氣溫降低常常會使污水廠面臨嚴峻挑戰，尤其是對活性污泥生長、脫氮除磷效果有較大影響。在一定溫度范圍內，來水溫度每降低10℃，微生物活性隨之下降一倍，當水溫低于4℃時，微生物幾乎停止生命活動，污水處理效果下降甚至消失。因此，為了平衡低溫帶來的不利影響，需要在水溫尚未發生較大變化的時候提前控制好運行參數，以適應環境變化的需要。
硝化細菌的可生存環境溫度在4-45℃之間，亞硝化菌的適宜溫度為35℃，硝酸菌的適宜溫度是35-42℃。在適宜溫度以下隨著溫度降低硝化細菌的活性也隨之下降，當溫度下降10℃，硝化細菌適宜比增殖速率和活性至少降低一半，12℃時反映速率下降50%，在5℃時停止硝化作用。反硝化的適宜溫度在15-20℃之間，低于此溫度時反硝化菌的代謝能力降低到較低水平，反硝化反應收到明顯抑制，當溫度低于5℃時反硝化作用幾乎停止。聚磷菌為耐冷菌，通常正常運行時溫度降低對其影響應該不大，但在實際運行過程中效果會確有明顯下降。在低溫環境下對生物除磷的影響主要有3個方面：溫度降低影響微生物的新陳代謝和生理活性，微生物增殖速度下降，從而影響聚磷菌的釋磷和吸磷的效果，導致系統的除磷功能下降 。低溫情況下，聚糖菌成為了生化系統中的優勢菌群，聚磷菌的優勢地位遭到破壞。對于活性污泥和生物膜耦合的新型脫氮除磷工藝，在低溫條件下，總磷的去除率受有機負荷的影響比正常溫度更明顯。當氣溫較低時，污水中正常的活性菌群生長受到抑制，繁殖緩慢。而其中適合低溫生長的微絲菌屬微生物在適宜溫度下卻會大量繁殖生長。這些菌屬會在生長過程中互相勾連、聚合成團，從而形成較大的顆粒，產生大量的剩余污泥，如不及時排除，就會引起污水處理廠的污泥膨脹。
氣溫降低后，活性污泥中微生物菌群的活性降低，其細胞表面胞外聚合物的分泌量減少，微生物之間的相互作用降低，難以結合形成團狀聚合物。這會導致活性污泥顆粒細碎，不易形成大顆粒絮狀物，從而使得污泥顆粒的沉降性能下降，降低了泥水分離的效果，導致出水中常有細小懸浮顆粒出現，影響了出水效果。
低溫會嚴重影響微生物的代謝，導致污泥活性下降。主要體現在以下3個方面：
在低溫情況下活性污泥中的微生物表面蛋白質的活性降低，其表面的原生質膜流動性下降，從而不利于微生物進行營養物質的運輸。
較低的溫度也抑制了微生物體內酶的活性，阻礙了微生物對營養物質的利用，使微生物不能正常進行營養吸收，從而抑制了微生物的生長，使活性污泥中微生物菌群數量下降，活性大為降低。
脫氮除磷過程中硝化菌、聚磷菌等微生物的活性也會受到溫度的影響，生長速率降低，導致污泥齡增長，從而出現這些活性微生物流失的現象。
低溫通常會使有機物在水中的溶解度下降，然而不同有機物在水中的溶解度不同，其溶解度受到溫度變化而變化的趨勢也不盡相同。較低的水溫使得活性污泥中各種微生物生長所需的養料溶解度發生變化可能會使不同營養組分之間的比例發生變化，可能偏離了微生物生長所需的適宜比例，不利于微生物的代謝過程；較低的水溫整體降低了水中微生物生長所需的營養來源的含量，相比水溫較高的情況下，可能需要投加更多的營養物質才能保證活性污泥中微生物的正常生長，增加了污水處理廠的運營成本；大量本應作為能量來源的有機物不能溶解于水中被微生物利用，也可能會導致產生大量污泥，影響活性污泥的濃度。一般來說，微生物會在生長代謝的過程中逐漸適應周圍環境的溫度，但這一適應過程通常需要耗費較長的時間。目前多數城市季節過渡不明顯，秋冬來臨常常伴隨環境溫度都突然降低。這種情況下，微生物很難在短期內輕易適應，需要人為來補充更適應環境的微生物。因此，污水廠應總結往年氣溫變化規律，據此提前做好相應預案，在秋季氣溫剛開始下降時，緩慢的進行活性污泥的置換，穩步提高微生物對低溫天氣的適應性。值得一提的是，該操作在秋末冬初完成置換，逐漸提升污泥濃度，直至達到冬季運行工況下的活性污泥濃度，以保證生化處理工藝的穩定運行。活性污泥中微生物的活性受環境溫度影響極大，低溫時微生物的正常生長會受到極大抑制。為了保持低溫條件下微生物的生長增殖、新陳代謝，需要污水處理廠密切關注污水中各營養組分的含量，并根據實際情況適當調整有機組分的比例。比如，污水處理廠可通過補充碳源或者調整碳源、氮源等營養組分比例。這樣做可以為微生物的生長提供充足的養分和合適的營養，以保障微生物的正常生長，從而使活性污泥在秋冬季低溫條件下，依然保持足夠的活力，維持污水處理廠的有效運行。
有經驗的運維人員肯定知道，秋冬季節活性污泥中的微生物活性較低，因此大多會選擇提高污泥濃度來保持活性。但這種做法常常伴有一些風險。穩定運行的活性污泥內蘊含有大量微生物，如果短時間內通過不脫泥或者少脫泥來實現污泥濃度的提升，會使微生物生長時間過長，從而會引起污泥過度老化，最終導致產生生物泡沫或者污泥膨脹。因此，無論是任何工況調整，都必須保證剩余污泥的穩定排放。污水處理廠應該在保證污泥穩定排放的前提下，采用一些較為緩和的措施來控制污泥泥齡，這需要一個較長時間的工藝調整過程。
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