青藏高原地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理研究現(xiàn)狀與發(fā)展需求

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)國家民委重點實驗室，陜西咸陽 712082)

相較于東部平原地區(qū)，我國高原地區(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)和社會快速發(fā)展，在城鎮(zhèn)化率顯著提高的同時，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)的第一污水處理廠順利完工，這是青藏高原首座污水處理廠[1]；2008年，中德合作建設(shè)的昌都污水處理廠建設(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[2]；2012年，青海玉樹結(jié)古鎮(zhèn)污水處理廠竣工，該污水處理廠位于海拔3 800 m處，是截至目前全球最高的污水處理廠[3]。在過去的十幾年中，西藏地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了近30座污水處理廠，擬(在)建50余座污水處理廠[4-5]。高原地區(qū)污水處理廠的設(shè)計和建設(shè)通常直接借鑒內(nèi)地經(jīng)驗，但由于高原地區(qū)獨特的自然環(huán)境和社會生活特點，污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)往往不能滿足設(shè)計的要求。同時，與平原地區(qū)相比，高海拔污水處理廠存在處理效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定、能量消耗高等問題[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)典型污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)情況，分析高原污水處理廠存在的問題及其可能的原因。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

1.1 自然環(huán)境特點

青藏高原平均海拔超過4 000 m，具有典型的高原氣候特征。它的主要特點是：大氣中的空氣含量少，太陽輻射強(qiáng)烈，年總輻射量為6 000～8 000 MJ/m2，紫外線輻射含量是內(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)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心圖1 全國夏季(2021年8月1日)氣象圖Fig.1 Nationwide Weather Map in Summer on 1st August, 2021

1.2 社會生活特點

青藏高原地域廣闊，總面積約為250萬km2，約占全國總面積的26%，但人口數(shù)量較少，總?cè)丝诩s為1 300萬，約占全國總?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)報道發(fā)現(xiàn)，青藏高原地區(qū)城鎮(zhèn)生活污水營養(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題

西藏地區(qū)目前已運(yùn)行18座污水處理廠，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。對部分高原污水處理廠進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研污水處理廠位置如圖2所示，污水處理廠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、10.2萬、8.6萬人，3座污水處理廠自然環(huán)境差異不大。調(diào)研污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)情況如表2所示。

圖2 調(diào)研污水處理廠位置示意圖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，從污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)情況可知，高原污水處理廠出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問題是由氨氮不達(dá)標(biāo)引起的，其可能存在的原因有以下幾個方面。

(1)污水水溫較低

高原地區(qū)污水處理廠夏季進(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，也可能會對氨氮的去除產(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)度不足的問題，導(dǎo)致硝化過程受阻[19]。

(3)污泥生物量不足

高原污水處理廠由于水溫較低、進(jìn)水濃度偏低，生化池中的微生物量增長緩慢，部分生化池出現(xiàn)污泥流失的問題，導(dǎo)致反應(yīng)器中活性污泥量不能滿足工藝生化反應(yīng)的需求。同時，部分污水處理廠為了維持污泥量，長時間不排泥，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)驗的不足，很多污水處理廠對工藝流程調(diào)控優(yōu)化沒有比較清晰的概念，也很難發(fā)現(xiàn)潛在的問題，很多控制參數(shù)都是按照原有設(shè)定，并沒有根據(jù)實際情況調(diào)整。

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

(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)對于自來水管理制度不嚴(yán)格，大量的自來水進(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的處理負(fù)荷。

3 高原環(huán)境對污水處理的影響

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個地級市的海拔、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，氧分子通過氣、液界面向液相傳遞。在此過程中，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，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)度以及維持更長時間的曝氣，這勢必導(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，絲狀菌對氧氣的需求較低，且其比表面積較大，與菌膠團(tuán)細(xì)菌競爭時具有明顯的優(yōu)勢。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的網(wǎng)狀污泥，將細(xì)小的懸浮物捕獲。同時，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)，往往會發(fā)生嚴(yán)重的污泥膨脹問題，對污水處理造成嚴(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，污水處理廠往往需要通過增加曝氣強(qiáng)度來維持好氧池中的溶解氧含量。但曝氣過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對污泥理化性質(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)度改變會對污泥理化特性和結(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)度存在一個臨界強(qiáng)度:當(dāng)曝氣強(qiáng)度小于臨界值時，污泥聚集過程占主導(dǎo)地位，因為污泥細(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，污泥破碎過程占主導(dǎo)地位，因為較高的剪切力會破壞污泥聚集體。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，但沒有觀察到多糖的明顯趨勢。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]通過改變曝氣強(qiáng)度研究對微生物產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣強(qiáng)度達(dá)到0.4 MPa時，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)會對群落多樣性產(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，但也可能會對污水處理效果產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)一步開展曝氣強(qiáng)度對高原地區(qū)污水處理廠微生物群結(jié)構(gòu)、污泥絮體和胞外分泌物等方面影響的研究。

3.1.3 對微生物的影響

研究[29]發(fā)現(xiàn)，大氣壓力會對污水處理廠微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Niu等[30]分析了海拔對污水處理廠脫氮細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)在海拔1 500 m以上時，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]通過對比高原地區(qū)和低海拔地區(qū)污水處理廠的脫氮微生物群落后發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)污水處理廠中氨氧化菌(ammonia oxidation bacteria, AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidation bacteria，NOB)的相對豐度顯著低于低海拔地區(qū)的相對豐度，這是高原污水處理廠的硝化效率低于低海拔地區(qū)的一個重要因素，同時發(fā)現(xiàn)高原污水處理廠中聚磷菌(phosphorus accumulating organisms, PAOs)和聚糖菌(glycogen accumulating organisms, GAOs)的相對豐度高于平原地區(qū)，但高原污水處理廠中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。陳悅[32]通過利用穩(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試，結(jié)果表明在壓力降低時，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)境因素也會對微生物群落結(jié)構(gòu)造成影響，大氣壓力對微生物的影響仍需進(jìn)一步研究。

3.1.4 對氣體生成的影響

活性污泥微生物會通過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)污染物在曝氣過程中通過分解代謝去除并產(chǎn)生CO2。無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)物過飽和問題，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有機(jī)物的降解以及氮素的去除。因此，低壓對氣體生成的影響取決于哪一方面起主導(dǎo)作用。張維嘉[35]探究低壓對厭氧氨氧化的影響時發(fā)現(xiàn)，100 kPa時N2最終產(chǎn)生量為0.77 μmol，75 kPa時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，硝化菌在利用無機(jī)碳源的過程中，低壓會使空氣中的CO2溶解到污水中的過程受到限制，污水中的無機(jī)碳源濃度會下降，影響硝化菌對無機(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

目前我國污水處理主要采用生物處理工藝，微生物活性的強(qiáng)弱對污水處理的效果有很大的影響。溫度是影響微生物生長的重要因素，對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，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^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，污水處理廠進(jìn)水水溫偏低，相較于東部平原地區(qū)，高原污水處理廠普遍存在微生物活性衰弱的問題[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，生長緩慢，世代周期較長[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，從而對硝化反應(yīng)和脫氮過程產(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，并對硝化速率形成了影響，但對反硝化種屬豐度無顯著影響。高原地區(qū)全年氣溫較低，污水處理廠夏季進(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，同時硝化菌也存在著數(shù)量不足的問題，硝化反應(yīng)過程受到極大抑制，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)污水處理廠面臨的最大問題，研究[45]發(fā)現(xiàn)，在水溫低于12 ℃時，污水處理廠容易發(fā)生污泥膨脹，高原地區(qū)污水處理廠冬季進(jìn)水水溫低于12 ℃，極易發(fā)生污泥膨脹。污泥膨脹發(fā)生時，會出現(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)行測序試驗，結(jié)果顯示，發(fā)生過度生長的絲狀菌是Halisco-menobacter和Trichococcus，且Haliscomenobacterhydrossis在微生物群落結(jié)構(gòu)中占據(jù)競爭優(yōu)勢。但高春娣等[50]研究發(fā)現(xiàn)，低溫下污泥膨脹的發(fā)生會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，甚至同一污水處理廠不同時期，也存在著不同的優(yōu)勢絲狀菌，因此，目前尚無與高原污水處理廠污泥膨脹特別相關(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。低溫也會影響氧傳質(zhì)過程：一方面，水溫降低會導(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來說，低溫有利于氧的轉(zhuǎn)移,但相比于低壓低氧對氧轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的不利影響，低溫的影響往往可以忽略不計。低溫引起的污泥脫硝效率低和污泥膨脹等問題，可以通過適當(dāng)提高污水水力停留時間、增大污泥回流比以及提高污泥泥齡來應(yīng)對[53]。但隨著污泥泥齡的增加，污泥濃度也會增加，會導(dǎo)致氧傳質(zhì)速率下降[54]，這將更不利于曝氣過程，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，適度提高曝氣量有利于抑制低溫污泥膨脹的發(fā)生，并且不會對污泥絮體結(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，活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)的相對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。針對碳源不足的問題，污水處理廠通常采取投加優(yōu)質(zhì)有機(jī)碳源的處理對策，如乙酸鈉、葡萄糖和甲醇等，但是這會導(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的可持續(xù)運(yùn)行[57]。高原地區(qū)污水處理廠低溫和低C/N的進(jìn)水條件，對生物處理系統(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A標(biāo)準(zhǔn)。Li等[60]通過全流程脫氮除磷工藝在低溫[(10±2) ℃]、低C/N(3.6)條件下實現(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污水通過運(yùn)行優(yōu)化以及工藝改進(jìn)，可以實現(xiàn)氮、磷的有效去除，但具體實踐操作有待研究。

3.4 紫外輻射的影響

高原地區(qū)海拔高、空氣稀薄，到達(dá)高原表面的太陽紫外線輻射衰減較弱，因此，高原區(qū)域紫外線輻射較高，較高的紫外線強(qiáng)度可能會對微生物的核酸產(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)微生物對不同輻射強(qiáng)度的紫外線輻射的抵抗力也不同，一定強(qiáng)度的紫外線照射將有利于系統(tǒng)中污染物的去除，但超過耐受輻射強(qiáng)度后，污染物去除效果下降。黃德才[64]研究高原地區(qū)紫外輻射對菌劑的影響時發(fā)現(xiàn)，室外菌種來源的菌劑比室內(nèi)來源的菌劑更耐紫外輻射，比未經(jīng)紫外輻射處理的對照組氨氮、總氮去除率更高，說明紫外輻射可能會提升室外菌種來源的菌劑生物活性。目前，紫外輻射對有機(jī)污染物的降解作用研究較多，但對城鎮(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)致水溫波動明顯，對污水處理系統(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，CODCr和氨氮的去除效率顯著下降，并需要花費(fèi)較長的時間才能恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)。Zong等[66]研究了在高原條件下，溫度瞬時變化對污染物去除的影響，發(fā)現(xiàn)總磷、總氮、氨氮去除率變化明顯，CODCr去除率變化相對穩(wěn)定。因此，在低溫和水溫波動共同存在的情況下，高原污水處理廠可能會出現(xiàn)氨氮、總氮等部分指標(biāo)超標(biāo)的問題。

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

4 建議

針對高原地區(qū)污水處理目前面臨的問題，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)境特點以及低有機(jī)物濃度、低C/N的污水水質(zhì)，對高原城鎮(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。同時高原地區(qū)需要開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。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，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)對污泥上浮、污泥流失等問題。此外，CAST工藝控制、管理、運(yùn)行的自動化、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，高原污水處理廠應(yīng)基于本廠的污水處理工藝，借鑒已有的高原污水處理經(jīng)驗，結(jié)合自己的實際情況，針對性地對工藝運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，發(fā)揮出工藝的優(yōu)點，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、維修簡便、使用壽命長且投資低、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，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。高原污水處理廠需要制定嚴(yán)格的運(yùn)行管理規(guī)章制度，同時需要加強(qiáng)技術(shù)人員和管理人員的培養(yǎng)工作，提升廠內(nèi)人員運(yùn)行管理的能力。