Aerobic granular sludge formation and nutrients removal characteristics under low temperature

低溫條件下好氧顆粒污泥培養及其脫氮性能研究

來源：中國環境科學 2019,39(2)：634~640

 

論文總結

論文系統探究了在低溫（15°C）條件下好氧顆粒污泥（AGS）的形成過程、脫氮性能（特別是短程硝化），以及粒徑對微環境和功能的影響。以下是對論文的詳細總結。

摘要概括

摘要指出，在15°C低溫條件下，通過序批式反應器（SBR）在60天內成功培養出成熟的好氧顆粒污泥（AGS），其具有優異的短程硝化功能，穩定運行階段亞硝酸鹽氮積累率（NAR）可達90%以上。掃描電鏡顯示AGS主要由短桿菌和球菌構成。批次實驗表明，粒徑增大會影響基質傳質，為氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）和反硝化菌提供適宜微環境，促進短程硝化。使用微電極測定發現，在15°C、溶解氧（DO）為6–7 mg/L時，AGS內部氧氣傳質深度為600–700 μm。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

探究在低溫（15°C）條件下好氧顆粒污泥（AGS）的形成可行性和啟動特性，包括應對絲狀菌增殖等挑戰。

評估低溫AGS系統的脫氮性能，重點關注短程硝化（亞硝酸鹽積累）的效率和穩定性。

分析不同粒徑AGS（R1: 1.0–2.0 mm; R2: 2.0–3.0 mm; R3: >3.0 mm）對污染物去除（如COD、氮素）的影響機制，特別是粒徑如何通過改變內部微環境（如氧氣傳質）調控微生物活動。

使用微電極技術原位測量AGS內部的化學梯度（如DO、NH4+-N、NO3--N），揭示微觀傳質過程與脫氮性能的關聯。

 

為低溫地區污水處理廠應用AGS技術提供理論依據和運行參數優化建議。

 

研究思路

研究采用“反應器培養-批次實驗-微觀測量”的多層次策略：

 

反應器培養階段：在SBR反應器（有效容積8 L）中接種活性污泥，控制水溫15°C，通過調整運行周期（進水、曝氣、沉淀、排水）和DO濃度（階段1-3），歷時140天培養AGS，并監測污泥特性（MLSS、SVI）和脫氮效率。

批次實驗階段：在穩定運行期（第138天），篩選不同粒徑AGS（R1、R2、R3），在密閉集氣瓶中進行批次實驗，測量COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N的隨時間變化，評估脫氮特性。

微觀測量階段：使用丹麥Unisense微電極系統（包括OX-10氧微電極和Z軸推進器），原位測量不同粒徑AGS內部的DO、NH4+-N、NO3--N濃度微剖面，計算氧氣傳質深度。

微生物與結構分析：結合掃描電鏡（SEM）觀察AGS形態，濕篩分法測定粒徑分布，分析微生物群落結構。

 

數據關聯：將宏觀性能數據與微觀傳質數據、微生物分布關聯，闡釋粒徑影響脫氮的機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

污泥特性變化數據（來源：表1，圖2）

 

 

數據：培養過程中MLSS從4630 mg/L（初始）波動至4356 mg/L（第60天），SVI從68改善至36，顆粒平均粒徑從1.3 mm增至3.2 mm。掃描電鏡（圖2d）顯示AGS結構緊密，以短桿菌和球菌為主。

 

研究意義：這些數據證實低溫下AGS可成功培養，且沉降性能優異（SVI低），為后續脫氮研究提供基礎。粒徑增大伴隨MLVSS/MLSS比率先升后降，反映無機質積累，提示粒徑調控需平衡生物活性與結構穩定性。

 

脫氮性能數據（來源：圖3）

 

數據：穩定運行階段（第57-99天），NH4+-N去除率近100%，NO3--N濃度維持在5 mg/L左右，NAR持續高于90%。提高DO至8 mg/L時短程硝化被破壞（NAR降至2.07%），恢復DO至5 mg/L后NAR回升至90.07%。

 

研究意義：直接證明低溫AGS系統能實現穩定短程硝化，且DO是關鍵控制參數。NAR高值表明AOB活性占優，NOB受抑制，為低溫脫氮優化提供方向。

 

粒徑對COD去除的影響數據（來源：圖4）

 

數據：所有粒徑AGS對COD去除率均>80%，但R1（小粒徑）前期去除速率更快，R2和R3速率相近且較低。

 

研究意義：表明小粒徑AGS因比表面積大、傳質阻力小，具有更快底物利用速率，但整體去除效率無顯著差異，提示粒徑選擇需權衡處理速度與系統穩定性。

 

粒徑對短程硝化影響數據（來源：圖5）

 

數據：R1的NAR較低（NO3--N生成多），R2和R3的NAR均達90%左右，且幾乎無NO3--N產生。大粒徑AGS（R3）的NH4+-N去除率略低于小粒徑。

 

研究意義：揭示粒徑增大通過增強內部氧傳質限制，創造缺氧微環境，抑制NOB活性，從而促進短程硝化。但過大粒徑可能降低NH4+-N去除效率，提示存在最優粒徑范圍（如2.0–3.0 mm）。

 

氧氣傳質微剖面數據（來源：圖6，使用丹麥Unisense微電極測量）

 

數據：在主體DO為6–7 mg/L時，R1中心DO為1.32 mg/L，R2和R3中心DO降至0 mg/L。氧氣傳質深度為600–700 μm。

 

研究意義：首次定量揭示低溫下AGS內部氧梯度：大粒徑AGS中心形成嚴格缺氧區，為反硝化菌提供棲息地，而小粒徑內部DO較高，利于NOB生存。這直接解釋了為何R2/R3能實現高NAR。

 

粒徑分布數據（來源：正文描述，未附圖）

 

數據：反應器中粒徑>2.0 mm的AGS占比87.8%（R2: 62.47%, R3: 25.33%），粒徑<2.0 mm占12.2%。

 

研究意義：說明系統以中大粒徑為主，是短程硝化性能穩定的結構性原因，強調粒徑分布對整體功能的重要性。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

低溫（15°C）下可成功培養AGS，但需應對絲狀菌增殖（通過縮短沉降時間控制），成熟AGS具有良好沉降性（SVI=36）和結構穩定性。

AGS系統能實現高效短程硝化，NAR穩定>90%，NH4+-N去除率近100%。DO是關鍵調控因子，過高DO（8 mg/L）破壞短程硝化，恢復適宜DO（5 mg/L）后可重建。

粒徑顯著影響脫氮性能：小粒徑（R1）COD去除快但短程硝化差（NAR低）；中大粒徑（R2、R3）短程硝化優（NAR>90%），但NH4+-N去除率略降。粒徑增大會增強傳質限制，形成內部缺氧微環境，抑制NOB、促進反硝化。

微環境測量證實氧傳質深度為600–700 μm，為大粒徑AGS的缺氧區提供直接證據。工程實踐中，建議將AGS粒徑控制在2.0 mm左右，以平衡短程硝化效率與系統穩定性。

 

總體，低溫AGS技術是一種可行、高效的低碳脫氮方案，但需優化運行參數（如DO、粒徑）以維持微環境穩定。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極測量的氧氣傳質微剖面數據（圖6）是揭示AGS內部微環境機制的關鍵證據，其研究意義主要體現在以下方面：

 

提供了原位、高分辨率的微環境定量證據：傳統方法只能測量整體反應器參數，無法解析絮體內部化學梯度。Unisense微電極的尖端極小（10 μm），可精確穿刺AGS并實時測量從表面到中心的DO濃度梯度，避免了取樣破壞。數據直接顯示R2和R3中心DO=0 mg/L，而R1中心DO=1.32 mg/L，這首次在低溫下直觀證實大粒徑AGS內部存在缺氧區，為短程硝化提供了微環境基礎。

揭示了粒徑調控脫氮性能的核心機制：測量數據將粒徑與氧傳質深度直接關聯：粒徑越大，氧傳質阻力越大，中心越易缺氧。這與脫氮性能數據（圖5）完美吻合——R2/R3的缺氧區抑制NOB（氧飽和系數1.1 mg/L），使AOB（氧飽和系數0.3 mg/L）占優，導致高NAR；而R1內部DO較高，無法有效抑制NOB。這從物理傳質角度解釋了為何粒徑增大促進短程硝化。

為工程優化提供關鍵參數：測得的氧傳質深度（600–700 μm） 是量化AGS內部微環境的重要指標。結合粒徑數據，可推導出：當AGS粒徑>1.2 mm（2×傳質深度）時，中心可能缺氧；粒徑達2.0 mm時，缺氧區比例顯著增加，短程硝化效果增強。這為實際工程中調控粒徑范圍（如2.0–3.0 mm）以優化脫氮提供了科學依據。

闡明了溫度與結構的交互影響：數據表明低溫（15°C）下傳質深度較大（對比文獻中常溫下約100 μm），原因可能是低溫降低微生物耗氧速率，且AGS結構較疏松（圖2d顯示多孔），延長氧擴散路徑。這提示低溫環境需特別關注粒徑設計，以避免過度缺氧導致反硝化碳源不足或N2O積累風險。

 

技術支持機制驗證：Unisense系統的高精度（法拉第籠防干擾）和實時性，確保了數據可靠性。通過微剖面計算的傳質速率，可用于模型模擬預測AGS行為，推動從“宏觀現象”到“微觀機制”的研究深化。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是測量工具，更是連接“結構-功能”的橋梁，它通過定量揭示AGS內部氧梯度，令人信服地闡釋了粒徑影響短程硝化的微觀機制，為低溫AGS技術的優化應用奠定了堅實基礎。