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的特性及其在序批式反應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，成功適應了銨氮（NH?-N）合成廢水。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、高通量測序和微電極等技術分析了顆粒的物理化學特性，并評估了其在低溫（7-11°C）下對序批式反應器（SBR）硝化過程的增強效果。顆粒表面觀察到大量桿狀細菌，其中Rudaea spp.（黃單胞菌科）是重要組分（占細菌總量的23.44%）。固定化顆粒的氧吸收率（OUR）達240.83±15.59 mg O?/(L·hr)，氧氣主要被顆粒表面細菌（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84.09%，高于對照組（67.46%）。

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

開發一種基于固定化技術的生物增強方法，以解決低溫（<15°C）下傳統生物處理中硝化細菌活性低、NH?-N去除效率差的問題。

揭示固定化顆粒的微觀特性（如微生物群落結構、氧分布），闡明其強化硝化的機制。

 

評估固定化顆粒在SBR中的實際性能，驗證其在低溫廢水處理中的應用潛力，為工程化提供依據。

 

三、研究思路

研究采用多技術聯用的實驗設計：

 

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，在升流式內循環曝氣反應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高通量測序鑒定細菌組成（門、綱、屬水平）。

 

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

 

SBR性能驗證：設置兩個SBR（實驗組SBR-1添加顆粒，對照組SBR-2僅用活性污泥），在低溫（7-11°C）下運行180周期，監測NH?-N、NO?-N、NO?-N、總氮（TN）和化學需氧量（COD）去除效率，并分析污泥特性（如SV??、MLSS、SOUR）。

 

四、測量數據及研究意義

以下關鍵測量數據均來自文檔中圖表，以描述性列表說明其來源及研究意義（避免表格形式）：

 

SEM形貌數據（來自Fig. 1）

 

數據：Fig. 1 的SEM圖像顯示，未馴化顆粒表面孔隙多但細菌稀疏（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），截面顯示細菌主要分布于外層（0-300 μm）（圖1d-f）。

 

研究意義：證實固定化結構成功富集表面微生物，生物膜形成是硝化活性提升的關鍵；外層優勢分布提示氧氣和底物傳輸限制可能影響內部微生物活性，為優化載體設計提供依據。

 

微生物群落數據（來自Table 1和文本）

 

數據：高通量測序顯示，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%，成為優勢菌（文本結果2.1.2）。

 

研究意義：Rudaea spp.可能參與硝化過程（雖未被既往研究報道），其富集與高OUR相關，暗示固定化技術能選擇性促進功能菌群，增強系統穩定性。

 

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

 

 

 

數據：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（R2=0.976）；氧微剖面（Fig. 3-4）表明氧氣在0-300 μm深度內快速消耗（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度，氧分布曲線揭示活性局限于表面，說明固定化載體需優化孔隙結構以提升內部傳質效率。

 

SBR性能數據（來自Fig. 6和Table 2）

 

 

數據：Fig. 6 顯示SBR-1添加顆粒后出水NH?-N降至5.67 mg/L（達標），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，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），證實顆粒通過增強硝化間接促進反硝化。

 

五、結論

本研究主要結論包括：

 

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%）。

微生物機制：優勢菌群轉移（如Gammaproteobacteria富集）和高OUR（240.83 mg O?/(L·hr)）是活性增強的主因；氧氣消耗集中于表層（0-600 μm），限制內部微生物潛力。

 

工程應用價值：添加30 mL/L顆粒即可使出水NH?-N達標（<8 mg/L），且耐受溫度波動（馴化18°C vs. 運行7-11°C），適合低溫污水處理廠升級。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

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

1. 技術原理與創新性

 

原理：Unisense采用Clark型微電極（尖端10-20 μm），通過安培法實時檢測溶解氧（DO）濃度變化，空間分辨率達微米級。系統集成微呼吸室、校準單元（零點用抗壞血酸溶液，飽和點用空氣）和軟件（micOx），實現動態監測。

 

創新性：首次在固定化顆粒中獲取高分辨率氧分布曲線，克服傳統批量測量平均值偏差，直接關聯微生物空間定位與活性。

 

2. 在量化微生物活性中的關鍵作用

 

代謝強度量化：OUR數據（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；正相關（R2=0.976）驗證氧氣消耗主由硝化驅動。

 

活性層辨識：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，證實微生物活性局限于表層。此發現解釋為何固定化載體需優化傳質——內部細菌因缺氧失活。

 

3. 對工藝優化的貢獻

 

載體設計指導：表層優勢消耗提示應減小顆粒尺寸或增加孔隙率以提升內部氧氣滲透，避免資源浪費。

 

操作參數校準：高OUR表明顆粒在低溫下仍維持高代謝率，支持其在實時控制策略（如基于DO反饋調節曝氣）中的應用，降低能耗。

 

4. 局限與前瞻

 

局限性：點測量可能低估異質性；未覆蓋動態過程（如晝夜DO波動）。

 

未來應用：Unisense技術可擴展至多參數（如pH、H?S），結合分子生物學解析菌群功能空間分異；長期監測可預測載體老化對活性的影響。

 

總之，Unisense電極數據通過提供時空精確的氧動態，將固定化顆粒的宏觀性能（如NH?-N去除）與微觀機制（如表面生物膜活性）直接鏈接，其輸出不僅證實了固定化技術的低溫增強效應，還為優化載體設計和運行策略提供了實證基準。