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(xué)與技術(shù)》，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(yǎng)脫氮工藝）的表現(xiàn)。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(yīng)器都達(dá)到了約0.6 g N/(L·d)的氮去除率，但生物量形態(tài)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(dá)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(jìn)厚層氨氧化細(xì)菌（AOB）生長，保護(hù)anammox細(xì)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(diǎn)分析DO如何調(diào)節(jié)生物量顆粒化、氮去除性能以及顆粒內(nèi)部微生物結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化工藝穩(wěn)定性和效率。

 

研究思路

研究思路基于在兩個中試規(guī)模序批式反應(yīng)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(yùn)行。通過比較7個月運(yùn)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(jié)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(guān)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(dǎo)率變化監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)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(dá)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(tài)差異顯著，表明DO影響顆粒化而非基本去除能力。

 

2 數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)AOB和anammox活性平衡，高DO促進(jìn)AOB生長，從而優(yōu)化工藝 stoichiometry。

 

3 數(shù)據(jù)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(dá)2.3 mm，而SBR-1為1.1 mm。研究意義是表明高DO促進(jìn)大顆粒形成，增強(qiáng)沉降性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

4 數(shù)據(jù)來自圖4：通過氧微剖面測量顆粒內(nèi)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(nèi)部好氧/缺氧區(qū)分布，影響AOB和anammox空間定位，從而決定工藝魯棒性。

 

5 數(shù)據(jù)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(dá)20%，anammox細(xì)菌（Brocadia fulgida）占65-75%。研究意義是證實(shí)高DO增強(qiáng)AOB外層厚度，保護(hù)內(nèi)部anammox細(xì)菌，提高系統(tǒng)抗擾動能力。

 

結(jié)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(dá)到相似氮去除率（0.6 g N/(L·d)），但DO顯著影響生物量形態(tài)，高DO促進(jìn)大顆粒形成（直徑2.3 mm），低DO導(dǎo)致絮體為主。

2 DO通過調(diào)節(jié)氧滲透深度控制顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高DO下AOB外層增厚，提供更穩(wěn)定缺氧核心，保護(hù)anammox活性，增強(qiáng)工藝魯棒性。

3 氧微剖面和微生物分析表明，DO是優(yōu)化anammox基工藝啟動的關(guān)鍵參數(shù)，可用于調(diào)控微生物空間分布和工藝性能。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)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(nèi)部的氧微剖面，提供了高空間分辨率的溶解氧分布數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)直接揭示了DO對顆粒內(nèi)部好氧/缺氧微環(huán)境的調(diào)控機(jī)制：高DO促進(jìn)AOB在外層形成厚保護(hù)層，防止氧抑制內(nèi)部anammox細(xì)菌，從而解釋了大顆粒在高壓DO下的優(yōu)越性能。此外，微剖面數(shù)據(jù)驗證了數(shù)學(xué)模型，幫助理解質(zhì)量傳遞限制對工藝的影響，為優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計和DO控制策略提供了實(shí)驗依據(jù)，增強(qiáng)了anammox工藝在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和效率。