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

固定化活性污泥顆粒的特性及其在低溫下增強序批式反應器硝化性能的研究

來源： Journal of Environmental Sciences, Volume 42, 2016, Pages 202-209

《環境科學學報》，第42卷，2016年，第202-209頁

 

摘要

摘要闡述了通過將活性污泥包埋在水性聚氨酯中制備的固定化顆粒成功適應了銨氮（NH4-N）合成廢水。利用掃描電子顯微鏡、高通量測序和微電極測定了其理化特性，并評估了其在低溫下對序批式反應器（SBR）硝化過程的影響。在固定化顆粒表面觀察到大量桿狀細菌，其中Rudaea spp.（黃色單胞菌科）是重要細菌組分（占總細菌的23.44%）。固定化顆粒的氧氣攝取率（OUR）達到240.83±15.59 mg O2/(L·hr)，氧氣主要被顆粒表面（0-600μm）的細菌消耗。將顆粒（30 mL/L）投加到SBR中顯著提高了低溫（7-11°C）下的硝化效率，平均NH4-N去除率達到84.09%，高于對照組的67.46%。

 

研究目的

研究目的是揭示通過包埋活性污泥于水性聚氨酯中獲得的固定化顆粒的理化特性，并評估其在低溫下增強SBR硝化性能的效果。具體目標包括利用掃描電子顯微鏡（SEM）、高通量測序和微電極測量表征顆粒的微生物群落結構和氧氣分布，并通過SBR實驗驗證顆粒在低溫污水處理中的實際應用價值。

 

研究思路

研究思路包括制備固定化顆粒（3mm立方體），通過包埋活性污泥于水性聚氨酯中，并在人工廢水（含NH4Cl等）中于18°C下馴化15天。使用SEM觀察顆粒表面和截面形態（圖1），高通量測序（454 pyrosequencing）分析微生物群落組成（表1），微電極（Unisense，丹麥）測量氧氣攝取率（OUR）和氧氣分布剖面（圖3-5）。隨后進行SBR實驗：兩個SBR（SBR-1投加顆粒，SBR-2為對照組）在7-11°C下運行180周期，監測NH4-N、NO2-N、NO3-N、總氮（TN）和化學需氧量（COD）去除效率（圖6），分析顆粒對硝化的增強作用。

 

 

 

 

 

 

 

測量的數據及研究意義

1 微生物形態數據：來自圖1的SEM圖像，顯示馴化后顆粒表面形成80-120μm厚生物膜，布滿桿狀細菌，而未馴化顆粒表面微生物稀少。研究意義是直觀證實固定化顆粒表面成功富集活性微生物，為高效硝化提供結構基礎。

2 微生物群落數據：來自表1和圖2的高通量測序結果，顯示馴化后顆粒中變形菌門（Proteobacteria）占比從38.04%升至49.43%，γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）從4.51%升至26.24%，Rudaea spp.占23.44%。研究意義是揭示低溫硝化關鍵菌群（如硝化相關菌）的富集，解釋顆粒性能增強的微生物機制。

 

3 氧氣攝取率（OUR）數據：來自圖3和5，顯示顆粒OUR從初始4.11-26.62 mg O2/(L·hr)升至240.83±15.59 mg O2/(L·hr)，且與NH4-N去除效率顯著正相關（R2=0.976）。研究意義是量化微生物代謝活性，證明氧氣消耗主要源于硝化過程，OUR可作為硝化效能的指標。

4 氧氣分布數據：來自圖4的微電極測量，顯示顆粒表面0-300μm處氧氣梯度最大（0.035 mg O2/(L·μm)），內部600μm處氧濃度接近0 mg/L。研究意義是揭示氧氣限制在顆粒內部，表面好氧區主導硝化，指導優化顆粒設計以增強傳質。

5 SBR性能數據：來自圖6和表2，顯示投加顆粒的SBR-1在低溫下NH4-N平均去除率84.09%（出水5.67 mg/L），顯著高于對照組（67.46%，出水11.59 mg/L）。研究意義是驗證固定化顆粒實際應用效果，為低溫污水處理提供技術支撐。

 

 

結論

1 固定化顆粒表面形成富含桿狀菌（如Rudaea spp.）的生物膜，微生物群落以變形菌門為主，馴化后硝化相關菌群顯著富集。

2 顆粒氧氣攝取率高（240.83 mg O2/(L·hr)），氧氣消耗集中于表面0-600μm區域，內部呈缺氧狀態，硝化活動主要發生在外層好氧區。

3 投加固定化顆粒（30 mL/L）可顯著提升SBR在低溫（7-11°C）下的硝化效率，NH4-N去除率提高至84.09%，確保出水達中國排放標準（<8 mg/L）。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的氧氣數據（圖3-5）研究意義在于提供了高分辨率原位氧氣分布剖面，直接揭示了固定化顆粒內部的微環境特性。測量顯示，氧氣濃度從顆粒表面向內部逐漸降低，在600μm深度處接近零（圖4），表明顆粒內部存在缺氧區，而表面0-300μm區域氧氣梯度最大（0.035 mg O2/(L·μm)），證實硝化活動集中于此好氧層。這種空間異質性解釋了顆粒的高硝化效率：表面好氧區支持硝化菌生長，內部缺氧區可能促進反硝化。此外，OUR測量（圖3、5）將氧氣消耗與硝化效率關聯（R2=0.976），量化了微生物活性，為優化顆粒尺寸和傳質提供了依據。微電極技術的高時空分辨率使研究人員能精準識別活性區域，避免了傳統批量測量的局限性，為理解固定化系統中微生物代謝與傳質的耦合機制提供了關鍵證據，對設計高效低溫污水處理工藝具有指導意義。