0 引 言
随着西部大开发战略的深入推进，西部高原地区正经历着大规模的开发与建设，迎来前所未有的发展机遇。但与此同时，青藏铁路的开通、人口的涌入、工厂建设以及道路桥梁工程等人为活动给当地环境带来了不小的压力，过程中产生的生活和生产污水对高原地区水源的污染不可忽视[1]。高原地区环境容量小，河湖水体的自净能力差，水体一旦被污染就难以恢复。污水处理厂是各类污水排入自然环境前必经的人工强化处理场所，污水处理厂是否正常运转直接关系着水污染治理的最终成果，对于高原地区河湖水环境的保护有着至关重要的作用。
长期以来，由于技术欠缺、资金匮乏等问题，我国高原地区一直没有完备的污水处理设施。2008年8月，中德合作的昌都污水处理厂建成，是世界上首座成功采用生化处理城镇污水项目的高原污水处理厂，结束了我国高原地区没有污水处理厂的历史。在成功借鉴昌都污水处理厂的经验之后，拉萨、那曲等地也陆续建设了本地区的第1座污水处理厂[2]。青海玉树州结古镇污水处理厂海拔高达3681 m，是当前世界上海拔最高的污水处理厂，在同等规模企业中一次处理污水能达到最高标准，同时也是处理污泥含水率最高的污水处理厂。这些高原污水处理厂虽然能够处理一部分污水，但由于地处高原，污水处理厂出水质量时常难以达到污水排放标准[3]，与低海拔地区的污水处理厂相比存在能耗高、适应性能差、处理效率低等特点[4]。因此，关于高原污水处理厂当前存在问题及其原因的研究对于理解污水处理厂工况、改善高原地区水环境、保障高原水生态安全至关重要。
本文针对我国高原地区独有的低温、低氧、低压等自然条件，阐述了高原污水处理厂所处环境和社会特点，对高原地区污水处理厂运行、管理方面产生的问题和原因展开分析，并结合我国高原污水处理厂实际情况提出切实可行的建议，展望了我国高原污水处理厂未来的发展方向。
1 高原污水处理厂所处的环境和社会特点
1.1 环境特点
我国高原地区主要包括西藏自治区、青海省、云南省的西部以及四川省的西南部，与东部低海拔平原地区相比，这些地区的海拔高、空气中含氧量低、气压低，城市平均海拔在2200 m以上，有个别城市海拔超过3000 m。此外，高原地区气候寒冷，年低气温(≤10 ℃)时间比较长，空气中的含氧量是东部平原地区的60%～80%[5]。
1.2 社会特点
我国西部高原地区幅员辽阔，但人口稀少，居民以少数民族为主，呈现地广人稀、少数民族聚居的特点，经济主要以农牧业生产为主。以我国西部最大的高原——青藏高原为例，其面积为240万km2，约占全国面积的25%，总人口在800万左右，不足全国的1%。青藏高原是以藏族为主的少数民族聚居区，藏族人口占总人口的46%，还包括门巴族、珞巴族等少数民族。西藏农牧业人口约占西藏总人口的80%以上，农牧业总产值约占工农业总产值的80%以上，城镇人口所占比例较少，其工业化水平也较低。因此，高原污水处理厂主要处理城镇产生的生活污水，工厂生产废水处理量较少，而且污水处理总量和处理负荷都较低。
1.3 高原污水处理厂主要工艺概述
针对高原地区的环境和社会特点，我国高原污水处理厂目前主要采用A2/O(anaerobic-anoxic-oxic)、SBR(sequencing batch reactor)系列工艺以及氧化沟系列工艺3种[6]，各工艺概况及主要优缺点如表1所示。
表1 高原污水处理厂主要工艺概述
Table 1 The common treatment processes of plateau wastewater treatment plants
工艺名称概况优点缺点代表性污水厂A2/O厌氧、缺氧、好氧3种不同的环境条件和不同种类微生物菌群的有机配合,能够去除有机物、脱氮除磷工艺流程简单,总水力停留时间短,SVI一般少于100 mL/g,通常不会发生污泥膨胀沉淀池要防止发生厌氧、缺氧状态,以避免池中发生反硝化作用产生氮气,影响泥水分离效果、“聚磷菌”发生再次厌氧释磷而影响出水水质玉树州结古镇污水处理厂、山南地区泽当镇污水处理厂、格尔木市污水处理厂(改良A2/O工艺)、西宁市第三污水处理厂等SBR系列工艺集进水、反应、沉淀、出水于一体,而不需要初沉、二沉池及污泥回流容积可变、操作灵活,对水力负荷变化的缓冲性能较强自动化控制要求高、排水时间短,并且排水时要求不搅动沉淀污泥层,对滗水器的要求很高那曲污水处理厂、香格里拉污水处理厂(CASS工艺)等氧化沟系列工艺污水和活性污泥在呈封闭的环形曝气渠道中不断循环流动构造简单,工作稳定可靠,易于维护管理,除碳、脱氮功能较高,剩余污泥量少且稳定,可直接浓缩、脱水后处置水力停留时间及污泥龄较长大通县污水处理厂、康定县城市污水处理厂(Orbal氧化沟)、西宁市第二污水处理厂(卡鲁塞尔氧化沟)等
2 高原污水处理厂存在的问题
2.1 低温引发的问题
2.1.1 微生物活性衰弱
温度作为微生物生长的重要生态因子，对微生物生长繁殖与代谢活性具有深远的影响。根据微生物学理论，大多数微生物在温度>15 ℃时活性正常，4～15 ℃时活性明显下降，<4 ℃时生理活性极低[7]。一般情况下，脱氢酶活性(DHA)代表微生物活性，很多学者在实验中设置了不同温度等级的生物膜反应器，结果发现温度较低的反应器中DHA也较低，证实了低温对微生物活性具有负面影响[8]。在微生物降解水中污染物的过程中，微生物胞内酶和胞外酶的催化作用起着主导作用[9]，而酶对温度有着极高的敏感度，酶活性的高低显著影响污染物的处理效能[10]，酶促反应速度在0～40 ℃范围内，随着温度升高而加快，且温度每升高10 ℃，化学反应速率增加2～4倍[11-12]。
由于我国大多数的高原地区全年气温偏低，所以高原污水处理厂普遍存在微生物活性衰弱的问题。如香格里拉污水处理厂采用CASS(cyclic activated sludge system)工艺处理污水，即使在全年温度最高的夏季，其进出水水温也在14 ℃以下，CASS池中水温在15 ℃左右[7]；那曲污水处理厂采用SBR工艺，其进出水水温仅维持在12 ℃左右[13]；山南地区泽当镇污水处理厂采用A2/O工艺，其水温长期处于10 ℃左右[6]；玉树州结古镇污水处理厂在温室罩的保证下冬季温度也只有6 ℃左右。受水温影响，这些污水处理厂中微生物的生长受到抑制，代谢外源物质能力降低，污泥中的生物量普遍较低。温度作为微生物生长和存活的最重要因素之一，对个体生物的生长、繁殖、代谢以及生物物种分布和微生物数量起着决定性作用。如果微生物无法适应温度，它的生理特性和物种就会发生改变，最终导致微生物死亡，污水处理效果持续下降[14]。
2.1.2 硝化与反硝化反应受到抑制
研究显示，生物脱氮过程中最为关键的一环是硝化过程[15]，而硝化反应效能取决于硝化细菌的活性，影响硝化细菌活性的因素有很多，例如pH、盐度、溶解氧以及温度等，其中温度是影响硝化效果最重要的因素[16]。
在我国，污水处理厂进行生物处理一般采用中温硝化细菌，然而，在西部高原地区冬季温度较低，污水处理厂表面冻结，出现大量泡沫，使得硝化细菌的活性和增殖速率衰退，直接影响出水水质，例如昌都等污水处理厂出现氨氮、总氮等处理指标部分超标现象[17-18]。硝化细菌对于温度的变化极其敏感，最适生长温度为25～30℃[19-21]。研究表明：当温度<10 ℃时，硝化细菌便进入休眠状态；温度<4 ℃时，硝化细菌新陈代谢衰退，部分甚至丧失新陈代谢能力，反硝化细菌的增殖能力和活性也受到影响[14]，导致出水氨氮和总氮含量无法达标[22-23]。因此，在我国高原地区，全年的低温条件导致污水处理厂中的硝化细菌生长速率偏低，硝化细菌相对世代时间较长，加之其他菌种对其造成的竞争性抑制，硝化细菌很难累积到一定数量，因此硝化反应与脱氮过程受到抑制，污水的生物脱氮效果不理想[24]。
针对低温条件对于高原污水处理厂中的硝化反应与脱氮过程影响较大的问题，国内外学者通过试验不断探究低温对该过程的影响机理，并以此开发新工艺，引进新技术，从而提高污水处理效能。在运行好氧生物膜反应器的过程中，Park等[8]发现低温会导致附着的生物量、分配比以及硝化细菌活性降低，抑制氨氧化细菌(AOB)的生长并促使AOB物质组成的改变，最终导致硝化失败；Rodriguez caballero等[25]指出低温促使AOB群落结构发生改变，他在Västerås和Eskilstuna 2个污水处理厂抽样时均发现AOB比氨氧化古菌(AOA)更丰富，同时随着温度降低，氨氮去除率和硝化作用均有降低；Fang等[26]发现：高原污水处理厂中异养细菌的丰度与平原地区无明显差异，但是脱氮菌丰度减少，除磷菌丰度增大，温度为影响微生物群落结构的最重要因素。基于此，Akila等[27]从南极和北极分离到4 株耐冷的丝状蓝细菌(Cyanobacteria)，它们在低温下对氮和磷具有较高的去除率；张雷等[28]通过低温下(≤10 ℃)驯化培养活性污泥，使耐冷硝化菌在适宜条件下生长成为优势菌种，并从中分离出高效耐冷硝化菌群，采用包埋固定化生物强化技术构建了耐低温硝化细菌，氨氮去除率达到60%以上，使硝化反应恢复正常。
2.1.3 污泥膨胀
污泥膨胀是当今高原污水处理厂面临的最为棘手的问题之一，它容易造成二沉池出水的上层澄清液减少，活性污泥流失，出水水质不佳等问题。污泥膨胀主要分为2种：1)由丝状菌过度繁殖引发的丝状膨胀；2)由菌胶团中累积的黏性多糖物质导致的黏性膨胀[29]，低温可能会引发丝状膨胀和黏性膨胀。
陆鑫等[30]通过采集污水处理厂低温状态下的膨胀污泥进行测序实验，结果显示，Haliscomenobacter和Trichococcus 2种丝状菌过度繁殖，而且Haliscomenobacter在微生物群落结构中占据较大的竞争优势。在活性污泥中，随着温度的升高，Haliscomenobacter的丰度减少，低温会更接近Haliscomenobacter的最佳生长温度[31]。因此，高原污水处理厂在低温状况下可能会爆发污泥丝状膨胀。
此外，在污水水温较低且污泥负荷较高的情况下，微生物生理活动减弱，细菌吸附大量有机物，不能及时代谢，在胞外积贮大量高黏性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩[32]，最终导致污泥黏性膨胀。Jiang等[14]在研究中发现，海水盐度可能会改变活性污泥的结构，菌胶团和絮状物会变得紧实，高盐条件下丝状菌无法存活。因此可以通过提高污水盐度来控制污泥黏性膨胀。
2.1.4 工艺设施耗损
受低温影响，高原污水处理厂在运行过程中容易出现工艺设施耗损，其中受损较严重的主要是输水管道等室外设备。例如，在玉树州结古镇污水处理厂的施工建设过程中，持续低温使得一些施工材料以及室外设备被冻坏，因此应当在需要保护的物品上增加一层保温材料，如在泵体的轴、杆部位缠电热丝带保温。此外，输水管道必须埋设在符合要求的冻土层之下，并且要进行保温措施，同时可以在管线上布置事故溢流井，一旦输水管道冻坏或裂开可以应急使用，以防污水外泄。
冬季气温低的情况下，在墙和地面上铺设砂浆勾缝、抹灰时，容易造成墙体表面脱落，所以可以考虑在外墙涂抹仿石涂料防止墙体表面脱落。此外，在污水处理厂事故排出口布置一翻板，当有水流通过时翻板自动开启排水，没水时翻板关闭，避免从事故排出口进风倒灌，具有防风、保温的作用[5]。对于采用氧化沟工艺的高原污水处理厂，如西宁市第二污水处理厂，在冬季低温状况下，其表面热交换氧转移效率会降低，转碟会出现上冻现象；而对于采用CASS工艺的高原污水处理厂，如香格里拉污水处理厂，低温使得其沉淀排水工序容易结冻。
2.2 低氧低压引发的问题
2.2.1 污泥丝状膨胀
在高原地区，大气中的氧浓度较低，使得污水处理厂中的DO含量也较低，容易引发污泥丝状膨胀[33]。大量研究表明，低DO状态下会发生浮游球衣菌和硫细菌2种丝状菌引起的污泥膨胀[34]。
一般情况下，绝大多数好氧菌在低DO情况下不能正常生长，尽管丝状菌也属于好氧细菌，但是丝状菌普遍长有细长的菌丝，比表面积很大，在和菌胶团细菌一起争夺DO时有着巨大的优势，因此在低DO条件下丝状菌依然可以快速生长繁殖，从而造成污泥丝状膨胀。此外，丝状菌在厌氧条件下依然可以保持一定时间的活性，等到好氧状态又会快速恢复生长繁殖[35]。
高春娣等[36]通过在SBR反应器中研究低温低DO条件的污泥膨胀，发现ρ(DO)从2.0 mg/L降到0.5 mg/L时，污泥的容积指数开始升高，同时开始出现污泥丝状膨胀。生化池内如果仅是DO浓度低，并不会发生严重的污泥膨胀现象，只会出现污泥沉降性略差的丝状菌污泥微膨胀，这种污泥微膨胀反而能够加强二沉池的泥水分离，同时丝状菌的菌丝会网捕细小的悬浮物，促进系统的稳定运行[37-40]。然而，高原污水处理厂常年面临低温问题，低DO和低温并存的情况往往会加剧污泥膨胀，严重威胁着高原地区污水处理厂的日常运行[41]。
2.2.2 仪表器械问题
在缺氧状况下，高原污水处理厂中的高低配电柜系统经常出现散热性能差的问题，因此应当在这些电柜系统旁增设一些散热设备，如排气扇、排气孔等。在低压状况下，高原污水处理厂中的鼓风机压缩比大幅降低，导致机头发热，机头中的润滑油变性，润滑性能急剧降低，轴承损坏，因此应对鼓风机进行适当的冷却；一些分析仪表如溶解氧测定仪在只靠压力作用时不能正常地工作[5]。此外，与平原地区相比，高原地区的污水处理厂在提供相同的供氧量时需要更大的曝气量，这样同样的曝气设备会消耗更多的能量，造成运行成本增加。
2.3 其他问题
我国高原污水处理厂还存在污水收集困难，技术人员储备薄弱等问题。在高原地区，地势辽阔，城镇之间相隔较远，冻土层的存在使得管网铺设困难，自来水普及率很低，难以将较为分散的污水统一回收集中处理，因此大部分污水处理厂的污水处理能力都较低。此外，我国的高原污水处理厂普遍处于欠发达地区，经济水平薄弱，人才吸引力不足，尤其是水处理行业的技术人才更是匮乏，关于污水处理工艺设备的管理经验也不足，一旦污水处理厂的设备出现一些异常情况，工作人员不能及时准确地发现并解决问题，导致高原污水处理厂的出水难以达标。
3 建 议
针对当前高原污水处理厂面临的诸多问题，结合高原低温、低氧、低压的特点，提出以下建议：
1)适当降低生化池的有机负荷及二沉池的表面负荷。
2)在水力流程允许的条件下，将池体尽可能埋于地下，起到冬季保温的效果，地面以上池体外壁贴发泡保温棉，厚度为80～100 mm。
3)尽量减少散热面积，生化池有效水深一般选择6.0～7.0 m。
4)污泥回流比一般取上限值，便于冬季加大污泥回流量，维持生化池内的高生物量。
5)鼓风机空气管道缠保温棉，便于冬季保温。
6)在低温低氧下驯化培养活性污泥，使耐冷硝化菌在适宜条件下生长成为优势菌种，并从中分离出高效耐冷硝化菌群，以此提高氨氮去除率。
7)利用基因工程技术将具有特定功能的基因在体外构建DNA分子，导入污泥微生物细胞，进而选育出能够在低温、低氧、低压状况下生存的污泥微生物种群。
4 结束语
我国目前已建成高原污水处理厂数十座，在运行管理过程中存在诸多问题，如微生物活性衰弱，硝化反应受到抑制致使脱氮效果不佳，污泥易发生膨胀等，主要原因可归结于高原地区低温、低氧、低压的环境特点。此外，由于我国高原地区的经济和文化水平普遍较低，高原污水处理厂的人才和技术水平也远落后于东部平原地区。
针对低温污水处理效果较差、资金投入较高等我国高原地区的污水处理过程中普遍存在的问题，笔者提出了一系列建议旨在保证污水处理厂进水量和水质稳定。与此同时，迫切需要开发适合高原地区处理低温污水的生物处理技术，其中耐冷细菌的驯化培育是未来高原污水处理的发展重点。未来研究可尝试利用基因工程技术将具有特定功能的基因在体外构建DNA分子，导入污泥微生物细胞，进而选育出适应在低温、低氧、低压状况下生存的污泥微生物种群，并进行相关中试和大规模试验研究，对强化高原污水生物处理过程具有重要战略意义。
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