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Optimized aeration strategies for nitrogen removal efficiency: application of end gas recirculation aeration in the fixed bed biofilm reactor
優化曝氣策略提高脫氮效率：末端氣體再循環曝氣在固定床生物膜反應器中的應用
來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 26, 2019, Pages 28216-28227
《環境科學與污染研究》，第26卷，2019年，第28216-28227頁
摘要
本研究探討了曝氣策略對固定床生物膜反應器（FBBR）性能的影響。當表觀上升流速（SAV）從0.16 cm/s降至0.08 cm/s時，反應器溶解氧（DO）降至2.0 mg/L，生物膜內缺氧微環境所需深度從902.3 μm減少至525.9 μm，促進了反硝化菌生長和總氮（TN）去除效率。但低曝氣強度導致水力剪切應力不足，生物膜結構脆弱，運行87天后發生大規模脫落和反應器惡化。提出末端氣體再循環曝氣策略，可單獨控制DO和曝氣強度，實現低DO和高曝氣強度，同時增強反硝化菌（如Flavobacterium sp.、Pseudorhodobacter sp.和Dok59 sp.）和EPS產生菌（如Zoogloea sp.和Rhodobacter sp.）的代謝，從而獲得高TN去除率（82.1±2.7%）和穩定生物膜結構。
研究目的
本研究旨在通過末端氣體再循環曝氣策略，分別操縱反應器溶解氧（DO）和曝氣強度，實現低DO和高曝氣強度的組合，以增強脫氮效率、生物膜穩定性，并分析生物膜內DO分布和微生物群落機制。
研究思路
研究設置三個反應器：R1（低SAV低DO）、R2（高SAV高DO）和R3（末端氣體再循環，中DO高曝氣）。通過比較污染物去除效率、生物膜強度、DO分布、水力剪切應力和微生物群落，評估不同曝氣策略的效果。使用計算流體動力學（CFD）模擬分析水力剪切應力，并通過高通量測序分析微生物群落結構。
測量的數據及研究意義
1 污染物去除效率數據（COD、NH4-N、TN），來自正文結果部分。研究意義：R3的TN去除率最高（82.1±2.7%），表明末端氣體再循環策略在低DO下有效促進反硝化，提高脫氮效率，為解決低碳氮比污水脫氮難題提供方案。
2 生物膜強度和EPS含量數據，來自超聲處理完整性系數（IC）和化學分析。研究意義：R3的IC值（83.18±7.31%）和EPS含量（205.84 mg/gVSS）較高，證明高曝氣強度增強生物膜機械強度和穩定性，減少脫落風險。
3 DO分布數據，使用丹麥Unisense微電極測量，來自Fig.4。研究意義：低DO（2.0 mg/L）下氧氣滲透深度淺（450-500 μm），形成缺氧微環境，促進反硝化菌生長；高DO（6.0 mg/L）下氧氣完全滲透生物膜，抑制反硝化。
4 水力剪切應力數據，CFD模擬結果，來自Fig.5。研究意義：高曝氣強度（SAV=0.16 cm/s）下總水力剪切應力是低曝氣強度（SAV=0.08 cm/s）的1.88倍，增強生物膜密實度和EPS分泌，但需與低DO結合以避免好氧條件抑制反硝化。
5 微生物群落數據，高通量測序結果，來自Fig.6。研究意義：R3中反硝化菌（Flavobacterium sp.等）和EPS產生菌（Zoogloea sp.等）豐度高，證實末端氣體再循環優化微生物群落功能分層，支持同步硝化反硝化（SND）。
結論
1 末端氣體再循環曝氣策略可單獨控制DO和曝氣強度，實現低DO（2.09 mg/L）和高曝氣強度（SAV=0.17 cm/s）的組合，有效提高TN去除率（82.1±2.7%）。
2 低DO減少氧氣滲透深度（至450 μm），促進生物膜內缺氧微環境形成，增強反硝化菌代謝；高曝氣強度增加水力剪切應力，刺激EPS產生菌和絲狀菌生長，強化生物膜結構穩定性。
3 該策略適用于低碳氮比污水處理，在保證脫氮效率的同時降低生物膜脫落風險，具有工程應用潛力。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
本研究使用丹麥Unisense微電極系統（型號OX10-16076，尖端直徑20 μm）測量生物膜內的溶解氧（DO）分布。研究意義在于：該電極提供高分辨率（步進50 μm）的實時DO監測，精確揭示生物膜從表層到深層的氧氣梯度變化。數據顯示，低DO條件（2.0 mg/L）下氧氣滲透深度僅450-500 μm，快速形成缺氧區，支持反硝化菌生長；而高DO條件（6.0 mg/L）下氧氣滲透深度超過700 μm，抑制缺氧微環境。這些測量結果量化了DO對生物膜功能分層的影響，證實末端氣體再循環策略通過控制DO優化了微生物空間分布，為曝氣策略設計提供了關鍵依據。Unisense電極的高精度數據確保了實驗可靠性，幫助驗證了低DO與高曝氣強度結合的技術可行性。