Influence of dissolved oxygen concentration on the start-up of the anammox-based process: ELAN

溶解氧濃度對厭氧氨氧化工藝啟動的影響：ELAN

來源：Water Science & Technology, Volume 72, Issue 4, 2015, Pages 520-527

《水科學與技術》，第72卷第4期，2015年，第520-527頁

 

摘要

這篇論文摘要指出，研究比較了在兩個不同溶解氧（DO）濃度下啟動的ELAN®工藝（一種anammox基自養脫氮工藝）的表現。SBR-1在DO為0.4 mg O2/L下啟動，SBR-2在DO為3.0 mg O2/L下啟動。盡管兩個反應器都達到了約0.6 g N/(L·d)的氮去除率，但生物量形態差異顯著：SBR-1中顆粒生物量較少，顆粒直徑僅1.1 mm；SBR-2中生物量主要以顆粒形式存在，平均直徑達3.2 mm。氧微剖面分析顯示，SBR-2的顆粒需要更高DO（8 mg O2/L）才能完全氧滲透，而SBR-1的顆粒在1 mg O2/L下即被氧滲透。這表明高DO促進厚層氨氧化細菌（AOB）生長，保護anammox細菌免受不利條件影響。

 

研究目的

研究目的是探討溶解氧濃度對anammox基工藝ELAN®啟動過程的影響，重點分析DO如何調節生物量顆粒化、氮去除性能以及顆粒內部微生物結構，以優化工藝穩定性和效率。

 

研究思路

研究思路基于在兩個中試規模序批式反應器（SBR）中啟動ELAN®工藝，SBR-1和SBR-2分別控制在低DO（0.4 mg O2/L）和高DO（3.0 mg O2/L）條件下運行。通過比較7個月運行期間的氮去除率、生物量濃度、顆粒大小、沉降特性以及氧微剖面（使用丹麥Unisense電極測量），結合微生物群落分析（FISH），評估DO對顆粒形成和工藝性能的影響。關鍵是通過控制HRT和DO來避免銨和亞硝酸鹽限制，并利用電導率變化監控反應進程。

 

測量的數據及研究意義

1 數據來自圖1：測量了生物量濃度（VSS）、氮去除率（NRR）和DO濃度隨時間變化。例如，SBR-1生物量從1.0 g VSS/L增至4.5 g VSS/L，SBR-2從0.7 g VSS/L增至7.0 g VSS/L，NRR均達0.6 g N/(L·d)。研究意義是顯示不同DO下生物量積累和氮去除效率相似，但生物量形態差異顯著，表明DO影響顆?；腔救コ芰?。

 

2 數據來自圖2：測量了anammox氮去除率、氨氧化率、亞硝酸鹽氧化率及AOB/anammox比率。例如，SBR-2的AOB/anammox比率接近理想值0.637。研究意義是驗證DO能調節AOB和anammox活性平衡，高DO促進AOB生長，從而優化工藝 stoichiometry。

 

3 數據來自圖3：測量了比空氣通量和顆粒平均直徑。SBR-2顆粒直徑達2.3 mm，而SBR-1為1.1 mm。研究意義是表明高DO促進大顆粒形成，增強沉降性，提高系統穩定性。

 

4 數據來自圖4：通過氧微剖面測量顆粒內部氧滲透深度。SBR-1顆粒在低DO（1 mg O2/L）下氧滲透150μm，SBR-2顆粒需高DO（8 mg O2/L）才完全滲透。研究意義是揭示DO控制顆粒內部好氧/缺氧區分布，影響AOB和anammox空間定位，從而決定工藝魯棒性。

 

5 數據來自微生物分析：通過FISH測量微生物群落，SBR-2中AOB占比高達20%，anammox細菌（Brocadia fulgida）占65-75%。研究意義是證實高DO增強AOB外層厚度，保護內部anammox細菌，提高系統抗擾動能力。

 

結論

1 不同DO濃度（0.4 vs 3.0 mg O2/L）下啟動的ELAN®工藝都能達到相似氮去除率（0.6 g N/(L·d)），但DO顯著影響生物量形態，高DO促進大顆粒形成（直徑2.3 mm），低DO導致絮體為主。

2 DO通過調節氧滲透深度控制顆粒內部結構，高DO下AOB外層增厚，提供更穩定缺氧核心，保護anammox活性，增強工藝魯棒性。

3 氧微剖面和微生物分析表明，DO是優化anammox基工藝啟動的關鍵參數，可用于調控微生物空間分布和工藝性能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，使用丹麥Unisense的Clark型氧微電極（OX-10模型）測量了顆粒內部的氧微剖面，提供了高空間分辨率的溶解氧分布數據。這種電極能精確探測顆粒不同深度的氧濃度，例如顯示SBR-2顆粒在低DO下氧滲透淺（50-150μm），需高DO（8 mg O2/L）才完全滲透。研究意義在于，這些數據直接揭示了DO對顆粒內部好氧/缺氧微環境的調控機制：高DO促進AOB在外層形成厚保護層，防止氧抑制內部anammox細菌，從而解釋了大顆粒在高壓DO下的優越性能。此外，微剖面數據驗證了數學模型，幫助理解質量傳遞限制對工藝的影響，為優化反應器設計和DO控制策略提供了實驗依據，增強了anammox工藝在實際應用中的可靠性和效率。