Characteristics of pellets with immobilized activated sludge and its performance in increasing nitrification in sequencing batch reactors at low temperatures

低溫下固定化活性污泥球團的特性及其在序批式反應器中增加硝化作用的性能

來源：JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES 42 (2016) 202 – 209

 

一、論文摘要

本研究成功開發并評估了一種利用水性聚氨酯固定化活性污泥制成的顆粒，用于增強序批式反應器在低溫（7-11°C）下的硝化效率。研究人員對固定化顆粒的物理化學特性進行了全面表征，包括使用掃描電子顯微鏡觀察形態、高通量測序分析微生物群落、以及使用微電極測量氧氣消耗速率和分布剖面。研究發現，經過馴化后，顆粒表面形成了由大量桿狀細菌組成的生物膜，其中羅氏菌屬是優勢菌種（占23.44%）。顆粒的氧氣消耗速率高達240.83 mg O?/(L·h)，且氧氣主要被顆粒表面0-600微米深處的細菌消耗。將這種固定化顆粒（投加量為30 mL/L）添加到SBR中，在低溫條件下能顯著提高硝化效率，使銨氮平均去除率達到84.09%，遠高于未投加顆粒的對照組（67.46%）。這表明固定化顆粒技術是解決污水處理廠冬季低溫硝化難題的有效策略。

二、研究目的

本研究旨在解決污水處理中的一個實際難題：在低溫（<15°C）條件下，硝化菌活性急劇下降，導致氨氮去除效率不佳。研究的具體目的包括：

 

制備與馴化高效固定化顆粒：利用水性聚氨酯包埋活性污泥，形成固定化顆粒，并在氨氮廢水中進行馴化，以富集和激活硝化菌。

深入表征顆粒特性：全面了解馴化后顆粒的微觀結構、微生物群落組成和代謝活性（特別是耗氧特性），從機理上解釋其潛在的高效性。

 

驗證其實際應用效果：在實驗室規模的SBR中，評估投加固定化顆粒對低溫下處理人工廢水氨氮的實際強化效果。

 

三、研究思路

研究遵循了 “材料制備 -> 特性表征 -> 效能驗證”的經典應用研究思路：

 

顆粒制備與馴化：將活性污泥包埋于水性聚氨酯中，制成3mm見方的彈性凝膠顆粒。隨后在上流式內循環曝氣反應器中，用含氨氮的人工廢水對顆粒進行馴化，直至其表現出穩定的氨氮去除能力。

多維度物化特性表征：

 

結構觀察：使用掃描電子顯微鏡觀察馴化前后顆粒表面和截面的微生物附著和生物膜形成情況。

群落分析：采用高通量測序技術分析馴化前后顆粒內部微生物群落在門、綱、屬水平上的組成和變化。

活性測量：使用丹麥Unisense微呼吸系統測量顆粒的氧氣消耗速率，量化其整體代謝活性。

 

微環境探測：使用丹麥Unisense氧微電極繪制顆粒內部氧濃度的空間分布剖面，揭示氧氣消耗的具體位置和深度。

 

SBR反應器效能驗證：設置兩個SBR反應器（實驗組SBR-1和對照組SBR-2），在低溫（7-11°C）下運行。待系統穩定后，向實驗組SBR-1中投加馴化好的固定化顆粒，對照組不投加。持續監測并對比兩個反應器的出水氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和總氮濃度，以及活性污泥的常規參數（如MLSS, SOUR等），以評估顆粒的強化效果。

 

四、測量數據、研究意義及來源

研究者測量了多個層面的數據，其意義和來源如下：

 

顆粒微觀結構：通過掃描電子顯微鏡觀察馴化前后固定化顆粒的表面和截面形態。

 

研究意義：直觀展示了固定化顆粒上生物膜的形成狀況。結果顯示，馴化后的顆粒表面被大量桿狀細菌緊密覆蓋，形成一層約80-120微米厚的生物膜，而顆粒內部細菌稀少。這從結構上解釋了顆粒的高效性：生物膜為硝化菌提供了穩定的附著場所，并且主要分布在表層有利于氧氣和底物的傳輸。

 

數據來源：馴化前后顆粒的SEM照片對比展示在 文檔圖1中。

 

微生物群落組成：通過高通量測序分析馴化前后顆粒中細菌的種群結構。

 

研究意義：揭示了馴化過程如何優化顆粒的微生物功能。測序結果表明，馴化后，與硝化過程相關的菌種（如硝化螺旋菌門Nitrospira）豐度增加，特別是γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）成為優勢類群。在屬水平上，羅氏菌屬（Rudaea spp.）占據了23.44%的比例，雖然其硝化功能未知，但它的優勢存在表明它可能在低溫硝化中扮演重要角色。這為顆粒的高效硝化性能提供了生物學解釋。

 

數據來源：微生物群落在門綱水平的百分比組成總結在 文檔表1中。

 

顆粒氧氣消耗速率：使用微呼吸系統測量單位體積顆粒在單位時間內的耗氧量。

 

研究意義：直接量化了固定化顆粒的整體代謝活性。測量得到的高OUR值（240.83 mg O?/(L·h)）表明馴化后的顆粒具有極高的微生物活性，這是其能夠高效進行硝化作用（一個好氧過程）的生理基礎。

 

數據來源：OUR隨馴化時間的變化曲線及其與氨氮去除率的正相關關系展示在 文檔圖5中。

 

顆粒內部氧氣分布剖面：使用氧微電極從顆粒表面向內部測量溶解氧濃度的變化。

 

研究意義：揭示了氧氣在顆粒內部的傳輸限制和消耗熱點。剖面圖顯示，氧氣在穿透顆粒約600微米后濃度即降為零。馴化顆粒表面的氧濃度梯度是未馴化顆粒的17倍，證明氧氣主要被顆粒最表層的微生物消耗。這與SEM觀察到的表層生物膜分布高度吻合，證實了顆粒的活性區域集中在表層。

 

數據來源：氧微電極測得的顆粒內部氧濃度隨深度變化的剖面圖展示在 文檔圖4中。

 

SBR反應器性能：監測投加顆粒前后，SBR反應器出水的氨氮濃度及去除率。

 

研究意義：驗證了固定化顆粒在實際污水處理場景中的強化效果。數據顯示，投加顆粒的實驗組（SBR-1）出水氨氮平均濃度降至5.67 mg/L，達到了中國城鎮污水處理廠的排放標準（<8 mg/L），而對照組（SBR-2）出水氨氮高達11.59 mg/L，未達標。實驗組的平均氨氮去除率（84.09%）顯著高于對照組（67.46%），直接證明了固定化顆粒在低溫下強化硝化的卓越效能。

 

數據來源：兩個SBR反應器出水氨氮濃度隨運行時間的變化對比展示在 文檔圖6中。

 

五、研究結論

 

成功開發出高效的低溫硝化強化材料：研究證實，通過水性聚氨酯固定化活性污泥并經過馴化，可以獲得微生物活性極高、表面形成致密生物膜的固定化顆粒。這種顆粒是強化低溫硝化的理想材料。

從機理上闡明了顆粒的高效性：顆粒的高效性源于其獨特的結構和生物特性：① 表層生物膜為硝化菌提供了保護性和富集性的微環境；② 高耗氧速率表明其內部微生物群落代謝旺盛；③ 氧氣消耗集中于表層的模式避免了內部傳質限制，保證了核心反應區域（表層）的氧氣供應。

驗證了其實際應用的顯著效果：在SBR中的實驗證明，投加少量（30 mL/L）固定化顆粒即可顯著提升低溫條件下的氨氮去除效率，使出水水質從超標變為穩定達標。這是一種具有實際應用潛力的低溫污水處理強化技術。

 

發現了潛在的關鍵功能菌屬：研究指出羅氏菌屬（Rudaea spp.）在馴化顆粒中占絕對優勢，提示它可能在低溫硝化中起重要作用，為后續分離和利用特定功能菌提供了線索。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳解

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統被用于完成兩項關鍵測量：① 使用微呼吸測量系統測定固定化顆粒的氧氣消耗速率（OUR）；② 使用克拉克型氧微電極繪制顆粒內部的氧氣濃度剖面。

其研究意義至關重要，是連接“宏觀現象”與“微觀機制”的橋梁，主要體現在以下幾個方面：

 

提供了微生物代謝活性的直接、定量證據：Unisense微呼吸系統能夠高精度地實時監測密閉小室內溶解氧的下降速率，從而直接計算出固定化顆粒的氧氣消耗速率（OUR）。測得的高OUR值（240.83 mg O?/(L·h)）是證明固定化顆粒內微生物處于高代謝狀態的“鐵證”。沒有這個精確的生理活性數據，對顆粒效能的判斷將停留在表觀的氨氮去除率上，缺乏對其內在動力（耗氧呼吸）的深刻理解。此外，OUR與氨氮去除率的高度正相關（R2=0.976）強有力地證明了耗氧主要來自于硝化過程，將物理測量（耗氧）與生化過程（硝化）直接關聯起來。

揭示了限制性因素與活性位點，闡明了作用機制：克拉克型氧微電極憑借其極高的空間分辨率（微米級）和快速響應能力，能夠像“內窺鏡”一樣，無損地探測顆粒內部的氧氣微環境。測量獲得的氧氣濃度剖面圖清晰地顯示，氧氣在穿透顆粒表層約600微米后即被消耗殆盡。這一發現具有決定性意義：

 

證明了活性分層：表明微生物活性和硝化作用主要集中分布在顆粒的表層，而內部由于缺氧幾乎不發揮作用。

揭示了傳質限制：表明顆粒的尺寸設計需考慮氧氣穿透深度，過大的顆粒會造成內部體積的浪費。

 

與結構觀察相互印證：氧氣剖面與SEM觀察到的表層生物膜分布完美吻合，構成了一個完整的證據鏈，從“結構”和“功能”兩個方面共同闡明了顆粒的作用機制是基于表層生物膜的高效好氧代謝。

 

為工藝優化提供了關鍵參數：微電極提供的氧氣穿透深度（~600μm）和表層氧濃度梯度等數據，是優化固定化顆粒尺寸和孔隙率的關鍵理論依據。例如，理想顆粒的尺寸應使其大部分體積位于氧氣可及范圍內，以避免無效載體。這些微觀層次的測量數據直接指導了宏觀層面的工藝設計和優化。

 

展示了技術優勢：與傳統的測量整個混合液耗氧率的方法相比，Unisense技術能夠專門針對“固定化顆粒”這一新增組分進行活性測量和微環境分析，從而可以清晰地將顆粒的貢獻與系統中原有懸浮活性污泥的貢獻分離開來，這對于準確評估生物強化技術的效果至關重要。

 

總結：丹麥Unisense微電極系統在本研究中扮演了 “微觀世界的探測眼”和“代謝活動的計數器”的雙重角色。它提供的高時間分辨率的耗氧率數據和高空間分辨率的氧氣分布數據，是將固定化顆粒從一種“黑箱”材料轉變為“機制清晰”的高效生化反應器的關鍵技術支撐。沒有Unisense的精確測量，我們對顆粒高效性的理解將停留在推測層面，而有了這些數據，我們能夠確鑿地知道活性在哪里、有多強、以及為什么集中在那里。這凸顯了在環境微生物學和工程技術研究中，采用高精尖的傳感技術揭示微觀機制對于理解和優化宏觀工藝的極端重要性。