污泥回流之外，提升污水冬季处理效率的关键技术与策略

当凛冬降临，中国北方及高海拔地区的污水处理厂便步入全年运行的“承压期”。水温骤降至15℃以下时，生物处理系统如同被按下“减速键”——硝化菌、反硝化菌等功能微生物活性锐减，氨氮、总氮去除率普遍下滑30%-50%，污泥沉降性能恶化引发污泥膨胀风险，出水超标概率较常温期提升数倍。长期以来，污泥回流作为维持系统生物量的基础手段被广泛应用，但面对低温这一系统性胁迫，单一技术路径的局限性日益凸显。随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准的全面执行，以及“双碳”目标下污水行业节能降碳要求的不断提升，传统“被动应对”的低温运行模式已难以满足发展需求。当前，行业正加速转向“主动防控”新阶段，通过微生物强化、工艺革新、能源回收与智慧调控的多维度协同，构建全链条低温增效技术体系。本文系统梳理污泥回流之外的核心增效技术，结合最新工程实践与科研进展，为破解低温污水处理难题提供全面的技术图谱与实施指引。

一、微生物层面：激活系统核心“生命力”

低温对污水处理效能的抑制，本质是温度胁迫导致微生物群落结构失衡与代谢活性下降。因此，从微生物层面精准干预、定向强化，是破解低温困境最直接、最根本的路径，也是当前技术研发与工程应用的核心方向。

（一）投加高效耐低温复合菌剂

该技术通过人工投加经极端环境筛选、定向驯化的功能菌群，快速补充系统内低温适应性不足的微生物种群，是工程实践中应用最广、见效最快的生物强化手段之一，尤其适用于低温期出水达标应急与常规效能提升。

1. 技术核心要点：成熟的耐低温菌剂并非单一菌种，而是由低温硝化菌（如 Nitrosomonas cryotolerans）、低温反硝化菌（如 Pseudomonas putida 低温菌株）及耐低温异养菌构成的复合菌群，可实现氨氮、总氮、COD的协同去除。菌剂的效能关键在于菌种的低温活性与定植能力——优质菌剂在5-10℃环境下仍可维持80%以上的常温代谢速率。工程案例显示，某北方污水处理厂在8℃水温下投加专用耐低温菌剂后，系统总氮去除率从42%提升至78%，氨氮出水浓度稳定控制在5mg/L以下。

2. 优化实施策略：为避免温度骤降对微生物群落的冲击，建议采用“阶梯式预投加+持续补投”策略：在日平均气温降至12℃前72小时启动预投加，投加量为常规剂量的1.5倍，确保功能菌群提前定植并形成优势；低温期（5-12℃）内按常规剂量每周补投1-2次，维持菌群丰度。同时，投加期间需保障充足的溶解氧与营养供应，避免因菌群增殖导致的局部缺氧或营养失衡。

（二）信号分子调控微生物协同行为

作为新兴的前沿生物强化技术，信号分子调控打破了“外源菌种补充”的传统思路，通过投加特定群体感应信号分子，激活系统内原有微生物的活性与协同代谢能力，具有成本低、生态扰动小、针对性强的优势，尤其适用于低温低碳氮比废水处理。

1. 技术核心要点：群体感应信号分子（如N-酰基高丝氨酸内酯，AHLs）是微生物间的“通讯媒介”，极低浓度（500-1000ng/L）即可调控微生物的粘附、成膜、代谢等行为。研究表明，在5-10℃条件下投加700ng/L的C4-HSL信号分子，可使生物膜细菌初始粘附量提升50%以上，生物膜形成速度加快60%，且形成的生物膜结构更致密、稳定性更强。稳定的生物膜可为微生物提供保护屏障，减少低温胁迫影响，实验数据显示该技术能将低温下的脱氮效率提升至对照组的3倍。此外，信号分子可促进微生物对低碳源的高效利用，无需额外投加外碳源即可实现高效脱氮，破解了低温低碳氮比废水处理的核心难题。

2. 工程应用前景：目前该技术已在养殖尾水、工业园区低温废水处理等场景开展中试应用。某养殖尾水处理项目中，通过投加信号分子调控生物膜反应器，在10℃、碳氮比仅为3:1的条件下，总氮去除率稳定在75%以上，较未调控组提升40%，运行成本较投加外碳源方案降低60%。未来随着信号分子量产成本的降低，该技术有望在市政污水处理低温强化中实现规模化应用。

（三）富集与利用厌氧氨氧化（Anammox）菌

厌氧氨氧化技术被誉为污水脱氮领域的“革命性突破”，其核心优势在于可在缺氧条件下直接以亚硝酸盐为电子受体将氨氮转化为氮气，无需有机碳源和曝气，能耗较传统硝化反硝化工艺降低60%以上，碳源消耗减少90%，是实现低温污水低碳脱氮的颠覆性技术。

1. 低温突破路径：长期以来，厌氧氨氧化菌因最适生长温度为30-35℃，被认为难以在15℃以下的市政污水中富集与应用。近年来，“主流短程反硝化耦合厌氧氨氧化（PDA）”技术路线实现重大突破——通过精准调控短程反硝化过程，将部分硝酸盐还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化菌提供适配底物，同时优化反应器水力条件与污泥龄，创造适合低温厌氧氨氧化菌生长的微环境。

2. 工程验证成果：北京工业大学彭永臻院士团队在50m?/d中试系统的研究表明，通过PDA技术路线，即使运行温度低于10℃（最低达5℃），系统仍可稳定富集厌氧氨氧化菌（菌群丰度占比达12%-15%），氨氮去除率维持在85%以上，总氮去除负荷达0.3kgN/(m?·d)，实现了从实验室理论到工程实践的跨越。此外，荷兰代尔夫特理工大学联合当地污水处理厂开发的“DEMON?”工艺，也在10℃左右的主流污水中实现了厌氧氨氧化的稳定运行，进一步验证了该技术在非热带地区的适用性。

技术类型	作用原理	核心优势	潜在挑战	适用场景/阶段
耐低温复合菌剂	投加外源低温功能菌群，快速补充系统降解能力，优化群落结构	见效快（3-7天），效果稳定，操作简便，适配性广	长期投加成本较高，部分菌剂存在定植稳定性不足问题	水温5-12℃的市政/工业污水处理，应急达标与常规强化阶段
信号分子调控	投加群体感应信号分子，激活内源微生物粘附、成膜与代谢协同能力	成本低，生态友好，无需外源菌种，适配低碳氮比废水	信号分子剂量控制要求高，易受水质波动影响	低温低碳氮比废水（养殖尾水、工业园区废水），生物膜工艺启动与强化
厌氧氨氧化技术（PDA路线）	短程反硝化提供亚硝酸盐底物，富集厌氧氨氧化菌实现自养脱氮	节能降碳效果显著，大幅减少碳源与能耗，脱氮效率高	工艺调控复杂，对水质水量波动敏感，启动周期长（3-6个月）	污水处理厂深度脱氮改造，有节能降碳刚性需求的项目，主流/侧流污水均可适配

二、工艺与材料层面：优化微生物“作战战场”

在强化微生物“战斗力”的同时，通过工艺升级与材料改良优化反应器环境，提升传质效率、稳定反应条件，可进一步弥补低温带来的效能损失。该层面技术无需大规模土建改造，或改造难度较低，是现有污水处理厂低温提标的主流选择。

（一）膜生物反应器（MBR）与介质强化技术

MBR通过膜分离技术取代传统二沉池，可实现微生物的高效截留，使系统污泥浓度（MLSS）提升至8000-12000mg/L，较传统活性污泥法提高1-2倍，通过“以量补效”的方式弥补低温下单个微生物活性不足的问题。在此基础上，投加碳基介质（粉末活性炭PAC、生物炭、沸石等）进行强化，可进一步提升低温运行稳定性。

1. 双重强化机理：一方面，碳基介质可作为微生物附着生长的载体，形成“生物膜-活性污泥”复合体系，富集耐低温功能菌群，减少低温对微生物的冲击；另一方面，介质具有优异的吸附性能，可吸附水中难降解有机物、重金属及微生物代谢抑制物，改善混合液特性，同时缓解低温下尤为严重的膜污染问题——研究表明，低温下微生物代谢产物（如胞外聚合物EPS）分泌增加，是导致膜污染加剧的主要原因，而生物炭对EPS的吸附率可达40%以上。

2. 工程应用效果：某北方污水处理厂MBR工艺在10℃低温下，投加20mg/L生物炭后，COD去除率从78%提升至92%，氨氮去除率从65%提升至88%，膜组件运行周期从30天延长至60天，膜清洗频率减少50%。此外，厌氧膜生物反应器（AnMBR）结合生物炭强化技术，在5℃低温下可实现高浓度有机废水COD去除率稳定在90%以上，为低温高盐、高浓度有机废水处理提供了新路径。

（二）生化系统原位调控与工艺参数优化

对于现有污水处理厂，在不进行大规模设备改造的前提下，通过精细化调控工艺参数实现“原位提标”，是最经济、最易落地的低温增效策略。核心思路是通过参数调整，为耐低温微生物创造稳定、适宜的生长环境，提升系统抗冲击能力。

1. 关键参数优化方案：污泥浓度与污泥龄调控：冬季主动减少排泥量，将MLSS提升20%-30%（常规活性污泥法建议维持在5000-8000mg/L），同时将污泥龄（SRT）延长25%-50%——硝化菌属于自养菌，生长速率慢，低温下需更长SRT（建议15-25天）才能保证其在系统内的富集，避免因排泥导致功能菌群流失。

2. 溶解氧（DO）精准控制：低温下水体粘度增加，氧传质效率较常温提升15%-20%，但微生物耗氧速率下降30%以上。因此，好氧池DO宜控制在2.0-3.0mg/L，较常温略高，但需避免过度曝气——过度曝气不仅增加能耗，还可能导致污泥解体、生物膜脱落，进一步恶化处理效果。可采用分段曝气模式，根据各区域氨氮浓度动态调整曝气量。

3. 回流比优化：适当提高污泥回流比（建议50%-100%），保证反应器内生物量均匀分布；同时提高内循环回流比（200%-300%），增强反硝化区底物混合均匀性，避免局部碳源不足导致的反硝化不完全。对于A?/O工艺，可通过调整内循环回流点，延长低温下反硝化反应时间。

4. 搅拌强度调整：低温下混合液粘度增加，传质阻力增大，需适当提升厌氧区、缺氧区搅拌强度（建议搅拌功率提升10%-20%），确保底物与微生物充分接触，避免局部死区形成。

三、能源利用层面：回收“废弃”热能，实现节能降碳

污水处理厂本身是能耗大户，其中低温运行期因曝气、加热等需求，能耗较常温期增加20%-30%。但污水（尤其是尾水）中蕴含的低品位热能（通常比环境温度高3-5℃）尚未被充分利用。通过能源回收技术提取这部分热能，既能用于改善处理条件，又能降低运行能耗，契合“双碳”目标要求。

1.水源热泵技术的规模化应用

水源热泵技术以处理后的尾水、厂内冷却水或地下水为稳定热源，通过热泵机组的压缩机与换热器，将低品位热能提升为高品位热能（可达85-90℃），实现热能的回收与再利用。该技术具有能效比高（COP值可达3-4）、运行稳定、碳减排效果显著等优势，已被纳入国家级节能降碳技术装备推荐目录。

（1）核心应用方向：污泥低温真空干化供热：污泥干化是污水处理厂能耗核心环节之一，传统天然气锅炉供热模式能耗高、碳排放量大。采用水源热泵为污泥低温真空干化系统供热，可大幅降低化石能源消耗。以上海虹桥污水处理厂为例，该厂采用尾水水源热泵技术为200t/d污泥干化系统供热，替代传统天然气锅炉，每年减少天然气消耗量70%（约1.2万m?），污泥干化能耗成本降低20%，年碳减排量达260吨。

（2）反应器水温调控：在严寒地区（如东北、西北），可通过水源热泵提取的热能加热进水或反应器混合液，将水温维持在10℃以上，从根本上缓解低温胁迫。某黑龙江污水处理厂采用该技术后，冬季反应器水温稳定在12℃左右，氨氮去除率从50%提升至85%，出水稳定达标。

（3）厂内建筑供暖：回收的热能可用于污水处理厂办公楼、化验室等建筑的冬季供暖，替代传统燃煤或燃气供暖，进一步降低全厂能耗与碳排放。

2.其他能源回收技术协同

除水源热泵外，污水处理厂还可通过沼气回收利用、光伏供电等技术实现能源自给，为低温运行提供保障。例如，将污泥厌氧消化产生的沼气用于发电或供热，发电功率可满足厂内30%-50%的用电需求；厂内空地铺设光伏板，利用太阳能供电，可进一步降低电网用电依赖。某江苏污水处理厂通过“水源热泵+沼气发电+光伏供电”的综合能源系统，冬季运行能耗降低40%，能源自给率达65%，实现了低碳高效运行。

四、运行管理与协同调控：精细化运维保障技术效能

先进的技术需要精细化的管理才能发挥最大效能。面对低温挑战，污水处理厂的运行管理应从“粗放式”转向“精细化、主动化”，通过全流程协同调控，为低温生化系统创造稳定的运行环境。

（一）预处理强化与水质均衡

低温下生化系统抗冲击能力显著下降，因此需强化预处理环节，减少进水波动对系统的影响。一方面，加强格栅、沉砂池的运行管理，增加细格栅拦截精度（建议栅隙≤3mm），提升沉砂效率，减少悬浮物与砂粒进入生化系统，避免磨损微生物细胞膜或堵塞反应器；另一方面，充分利用调节池的调蓄功能，通过延长水力停留时间（建议≥8小时）平抑进水水质水量波动，同时可在调节池设置搅拌装置，避免低温导致的污染物沉降分层。

（二）营养与碱度精准平衡

低温下微生物对营养物质的利用率下降，需严格控制进水碳、氮、磷比例，建议维持BOD?:N:P在100:5:1左右。若进水碳源不足（如低碳氮比废水），可适量投加外碳源（甲醇、乙酸钠、葡萄糖等），其中乙酸钠因易被微生物利用，低温适应性更强，建议优先选用。同时，硝化过程会消耗大量碱度（每去除1mg/L氨氮约消耗7.14mg/L碱度），低温下硝化效率下降更易导致碱度积累不足，需定期监测pH与碱度，当碱度低于50mg/L（以CaCO?计）时，及时投加石灰、碳酸钠等药剂补充，维持pH在7.5-8.0的适宜范围，避免pH过低抑制硝化菌活性。

（三）智慧化预警与主动调控

建立全流程在线监测系统与智慧调控平台，是实现低温“主动运维”的核心支撑。通过在进水口、反应器各区域、出水口布设水温、DO、ORP、氨氮、总氮、COD等在线监测设备，实时采集运行数据；结合历史运行数据与机器学习模型，构建低温处理效果预测模型，可提前24-48小时预警处理效果波动风险。例如，当模型预测氨氮出水浓度可能超标时，系统可自动提示操作人员调整污泥回流比、增加曝气量或投加菌剂，变“超标后补救”为“波动前干预”。某北方智慧污水处理厂通过构建“低温效能预测-参数自动调控”系统，冬季氨氮超标率从15%降至0.5%，运行人员工作量减少60%，充分验证了智慧化调控的优势。

结论与展望

综上所述，提升低温污水处理效率已不再是单一技术的应用，而是涉及“微生物强化-工艺优化-能源回收-智慧管控”的多维度、系统性工程。污泥回流作为基础手段，需与其他技术协同配合才能实现稳定达标。未来，低温污水处理技术的发展方向将聚焦于三大核心：一是生物强化技术的精准化，通过基因测序、宏基因组分析等技术，实现耐低温功能菌群的定向筛选与信号分子的精准调控；二是低碳工艺的规模化，推动PDA、AnMBR等革命性技术在主流污水中的大规模应用，进一步降低能耗与碳排；三是智慧调控的智能化，结合物联网、大数据、AI等技术，构建全流程自适应调控系统，实现“无人值守、精准运维”。随着技术的不断创新与融合，污水处理厂将逐步摆脱对气候的被动依赖，从“污染处理设施”向“资源回收与能源生产中心”转型。通过系统性的技术集成与精细化管理，不仅能有效破解“低温魔咒”，保障出水稳定达标，更能推动污水处理行业向着绿色低碳、节能高效、资源循环的可持续发展方向坚实迈进，为实现“双碳”目标与生态环境高质量发展提供重要支撑。