In situ excess sludge reduction in SBBR through uncoupling of metabolism induced by novel aeration modes

通過(guò)新型曝氣模式誘導(dǎo)代謝解偶聯(lián)在SBBR中實(shí)現(xiàn)原位剩余污泥減量

來(lái)源：RSC Advances, 2017, Volume 7, Pages 29058-29064

《RSC進(jìn)展》，2017年，第7卷，29058-29064頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了研究通過(guò)新型曝氣模式（三角波曝氣、方波曝氣、鋸齒波曝氣和連續(xù)曝氣）在序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）中實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程中的原位污泥減量。方波曝氣的SBBR顯示出最低的觀測(cè)污泥產(chǎn)率（Yobs），比連續(xù)曝氣低304%。ATP抑制現(xiàn)象和方波曝氣SBBR中微型動(dòng)物密度較低證實(shí)了代謝解偶聯(lián)是導(dǎo)致Yobs降低的主要原因，而非微型動(dòng)物捕食。四種SBBR的化學(xué)需氧量（COD）去除效率無(wú)顯著差異，但方波曝氣SBBR的總氮（TN）去除效率最高，約為69%。基于主體水與生物膜內(nèi)氧化還原電位（ORP）的相互關(guān)系，論證了使用ORP作為原位污泥減量指示的可行性。

 

研究目的

研究的主要目的是通過(guò)應(yīng)用新型曝氣模式，誘導(dǎo)微生物代謝解偶聯(lián)，從而在SBBR系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程中的原位污泥減量，同時(shí)評(píng)估這些模式對(duì)污水處理效率的影響，并探討ORP作為減量指示參數(shù)的可行性。

 

研究思路

研究思路包括在四個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的SBBR中并行實(shí)驗(yàn)，分別采用三角波曝氣、方波曝氣、鋸齒波曝氣和連續(xù)曝氣模式。所有反應(yīng)器在相同條件下運(yùn)行（溫度25±2°C，有機(jī)負(fù)荷1.0 kg COD/(m3填料·d)），通過(guò)時(shí)間控制器和函數(shù)發(fā)生器控制空氣/N2供應(yīng)以實(shí)現(xiàn)不同曝氣模式。研究測(cè)量了污泥產(chǎn)量（Yobs）、COD、銨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43--P）和懸浮固體（SS）的去除效率，并分析了ORP在主體水和生物膜內(nèi)的變化、ATP水平以及微型動(dòng)物密度，以揭示減量機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 污水處理效率數(shù)據(jù)：來(lái)自Fig. 2，包括COD、NH4+-N、TN、PO43--P和SS的出水濃度及去除效率。數(shù)據(jù)顯示，方波曝氣SBBR的TN去除效率最高（約69%），而其他曝氣模式差異不顯著。研究意義在于表明方波曝氣在維持良好污水處理效果的同時(shí)，能增強(qiáng)同步硝化反硝化，尤其有利于TN去除，為優(yōu)化曝氣策略提供了依據(jù)。

 

 

2. 污泥產(chǎn)量數(shù)據(jù)：來(lái)自Fig. 3，顯示不同曝氣模式下的觀測(cè)污泥產(chǎn)率（Yobs）。方波曝氣SBBR的Yobs最低（0.021 mg MLSS/mg COD），比連續(xù)曝氣低304%。研究意義在于證實(shí)了間歇曝氣模式（尤其是方波曝氣）能有效誘導(dǎo)污泥減量，通過(guò)代謝解偶聯(lián)減少生物量合成，為原位減量技術(shù)提供了實(shí)用路徑。

 

 

3. ORP變化數(shù)據(jù)：來(lái)自Fig. 4，包括主體水和生物膜內(nèi)不同深度的ORP隨時(shí)間變化。方波曝氣SBBR的ORP波動(dòng)范圍最大，與污泥減量效果正相關(guān)。研究意義在于ORP可作為實(shí)時(shí)指示參數(shù)，反映微生物代謝狀態(tài)，其大幅波動(dòng)暗示好氧/缺氧環(huán)境交替，促進(jìn)了代謝解偶聯(lián)和污泥減量。

 

 

4. ATP水平數(shù)據(jù)：來(lái)自Fig. 5，顯示典型周期內(nèi)ATP濃度變化。方波曝氣SBBR的ATP水平比連續(xù)曝氣低60%。研究意義在于ATP抑制直接證明了代謝解偶聯(lián)的發(fā)生，微生物在缺氧/好氧交替環(huán)境下優(yōu)先補(bǔ)充能量而非合成新細(xì)胞，從而降低污泥產(chǎn)量。

 

 

5. 微型動(dòng)物密度數(shù)據(jù)：來(lái)自Fig. 6，包括輪蟲(chóng)和顳體蟲(chóng)等微型動(dòng)物的數(shù)量。方波曝氣SBBR中微型動(dòng)物密度較低，且顳體蟲(chóng)缺失。研究意義在于排除了微型動(dòng)物捕食作為主要減量機(jī)制的可能性，強(qiáng)化了代謝解偶聯(lián)的主導(dǎo)作用，有助于理解減量生態(tài)機(jī)制。

 

 

結(jié)論

1. 方波曝氣模式在SBBR中實(shí)現(xiàn)了最佳的原位污泥減量效果，Yobs僅為0.021 mg MLSS/mg COD，比連續(xù)曝氣低304%，同時(shí)TN去除效率提高至69%。

2. ORP波動(dòng)范圍與污泥減量性能正相關(guān)，可作為原位減量系統(tǒng)的有效指示參數(shù)。

3. 污泥減量的主要機(jī)制是代謝解偶聯(lián)而非微型動(dòng)物捕食，由ATP抑制和低微型動(dòng)物密度證實(shí)。

4. 新型曝氣模式（尤其是方波曝氣）為污水處理廠提供了低成本、高效率的原位污泥減量技術(shù)選項(xiàng)，無(wú)需額外處理單元。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量的ORP數(shù)據(jù)具有重要研究意義。具體而言，Unisense微電極系統(tǒng)（包括RD 50微電極、REF 5000參考電極和微操縱器）用于高精度測(cè)量生物膜內(nèi)不同深度的ORP分布（如Fig. 4所示）。這些數(shù)據(jù)提供了微生物代謝環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，例如，方波曝氣SBBR中ORP的劇烈波動(dòng)反映了好氧/缺氧條件的快速交替，直接關(guān)聯(lián)到代謝解偶聯(lián)的發(fā)生。Unisense電極的高分辨率和靈敏度確保了ORP數(shù)據(jù)的可靠性，從而支持了ORP作為污泥減量指示參數(shù)的可行性。此外，生物膜內(nèi)ORP的垂直變化數(shù)據(jù)有助于理解基質(zhì)傳遞和微生物活性空間差異，為優(yōu)化曝氣策略和反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了深層見(jiàn)解。因此，Unisense電極技術(shù)是揭示原位污泥減量機(jī)制和開(kāi)發(fā)控制策略的關(guān)鍵工具。