The effect of dissolved oxygen concentration(DO) on oxygen diffusion and bacterial community structure in moving bed sequencing batch reactor(MBSBR)

溶解氧濃度對移動床序批式反應器中氧氣擴散和細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

來源：Water Research, Volume 108, 2017, Pages 86-94

《水研究》第108卷，2017年，第86-94頁

 

摘要

摘要闡述了通過微電極測量和實時PCR技術(shù)，研究溶解氧濃度對移動床序批式反應器中同步硝化反硝化的影響。系統(tǒng)使用聚氨酯泡沫載體處理市政污水，在五個DO濃度下運行。結(jié)果表明，當DO濃度為2.5 mg/L時，MBSBR表現(xiàn)出最佳的化學需氧量去除率92.43%和總無機氮去除率83.73%。增加氧濃度會抑制反硝化過程。微電極測量顯示，氧氣滲透厚度隨DO濃度增加而從1.2 mm增至2.6 mm，且DO為2.5 mg/L時氧氣擴散斜率最大。實時PCR分析表明，氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌數(shù)量隨DO增加緩慢增加，但占總細菌比例較低。DO濃度改變可影響生物膜中的好氧區(qū)和細菌群落結(jié)構(gòu)，從而直接影響同步硝化反硝化活性。

 

研究目的

研究旨在探討溶解氧濃度對移動床序批式反應器中同步硝化反硝化過程的影響，通過優(yōu)化DO條件以實現(xiàn)高效氮去除，并分析氧氣擴散和細菌群落結(jié)構(gòu)的變化機制，為MBSBR的優(yōu)化運行提供理論依據(jù)。

 

研究思路

研究通過建立實驗室規(guī)模的MBSBR系統(tǒng)，使用聚氨酯泡沫載體，在五個DO濃度下培養(yǎng)生物膜。采用微電極技術(shù)測量生物膜內(nèi)氧氣剖面，實時PCR分析細菌群落結(jié)構(gòu)，同時監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)如COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N和TIN的去除效率。通過對比不同DO條件下的數(shù)據(jù)，評估氧氣擴散、好氧區(qū)變化和微生物動態(tài)對同步硝化反硝化的影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 水質(zhì)參數(shù)去除效率：包括COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N和TIN的去除率，數(shù)據(jù)來自表4和圖3。研究意義在于直接反映MBSBR的處理性能，顯示DO濃度對同步硝化反硝化效率的調(diào)控作用，如DO為2.5 mg/L時TIN去除率最高，表明該條件下氮去除最優(yōu)。

 

 

2 氧氣剖面數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense電極測量生物膜內(nèi)DO濃度分布，包括氧氣滲透深度和好氧區(qū)比例，數(shù)據(jù)來自圖4、圖5和圖6。研究意義是揭示氧氣在生物膜中的傳遞特性，如滲透深度隨DO增加而增加，好氧區(qū)比例影響硝化和反硝化平衡，為理解同步硝化反硝化機制提供微觀證據(jù)。

 

 

 

3 細菌群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：通過實時PCR測量總細菌、氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的數(shù)量和比例，數(shù)據(jù)來自表5。研究意義是量化功能微生物的豐度變化，顯示DO濃度對硝化細菌生長的促進作用，如AOB和NOB比例在DO優(yōu)化時增加，關(guān)聯(lián)到氮去除效率的提升。

 

 

結(jié)論

1 MBSBR在DO濃度為2.5 mg/L時實現(xiàn)最佳同步硝化反硝化，TIN去除率達83.73%，表明該DO水平能平衡硝化和反硝化過程。

2 微電極測量顯示氧氣滲透深度和好氧區(qū)比例隨DO增加而增加，但DO過高會抑制反硝化，導致氮去除效率下降。

3 細菌群落分析表明，AOB和NOB數(shù)量隨DO緩慢增加，但比例較低，DO調(diào)控可優(yōu)化微生物結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)高效氮去除。

4 載體多孔結(jié)構(gòu)促進氧氣擴散，使MBSBR快速啟動并維持同步硝化反硝化活性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量氧氣剖面數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度和實時性，能直接量化生物膜內(nèi)的氧氣梯度變化。如圖4所示，電極數(shù)據(jù)揭示了氧氣滲透深度隨DO濃度增加而從1.2 mm增至2.6 mm，這證明了DO對氧氣傳遞的增強作用。同時，圖5顯示DO為2.5 mg/L時氧氣擴散斜率最大，表明該條件下氧氣傳遞阻力最小，有利于形成適宜的好氧/厭氧微環(huán)境，促進同步硝化反硝化。圖6的好氧區(qū)比例數(shù)據(jù)進一步關(guān)聯(lián)了氧氣可用性與微生物活性，如好氧區(qū)比例增加時硝化增強，但過高DO會壓縮厭氧區(qū)，抑制反硝化。這些測量為優(yōu)化MBSBR運行參數(shù)提供了關(guān)鍵依據(jù)，突顯了微電極技術(shù)在揭示生物膜內(nèi)部過程和改善污水處理效率中的價值。