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(tuán)的特性及其在序批式反應(yīng)器中增加硝化作用的性能

來源：journal of environmental sciences 42 (2016) 202–209

 

一、摘要概述

本論文摘要指出，研究通過將活性污泥固定在水性聚氨酯中制成固定化顆粒，成功適應(yīng)了銨氮（NH?-N）合成廢水。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、高通量測(cè)序和微電極等技術(shù)分析了顆粒的物理化學(xué)特性，并評(píng)估了其在低溫（7-11°C）下對(duì)序批式反應(yīng)器（SBR）硝化過程的增強(qiáng)效果。顆粒表面觀察到大量桿狀細(xì)菌，其中Rudaea spp.（黃單胞菌科）是重要組分（占細(xì)菌總量的23.44%）。固定化顆粒的氧吸收率（OUR）達(dá)240.83±15.59 mg O?/(L·hr)，氧氣主要被顆粒表面細(xì)菌（0-600 μm深度）消耗。在SBR中添加顆粒（30 mL/L）顯著提高了低溫下的硝化效率，平均NH?-N去除率達(dá)84.09%，高于對(duì)照組（67.46%）。

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

開發(fā)一種基于固定化技術(shù)的生物增強(qiáng)方法，以解決低溫（<15°C）下傳統(tǒng)生物處理中硝化細(xì)菌活性低、NH?-N去除效率差的問題。

揭示固定化顆粒的微觀特性（如微生物群落結(jié)構(gòu)、氧分布），闡明其強(qiáng)化硝化的機(jī)制。

 

評(píng)估固定化顆粒在SBR中的實(shí)際性能，驗(yàn)證其在低溫廢水處理中的應(yīng)用潛力，為工程化提供依據(jù)。

 

三、研究思路

研究采用多技術(shù)聯(lián)用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

顆粒制備與馴化：將活性污泥固定于水性聚氨酯中形成3mm立方顆粒，在升流式內(nèi)循環(huán)曝氣反應(yīng)器中用人工廢水馴化15天，直至出水NH?-N<5 mg/L。

顆粒表征：

 

形貌分析：通過SEM觀察馴化前后顆粒表面和截面的微生物分布。

微生物群落分析：利用454高通量測(cè)序鑒定細(xì)菌組成（門、綱、屬水平）。

 

活性測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量氧吸收率（OUR）和氧微剖面，量化微生物代謝活性。

 

SBR性能驗(yàn)證：設(shè)置兩個(gè)SBR（實(shí)驗(yàn)組SBR-1添加顆粒，對(duì)照組SBR-2僅用活性污泥），在低溫（7-11°C）下運(yùn)行180周期，監(jiān)測(cè)NH?-N、NO?-N、NO?-N、總氮（TN）和化學(xué)需氧量（COD）去除效率，并分析污泥特性（如SV??、MLSS、SOUR）。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

以下關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)均來自文檔中圖表，以描述性列表說明其來源及研究意義（避免表格形式）：

 

SEM形貌數(shù)據(jù)（來自Fig. 1）

 

數(shù)據(jù)：Fig. 1 的SEM圖像顯示，未馴化顆粒表面孔隙多但細(xì)菌稀疏（圖1a-c），而馴化后顆粒表面覆蓋密集桿狀菌生物膜（厚度80-120 μm），截面顯示細(xì)菌主要分布于外層（0-300 μm）（圖1d-f）。

 

研究意義：證實(shí)固定化結(jié)構(gòu)成功富集表面微生物，生物膜形成是硝化活性提升的關(guān)鍵；外層優(yōu)勢(shì)分布提示氧氣和底物傳輸限制可能影響內(nèi)部微生物活性，為優(yōu)化載體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

微生物群落數(shù)據(jù)（來自Table 1和文本）

 

數(shù)據(jù)：高通量測(cè)序顯示，馴化后顆粒中變形菌門（Proteobacteria）占比從38.04%升至49.43%，伽馬變形菌綱（Gammaproteobacteria）從4.51%增至26.24%；Rudaea spp.屬占比23.44%，成為優(yōu)勢(shì)菌（文本結(jié)果2.1.2）。

 

研究意義：Rudaea spp.可能參與硝化過程（雖未被既往研究報(bào)道），其富集與高OUR相關(guān)，暗示固定化技術(shù)能選擇性促進(jìn)功能菌群，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

氧吸收率（OUR）和氧分布數(shù)據(jù)（來自Fig. 3、Fig. 4和Fig. 5）

 

 

 

數(shù)據(jù)：Fig. 5 顯示OUR在馴化15天后從26.62 mg O?/(L·hr)升至240.83 mg O?/(L·hr)，與NH?-N去除效率正相關(guān)（R2=0.976）；氧微剖面（Fig. 3-4）表明氧氣在0-300 μm深度內(nèi)快速消耗（梯度0.035 mg O?/(L·μm)），600 μm以深接近缺氧。

 

研究意義：高OUR直接量化顆粒代謝強(qiáng)度，氧分布曲線揭示活性局限于表面，說明固定化載體需優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)以提升內(nèi)部傳質(zhì)效率。

 

SBR性能數(shù)據(jù)（來自Fig. 6和Table 2）

 

 

數(shù)據(jù)：Fig. 6 顯示SBR-1添加顆粒后出水NH?-N降至5.67 mg/L（達(dá)標(biāo)），平均去除率84.09%，顯著高于SBR-2（67.46%）；Table 2 表明兩組污泥特性（MLSS≈4300 mg/L, SOUR≈4.7 mg O?/(g·hr)）無顯著差異。

 

研究意義：性能提升純由顆粒貢獻(xiàn)，非污泥變化所致；低溫下TN去除改善（SBR-1出水TN 12.01 mg/L vs. SBR-2的16.96 mg/L），證實(shí)顆粒通過增強(qiáng)硝化間接促進(jìn)反硝化。

 

五、結(jié)論

本研究主要結(jié)論包括：

 

固定化顆粒有效性：水性聚氨酯固定化顆粒能快速富集硝化相關(guān)菌群（如Rudaea spp.），形成表面生物膜，顯著提升低溫下SBR的NH?-N去除率（提高約16.6%）。

微生物機(jī)制：優(yōu)勢(shì)菌群轉(zhuǎn)移（如Gammaproteobacteria富集）和高OUR（240.83 mg O?/(L·hr)）是活性增強(qiáng)的主因；氧氣消耗集中于表層（0-600 μm），限制內(nèi)部微生物潛力。

 

工程應(yīng)用價(jià)值：添加30 mL/L顆粒即可使出水NH?-N達(dá)標(biāo)（<8 mg/L），且耐受溫度波動(dòng)（馴化18°C vs. 運(yùn)行7-11°C），適合低溫污水處理廠升級(jí)。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)在本研究中用于高精度測(cè)量氧吸收率（OUR）和氧微剖面，其數(shù)據(jù)在揭示固定化顆粒代謝特性中具有核心研究意義：

1. 技術(shù)原理與創(chuàng)新性

 

原理：Unisense采用Clark型微電極（尖端10-20 μm），通過安培法實(shí)時(shí)檢測(cè)溶解氧（DO）濃度變化，空間分辨率達(dá)微米級(jí)。系統(tǒng)集成微呼吸室、校準(zhǔn)單元（零點(diǎn)用抗壞血酸溶液，飽和點(diǎn)用空氣）和軟件（micOx），實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

 

創(chuàng)新性：首次在固定化顆粒中獲取高分辨率氧分布曲線，克服傳統(tǒng)批量測(cè)量平均值偏差，直接關(guān)聯(lián)微生物空間定位與活性。

 

2. 在量化微生物活性中的關(guān)鍵作用

 

代謝強(qiáng)度量化：OUR數(shù)據(jù)（240.83 mg O?/(L·hr)）直接反映顆粒整體硝化活性，是NH?-N去除效率（84.09%）的生理基礎(chǔ)；正相關(guān)（R2=0.976）驗(yàn)證氧氣消耗主由硝化驅(qū)動(dòng)。

 

活性層辨識(shí)：氧微剖面顯示DO在0-300 μm深度驟降（梯度0.035 mg O?/(L·μm)），600 μm以深趨零，證實(shí)微生物活性局限于表層。此發(fā)現(xiàn)解釋為何固定化載體需優(yōu)化傳質(zhì)——內(nèi)部細(xì)菌因缺氧失活。

 

3. 對(duì)工藝優(yōu)化的貢獻(xiàn)

 

載體設(shè)計(jì)指導(dǎo)：表層優(yōu)勢(shì)消耗提示應(yīng)減小顆粒尺寸或增加孔隙率以提升內(nèi)部氧氣滲透，避免資源浪費(fèi)。

 

操作參數(shù)校準(zhǔn)：高OUR表明顆粒在低溫下仍維持高代謝率，支持其在實(shí)時(shí)控制策略（如基于DO反饋調(diào)節(jié)曝氣）中的應(yīng)用，降低能耗。

 

4. 局限與前瞻

 

局限性：點(diǎn)測(cè)量可能低估異質(zhì)性；未覆蓋動(dòng)態(tài)過程（如晝夜DO波動(dòng)）。

 

未來應(yīng)用：Unisense技術(shù)可擴(kuò)展至多參數(shù)（如pH、H?S），結(jié)合分子生物學(xué)解析菌群功能空間分異；長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可預(yù)測(cè)載體老化對(duì)活性的影響。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)通過提供時(shí)空精確的氧動(dòng)態(tài)，將固定化顆粒的宏觀性能（如NH?-N去除）與微觀機(jī)制（如表面生物膜活性）直接鏈接，其輸出不僅證實(shí)了固定化技術(shù)的低溫增強(qiáng)效應(yīng)，還為優(yōu)化載體設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略提供了實(shí)證基準(zhǔn)。