Alternating aeration strategy to reduce aeration energy demand for aerobic granular sludge and analysis of microbial community dynamics

減少好氧顆粒污泥曝氣能量需求的交替曝氣策略以及微生物群落動(dòng)態(tài)分析

來源：Environ. Sci.: Water Res.Technol., 2022, 8, 1111

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究提出一種創(chuàng)新的交替曝氣策略，通過對(duì)比傳統(tǒng)連續(xù)曝氣（R1）與交替曝氣（R2）在好氧顆粒污泥（AGS）反應(yīng)器中的效果，證明交替曝氣可加速污泥顆粒化（提前8天）、降低能耗33%，同時(shí)維持高效脫氮能力（TN去除率71.32%）。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：

顆粒化加速：R2在20天出現(xiàn)顆粒雛形（圖2e），38天形成成熟AGS（粒徑1.5-2.0 mm），結(jié)構(gòu)致密（圖2f）；

 

脫氮提升：交替曝氣創(chuàng)造缺氧環(huán)境，促進(jìn)同步硝化反硝化（SND），TN去除率較R1提高9.67%（圖4c）；

 

 

微生物調(diào)控：交替曝氣富集功能菌屬（Zoogloea和Thauera），分泌EPS促進(jìn)顆粒穩(wěn)定性（圖7c）；

 

 

節(jié)能效益：曝氣時(shí)間減少33%，DO動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示停曝期DO驟降（1.24 mg/L），驅(qū)動(dòng)反硝化（圖5c）。

 

 

研究目的

 

降低能耗：解決傳統(tǒng)AGS技術(shù)因連續(xù)曝氣導(dǎo)致的高能耗問題（占污水處理廠總能耗50-70%）；

強(qiáng)化脫氮：通過曝氣調(diào)控優(yōu)化缺氧/好氧環(huán)境，提升TN去除效率；

解析微生物機(jī)制：揭示交替曝氣對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的影響。

 

研究思路

 

采用平行反應(yīng)器對(duì)照實(shí)驗(yàn)：

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：

R1：連續(xù)曝氣（210 min/周期，DO=4-5 mg/L）；

R2：交替曝氣（50 min曝氣 + 40 min停曝，循環(huán)3次，DO波動(dòng)1.24-5.2 mg/L）（圖1）；

 

 

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：

 

污泥特性：粒徑分布（圖2g）、沉降性（SVI，圖3）、EPS分泌；

 

水質(zhì)參數(shù)：COD、NH??-N、TN、PO?3?-P（圖4）；

微生物群落：高通量測(cè)序（門/屬水平，圖6-7）；

 

 

DO動(dòng)態(tài)：Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖5c）；

操作變量：逐步縮短沉降時(shí)間（20→3 min），強(qiáng)化顆粒選擇壓力。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 污泥特性與沉降性（圖2-3）

數(shù)據(jù)來源：

粒徑分布：R2顆粒（1.5-2.0 mm占比63.71%）較R1（53.86%）更均勻（圖2g）；

沉降性：R2的SVI降至38.8 mL/g（R1為41.83 mL/g），污泥濃度（MLSS）達(dá)4.72 g/L（圖3）；

研究意義：證實(shí)交替曝氣通過"饑飽交替"刺激EPS分泌，加速顆粒化并提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

 

2. 水質(zhì)去除性能（圖4）

數(shù)據(jù)來源：

COD去除：R2達(dá)93.72%（R1為91.71%），停曝期促進(jìn)厭氧代謝（圖4a）；

TN去除：R2達(dá)71.32%（R1為61.65%），停曝期DO<1.5 mg/L驅(qū)動(dòng)反硝化（圖4c）；

PO?3?-P去除：R2達(dá)82.21%（R1為80.16%），富集PAOs（圖4d）；

研究意義：交替曝氣優(yōu)化了碳源利用（反硝化耗碳減少），提升脫氮除磷協(xié)同性。

 

3. DO動(dòng)態(tài)與微生物活動(dòng)（圖5c）

數(shù)據(jù)來源：

DO曲線：停曝40 min內(nèi)DO從5.2 mg/L降至1.24 mg/L，創(chuàng)造瞬時(shí)缺氧環(huán)境（圖5c）；

脫氮關(guān)聯(lián)：DO低谷期（<1.5 mg/L）對(duì)應(yīng)NO??-N濃度下降（圖5b）；

研究意義：Unisense電極捕捉到DO瞬態(tài)變化，揭示"曝氣-停曝"循環(huán)如何通過DO梯度調(diào)控SND。

 

4. 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖6-7）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

優(yōu)勢(shì)菌門：Proteobacteria（74.1%）、Bacteroidetes（7.98%）主導(dǎo)（圖7a）；

功能菌屬：R2富集Zoogloea（19.46%，分泌EPS）和Thauera（3.9%，反硝化）（圖7c）；

研究意義：交替曝氣塑造功能菌群，Zoogloea促顆粒化，Thauera強(qiáng)化脫氮。

 

結(jié)論

節(jié)能與效能平衡：交替曝氣減少曝氣時(shí)間33%，TN去除率提升至71.32%，破解AGS高能耗瓶頸；

顆粒化機(jī)制：停曝期創(chuàng)造缺氧環(huán)境，刺激EPS分泌（Zoogloea）和反硝化（Thauera），加速顆粒成熟；

工程應(yīng)用：該策略適用于主流污水處理，可降低運(yùn)營(yíng)成本20-30%（據(jù)能耗計(jì)算）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理

Unisense DO微電極（OX-10型）以高時(shí)空分辨率（秒級(jí)響應(yīng)）監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)DO梯度：

動(dòng)態(tài)捕捉：實(shí)時(shí)記錄曝氣/停曝轉(zhuǎn)換中DO驟降過程（5.2 → 1.24 mg/L in 40 min，圖5c）；

空間關(guān)聯(lián)：DO低谷與NO??-N下降同步，證實(shí)缺氧期觸發(fā)反硝化。

 

科學(xué)價(jià)值

 

揭示SND機(jī)制：DO<1.5 mg/L時(shí)，顆粒內(nèi)部形成"好氧外殼/缺氧核心"，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化；

優(yōu)化曝氣控制：明確停曝時(shí)長(zhǎng)閾值（≥40 min）以保證充分反硝化，避免NO??累積；

微生物-環(huán)境耦合：DO瞬態(tài)變化驅(qū)動(dòng)Thauera富集，建立功能菌群與操作參數(shù)的定量關(guān)聯(lián)。

 

工程意義

 

工藝調(diào)控：基于DO動(dòng)態(tài)設(shè)定曝氣周期（如50 min開/40 min關(guān)），避免過度曝氣；

N?O減排：減少停曝末期DO過低（<0.5 mg/L）導(dǎo)致的N?O釋放風(fēng)險(xiǎn)；

放大設(shè)計(jì)：為全尺寸AGS廠提供DO控制參數(shù)（停曝期DO維持在1.0-1.5 mg/L）。

 

總結(jié)：Unisense電極通過高分辨率DO監(jiān)測(cè)，揭示了交替曝氣中"瞬時(shí)缺氧"驅(qū)動(dòng)脫氮的機(jī)制，為節(jié)能型AGS工藝提供了理論依據(jù)和調(diào)控基準(zhǔn)。