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

通過新型曝氣模式誘導代謝解偶聯在SBBR中實現原位剩余污泥減量

來源：RSC Advances, 2017, Volume 7, Pages 29058-29064

《RSC進展》，2017年，第7卷，29058-29064頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究通過新型曝氣模式（三角波曝氣、方波曝氣、鋸齒波曝氣和連續曝氣）在序批式生物膜反應器（SBBR）中實現污水處理過程中的原位污泥減量。方波曝氣的SBBR顯示出最低的觀測污泥產率（Yobs），比連續曝氣低304%。ATP抑制現象和方波曝氣SBBR中微型動物密度較低證實了代謝解偶聯是導致Yobs降低的主要原因，而非微型動物捕食。四種SBBR的化學需氧量（COD）去除效率無顯著差異，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氧化還原電位（ORP）的相互關系，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應用新型曝氣模式，誘導微生物代謝解偶聯，從而在SBBR系統中實現污水處理過程中的原位污泥減量，同時評估這些模式對污水處理效率的影響，并探討ORP作為減量指示參數的可行性。

 

研究思路

研究思路包括在四個實驗室規模的SBBR中并行實驗，分別采用三角波曝氣、方波曝氣、鋸齒波曝氣和連續曝氣模式。所有反應器在相同條件下運行（溫度25±2°C，有機負荷1.0 kg COD/(m3填料·d)），通過時間控制器和函數發生器控制空氣/N2供應以實現不同曝氣模式。研究測量了污泥產量（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的變化、ATP水平以及微型動物密度，以揭示減量機制。

 

測量的數據及研究意義

1. 污水處理效率數據：來自Fig. 2，包括COD、NH4+-N、TN、PO43--P和SS的出水濃度及去除效率。數據顯示，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，能增強同步硝化反硝化，尤其有利于TN去除，為優化曝氣策略提供了依據。

 

 

2. 污泥產量數據：來自Fig. 3，顯示不同曝氣模式下的觀測污泥產率（Yobs）。方波曝氣SBBR的Yobs最低（0.021 mg MLSS/mg COD），比連續曝氣低304%。研究意義在于證實了間歇曝氣模式（尤其是方波曝氣）能有效誘導污泥減量，通過代謝解偶聯減少生物量合成，為原位減量技術提供了實用路徑。

 

 

3. ORP變化數據：來自Fig. 4，包括主體水和生物膜內不同深度的ORP隨時間變化。方波曝氣SBBR的ORP波動范圍最大，與污泥減量效果正相關。研究意義在于ORP可作為實時指示參數，反映微生物代謝狀態，其大幅波動暗示好氧/缺氧環境交替，促進了代謝解偶聯和污泥減量。

 

 

4. ATP水平數據：來自Fig. 5，顯示典型周期內ATP濃度變化。方波曝氣SBBR的ATP水平比連續曝氣低60%。研究意義在于ATP抑制直接證明了代謝解偶聯的發生，微生物在缺氧/好氧交替環境下優先補充能量而非合成新細胞，從而降低污泥產量。

 

 

5. 微型動物密度數據：來自Fig. 6，包括輪蟲和顳體蟲等微型動物的數量。方波曝氣SBBR中微型動物密度較低，且顳體蟲缺失。研究意義在于排除了微型動物捕食作為主要減量機制的可能性，強化了代謝解偶聯的主導作用，有助于理解減量生態機制。

 

 

結論

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

2. ORP波動范圍與污泥減量性能正相關，可作為原位減量系統的有效指示參數。

3. 污泥減量的主要機制是代謝解偶聯而非微型動物捕食，由ATP抑制和低微型動物密度證實。

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選項，無需額外處理單元。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的ORP數據具有重要研究意義。具體而言，Unisense微電極系統（包括RD 50微電極、REF 5000參考電極和微操縱器）用于高精度測量生物膜內不同深度的ORP分布（如Fig. 4所示）。這些數據提供了微生物代謝環境的實時動態信息，例如，方波曝氣SBBR中ORP的劇烈波動反映了好氧/缺氧條件的快速交替，直接關聯到代謝解偶聯的發生。Unisense電極的高分辨率和靈敏度確保了ORP數據的可靠性，從而支持了ORP作為污泥減量指示參數的可行性。此外，生物膜內ORP的垂直變化數據有助于理解基質傳遞和微生物活性空間差異，為優化曝氣策略和反應器設計提供了深層見解。因此，Unisense電極技術是揭示原位污泥減量機制和開發控制策略的關鍵工具。