制甚至被淘汰，從而導(dǎo)致高原污水處理系統(tǒng)內(nèi)微生物多樣性下降，通過(guò)降低高原高寒地區(qū)露天污水處理系統(tǒng)所受的紫外輻照強(qiáng)度，有望改善微生物結(jié)構(gòu)，提升污水處理效能。但也有研究發(fā)現(xiàn)紫外線(xiàn)可以增強(qiáng)活性污泥法處理效果。王未[63]研究發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)不同輻射強(qiáng)度的紫外線(xiàn)輻射的抵抗力也不同，一定強(qiáng)度的紫外線(xiàn)照射將有利于系統(tǒng)中污染物的去除，但超過(guò)耐受輻射強(qiáng)度后，污染物去除效果下降。黃德才[64]研究高原地區(qū)紫外輻射對(duì)菌劑的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，室外菌種來(lái)源的菌劑比室內(nèi)來(lái)源的菌劑更耐紫外輻射，比未經(jīng)紫外輻射處理的對(duì)照組氨氮、總氮去除率更高，說(shuō)明紫外輻射可能會(huì)提升室外菌種來(lái)源的菌劑生物活性。目前，紫外輻射對(duì)有機(jī)污染物的降解作用研究較多，但對(duì)城鎮(zhèn)污水處理的影響研究較少。因此，在高原地區(qū)特殊的自然環(huán)境下，紫外輻射對(duì)高原地區(qū)污水處理產(chǎn)生的影響尚待進(jìn)一步研究。

3.5 其他影響

(1)高原地區(qū)日溫差較大導(dǎo)致水溫波動(dòng)明顯，對(duì)污水處理系統(tǒng)造成了不小的沖擊。王建芳等[65]研究發(fā)現(xiàn)，在晝夜溫差達(dá)到7～8 ℃時(shí)，CODCr和氨氮的去除效率顯著下降，并需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)。Zong等[66]研究了在高原條件下，溫度瞬時(shí)變化對(duì)污染物去除的影響，發(fā)現(xiàn)總磷、總氮、氨氮去除率變化明顯，CODCr去除率變化相對(duì)穩(wěn)定。因此，在低溫和水溫波動(dòng)共同存在的情況下，高原污水處理廠(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)氨氮、總氮等部分指標(biāo)超標(biāo)的問(wèn)題。

(2)高原污水處理廠(chǎng)進(jìn)水濃度低且水質(zhì)波動(dòng)大。進(jìn)水濃度低會(huì)導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)源不足，活性污泥增殖速度慢，污泥的活性和沉降性差，對(duì)污染物的降解效率低，無(wú)法達(dá)到較高的脫氮除磷效率[67-68]，再加上進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大，對(duì)活性污泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了不小的威脅。

4 建議

針對(duì)高原地區(qū)污水處理目前面臨的問(wèn)題，結(jié)合高原地區(qū)低壓低氧、低溫、強(qiáng)紫外輻射的自然環(huán)境特點(diǎn)以及低有機(jī)物濃度、低C/N的污水水質(zhì)，對(duì)高原城鎮(zhèn)污水處理提出以下建議。

(1)污水收集系統(tǒng)方面。高原地區(qū)需要加強(qiáng)污水收集管網(wǎng)的建設(shè)以及完善污水收集管理制度，提高污水的收集率，防止地下水滲入污水管道，避免非污水流入到污水管網(wǎng)中。同時(shí)高原地區(qū)需要開(kāi)展雨污分流工程建設(shè)，避免雨水流入到污水管網(wǎng)中。

(2)污水處理設(shè)施建設(shè)方面。高原地區(qū)污水處理廠(chǎng)曝氣池池體高度可以適當(dāng)比平原地區(qū)高1～2 m，在水力條件允許的情況下，污水處理廠(chǎng)各構(gòu)筑物應(yīng)盡可能設(shè)置在地下或室內(nèi)，地面以上池體外壁需要貼上保溫材料，各個(gè)處理單元建設(shè)頂棚，以達(dá)到保溫的作用。

(3)處理工藝選擇方面。建議高原地區(qū)的污水工藝首選CAST工藝，相較于其他污水生物處理工藝，CAST工藝集曝氣、沉淀等功能于一體，運(yùn)行靈活，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，能有效應(yīng)對(duì)高原低壓低氧、低溫的環(huán)境條件，處理低負(fù)荷(低C/N)進(jìn)水也更具優(yōu)勢(shì)。而且CAST工藝運(yùn)行穩(wěn)定，基質(zhì)去除率高，脫氮除磷效果好，能夠保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的出水水質(zhì)。同時(shí)，CAST工藝是防止污泥膨脹方面公認(rèn)最好的工藝，沉淀效果好，可有效應(yīng)對(duì)污泥上浮、污泥流失等問(wèn)題。此外，CAST工藝控制、管理、運(yùn)行的自動(dòng)化、集成化、智能化程度高，可有效降低管理和運(yùn)維操作難度。

(4)工藝運(yùn)行優(yōu)化方面。首先，高原污水處理廠(chǎng)應(yīng)基于本廠(chǎng)的污水處理工藝，借鑒已有的高原污水處理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自己的實(shí)際情況，針對(duì)性地對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，發(fā)揮出工藝的優(yōu)點(diǎn)，如降低生化池的有機(jī)負(fù)荷、調(diào)整污泥回流量、增加污泥齡等，使得高原污水處理廠(chǎng)在低溫情況下能夠較好地運(yùn)行。其次，可在高原地區(qū)馴化培養(yǎng)活性污泥，從中篩選出適應(yīng)高原環(huán)境的高效耐冷脫氮菌，通過(guò)一定的方式制備成生物菌劑添加到生物處理單元，提升生化池的處理效率。

(5)設(shè)備選型方面。高原地區(qū)的工藝設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足工藝和處理能力的要求，宜選用性能穩(wěn)定、能效高、維修簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)且投資低、占地少、衛(wèi)生條件好的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化成熟的設(shè)備。其中，曝氣機(jī)宜選用羅茨風(fēng)機(jī)，曝氣器宜選擇動(dòng)力效率和氧利用效率高的固定式平板型微孔空氣器擴(kuò)散器和膜片式微孔空氣擴(kuò)散器，脫水機(jī)宜選用疊螺式脫水機(jī)，電器設(shè)備需要選擇高原型號(hào)，部分工藝設(shè)備還需要有保溫裝置，避免在低溫情況下設(shè)備失靈。此外，高原地區(qū)設(shè)備存在功率衰減的問(wèn)題，需要增加設(shè)備的功率富余量。

(6)運(yùn)行管理方面。高原污水處理廠(chǎng)需要制定嚴(yán)格的運(yùn)行管理規(guī)章制度，同時(shí)需要加強(qiáng)技術(shù)人員和管理人員的培養(yǎng)工作，提升廠(chǎng)內(nèi)人員運(yùn)行管理的能力。