Aerobic granular sludge formation and nutrients removal characteristics under low temperature

低溫條件下好氧顆粒污泥培養(yǎng)及其脫氮性能研究

來源：中國環(huán)境科學(xué) 2019,39(2)：634~640

 

論文總結(jié)

論文系統(tǒng)探究了在低溫（15°C）條件下好氧顆粒污泥（AGS）的形成過程、脫氮性能（特別是短程硝化），以及粒徑對微環(huán)境和功能的影響。以下是對論文的詳細(xì)總結(jié)。

摘要概括

摘要指出，在15°C低溫條件下，通過序批式反應(yīng)器（SBR）在60天內(nèi)成功培養(yǎng)出成熟的好氧顆粒污泥（AGS），其具有優(yōu)異的短程硝化功能，穩(wěn)定運(yùn)行階段亞硝酸鹽氮積累率（NAR）可達(dá)90%以上。掃描電鏡顯示AGS主要由短桿菌和球菌構(gòu)成。批次實(shí)驗(yàn)表明，粒徑增大會影響基質(zhì)傳質(zhì)，為氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）和反硝化菌提供適宜微環(huán)境，促進(jìn)短程硝化。使用微電極測定發(fā)現(xiàn)，在15°C、溶解氧（DO）為6–7 mg/L時，AGS內(nèi)部氧氣傳質(zhì)深度為600–700 μm。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

探究在低溫（15°C）條件下好氧顆粒污泥（AGS）的形成可行性和啟動特性，包括應(yīng)對絲狀菌增殖等挑戰(zhàn)。

評估低溫AGS系統(tǒng)的脫氮性能，重點(diǎn)關(guān)注短程硝化（亞硝酸鹽積累）的效率和穩(wěn)定性。

分析不同粒徑AGS（R1: 1.0–2.0 mm; R2: 2.0–3.0 mm; R3: >3.0 mm）對污染物去除（如COD、氮素）的影響機(jī)制，特別是粒徑如何通過改變內(nèi)部微環(huán)境（如氧氣傳質(zhì)）調(diào)控微生物活動。

使用微電極技術(shù)原位測量AGS內(nèi)部的化學(xué)梯度（如DO、NH4+-N、NO3--N），揭示微觀傳質(zhì)過程與脫氮性能的關(guān)聯(lián)。

 

為低溫地區(qū)污水處理廠應(yīng)用AGS技術(shù)提供理論依據(jù)和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化建議。

 

研究思路

研究采用“反應(yīng)器培養(yǎng)-批次實(shí)驗(yàn)-微觀測量”的多層次策略：

 

反應(yīng)器培養(yǎng)階段：在SBR反應(yīng)器（有效容積8 L）中接種活性污泥，控制水溫15°C，通過調(diào)整運(yùn)行周期（進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水）和DO濃度（階段1-3），歷時140天培養(yǎng)AGS，并監(jiān)測污泥特性（MLSS、SVI）和脫氮效率。

批次實(shí)驗(yàn)階段：在穩(wěn)定運(yùn)行期（第138天），篩選不同粒徑AGS（R1、R2、R3），在密閉集氣瓶中進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，測量COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N的隨時間變化，評估脫氮特性。

微觀測量階段：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（包括OX-10氧微電極和Z軸推進(jìn)器），原位測量不同粒徑AGS內(nèi)部的DO、NH4+-N、NO3--N濃度微剖面，計(jì)算氧氣傳質(zhì)深度。

微生物與結(jié)構(gòu)分析：結(jié)合掃描電鏡（SEM）觀察AGS形態(tài)，濕篩分法測定粒徑分布，分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將宏觀性能數(shù)據(jù)與微觀傳質(zhì)數(shù)據(jù)、微生物分布關(guān)聯(lián)，闡釋粒徑影響脫氮的機(jī)制。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

污泥特性變化數(shù)據(jù)（來源：表1，圖2）

 

 

數(shù)據(jù)：培養(yǎng)過程中MLSS從4630 mg/L（初始）波動至4356 mg/L（第60天），SVI從68改善至36，顆粒平均粒徑從1.3 mm增至3.2 mm。掃描電鏡（圖2d）顯示AGS結(jié)構(gòu)緊密，以短桿菌和球菌為主。

 

研究意義：這些數(shù)據(jù)證實(shí)低溫下AGS可成功培養(yǎng)，且沉降性能優(yōu)異（SVI低），為后續(xù)脫氮研究提供基礎(chǔ)。粒徑增大伴隨MLVSS/MLSS比率先升后降，反映無機(jī)質(zhì)積累，提示粒徑調(diào)控需平衡生物活性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

 

脫氮性能數(shù)據(jù)（來源：圖3）

 

數(shù)據(jù)：穩(wěn)定運(yùn)行階段（第57-99天），NH4+-N去除率近100%，NO3--N濃度維持在5 mg/L左右，NAR持續(xù)高于90%。提高DO至8 mg/L時短程硝化被破壞（NAR降至2.07%），恢復(fù)DO至5 mg/L后NAR回升至90.07%。

 

研究意義：直接證明低溫AGS系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定短程硝化，且DO是關(guān)鍵控制參數(shù)。NAR高值表明AOB活性占優(yōu)，NOB受抑制，為低溫脫氮優(yōu)化提供方向。

 

粒徑對COD去除的影響數(shù)據(jù)（來源：圖4）

 

數(shù)據(jù)：所有粒徑AGS對COD去除率均>80%，但R1（小粒徑）前期去除速率更快，R2和R3速率相近且較低。

 

研究意義：表明小粒徑AGS因比表面積大、傳質(zhì)阻力小，具有更快底物利用速率，但整體去除效率無顯著差異，提示粒徑選擇需權(quán)衡處理速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

粒徑對短程硝化影響數(shù)據(jù)（來源：圖5）

 

數(shù)據(jù)：R1的NAR較低（NO3--N生成多），R2和R3的NAR均達(dá)90%左右，且?guī)缀鯚oNO3--N產(chǎn)生。大粒徑AGS（R3）的NH4+-N去除率略低于小粒徑。

 

研究意義：揭示粒徑增大通過增強(qiáng)內(nèi)部氧傳質(zhì)限制，創(chuàng)造缺氧微環(huán)境，抑制NOB活性，從而促進(jìn)短程硝化。但過大粒徑可能降低NH4+-N去除效率，提示存在最優(yōu)粒徑范圍（如2.0–3.0 mm）。

 

氧氣傳質(zhì)微剖面數(shù)據(jù)（來源：圖6，使用丹麥Unisense微電極測量）

 

數(shù)據(jù)：在主體DO為6–7 mg/L時，R1中心DO為1.32 mg/L，R2和R3中心DO降至0 mg/L。氧氣傳質(zhì)深度為600–700 μm。

 

研究意義：首次定量揭示低溫下AGS內(nèi)部氧梯度：大粒徑AGS中心形成嚴(yán)格缺氧區(qū)，為反硝化菌提供棲息地，而小粒徑內(nèi)部DO較高，利于NOB生存。這直接解釋了為何R2/R3能實(shí)現(xiàn)高NAR。

 

粒徑分布數(shù)據(jù)（來源：正文描述，未附圖）

 

數(shù)據(jù)：反應(yīng)器中粒徑>2.0 mm的AGS占比87.8%（R2: 62.47%, R3: 25.33%），粒徑<2.0 mm占12.2%。

 

研究意義：說明系統(tǒng)以中大粒徑為主，是短程硝化性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性原因，強(qiáng)調(diào)粒徑分布對整體功能的重要性。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

低溫（15°C）下可成功培養(yǎng)AGS，但需應(yīng)對絲狀菌增殖（通過縮短沉降時間控制），成熟AGS具有良好沉降性（SVI=36）和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

AGS系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高效短程硝化，NAR穩(wěn)定>90%，NH4+-N去除率近100%。DO是關(guān)鍵調(diào)控因子，過高DO（8 mg/L）破壞短程硝化，恢復(fù)適宜DO（5 mg/L）后可重建。

粒徑顯著影響脫氮性能：小粒徑（R1）COD去除快但短程硝化差（NAR低）；中大粒徑（R2、R3）短程硝化優(yōu)（NAR>90%），但NH4+-N去除率略降。粒徑增大會增強(qiáng)傳質(zhì)限制，形成內(nèi)部缺氧微環(huán)境，抑制NOB、促進(jìn)反硝化。

微環(huán)境測量證實(shí)氧傳質(zhì)深度為600–700 μm，為大粒徑AGS的缺氧區(qū)提供直接證據(jù)。工程實(shí)踐中，建議將AGS粒徑控制在2.0 mm左右，以平衡短程硝化效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

總體，低溫AGS技術(shù)是一種可行、高效的低碳脫氮方案，但需優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)（如DO、粒徑）以維持微環(huán)境穩(wěn)定。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極測量的氧氣傳質(zhì)微剖面數(shù)據(jù)（圖6）是揭示AGS內(nèi)部微環(huán)境機(jī)制的關(guān)鍵證據(jù)，其研究意義主要體現(xiàn)在以下方面：

 

提供了原位、高分辨率的微環(huán)境定量證據(jù)：傳統(tǒng)方法只能測量整體反應(yīng)器參數(shù)，無法解析絮體內(nèi)部化學(xué)梯度。Unisense微電極的尖端極小（10 μm），可精確穿刺AGS并實(shí)時測量從表面到中心的DO濃度梯度，避免了取樣破壞。數(shù)據(jù)直接顯示R2和R3中心DO=0 mg/L，而R1中心DO=1.32 mg/L，這首次在低溫下直觀證實(shí)大粒徑AGS內(nèi)部存在缺氧區(qū)，為短程硝化提供了微環(huán)境基礎(chǔ)。

揭示了粒徑調(diào)控脫氮性能的核心機(jī)制：測量數(shù)據(jù)將粒徑與氧傳質(zhì)深度直接關(guān)聯(lián)：粒徑越大，氧傳質(zhì)阻力越大，中心越易缺氧。這與脫氮性能數(shù)據(jù)（圖5）完美吻合——R2/R3的缺氧區(qū)抑制NOB（氧飽和系數(shù)1.1 mg/L），使AOB（氧飽和系數(shù)0.3 mg/L）占優(yōu)，導(dǎo)致高NAR；而R1內(nèi)部DO較高，無法有效抑制NOB。這從物理傳質(zhì)角度解釋了為何粒徑增大促進(jìn)短程硝化。

為工程優(yōu)化提供關(guān)鍵參數(shù)：測得的氧傳質(zhì)深度（600–700 μm） 是量化AGS內(nèi)部微環(huán)境的重要指標(biāo)。結(jié)合粒徑數(shù)據(jù)，可推導(dǎo)出：當(dāng)AGS粒徑>1.2 mm（2×傳質(zhì)深度）時，中心可能缺氧；粒徑達(dá)2.0 mm時，缺氧區(qū)比例顯著增加，短程硝化效果增強(qiáng)。這為實(shí)際工程中調(diào)控粒徑范圍（如2.0–3.0 mm）以優(yōu)化脫氮提供了科學(xué)依據(jù)。

闡明了溫度與結(jié)構(gòu)的交互影響：數(shù)據(jù)表明低溫（15°C）下傳質(zhì)深度較大（對比文獻(xiàn)中常溫下約100 μm），原因可能是低溫降低微生物耗氧速率，且AGS結(jié)構(gòu)較疏松（圖2d顯示多孔），延長氧擴(kuò)散路徑。這提示低溫環(huán)境需特別關(guān)注粒徑設(shè)計(jì)，以避免過度缺氧導(dǎo)致反硝化碳源不足或N2O積累風(fēng)險。

 

技術(shù)支持機(jī)制驗(yàn)證：Unisense系統(tǒng)的高精度（法拉第籠防干擾）和實(shí)時性，確保了數(shù)據(jù)可靠性。通過微剖面計(jì)算的傳質(zhì)速率，可用于模型模擬預(yù)測AGS行為，推動從“宏觀現(xiàn)象”到“微觀機(jī)制”的研究深化。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是測量工具，更是連接“結(jié)構(gòu)-功能”的橋梁，它通過定量揭示AGS內(nèi)部氧梯度，令人信服地闡釋了粒徑影響短程硝化的微觀機(jī)制，為低溫AGS技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。