Optimized aeration strategies for nitrogen removal efficiency: application of end gas recirculation aeration in the fixed bed biofilm reactor  

優(yōu)化曝氣策略提高脫氮效率：末端氣體再循環(huán)曝氣在固定床生物膜反應(yīng)器中的應(yīng)用  

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 26, 2019, Pages 28216-28227

《環(huán)境科學(xué)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(duì)固定床生物膜反應(yīng)器（FBBR）性能的影響。當(dāng)表觀上升流速（SAV）從0.16 cm/s降至0.08 cm/s時(shí)，反應(yīng)器溶解氧（DO）降至2.0 mg/L，生物膜內(nèi)缺氧微環(huán)境所需深度從902.3 μm減少至525.9 μm，促進(jìn)了反硝化菌生長和總氮（TN）去除效率。但低曝氣強(qiáng)度導(dǎo)致水力剪切應(yīng)力不足，生物膜結(jié)構(gòu)脆弱，運(yùn)行87天后發(fā)生大規(guī)模脫落和反應(yīng)器惡化。提出末端氣體再循環(huán)曝氣策略，可單獨(dú)控制DO和曝氣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低DO和高曝氣強(qiáng)度，同時(shí)增強(qiáng)反硝化菌（如Flavobacterium sp.、Pseudorhodobacter sp.和Dok59 sp.）和EPS產(chǎn)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(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu)。  

 

研究目的  

本研究旨在通過末端氣體再循環(huán)曝氣策略，分別操縱反應(yīng)器溶解氧（DO）和曝氣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低DO和高曝氣強(qiáng)度的組合，以增強(qiáng)脫氮效率、生物膜穩(wěn)定性，并分析生物膜內(nèi)DO分布和微生物群落機(jī)制。  

 

研究思路  

研究設(shè)置三個(gè)反應(yīng)器：R1（低SAV低DO）、R2（高SAV高DO）和R3（末端氣體再循環(huán)，中DO高曝氣）。通過比較污染物去除效率、生物膜強(qiáng)度、DO分布、水力剪切應(yīng)力和微生物群落，評(píng)估不同曝氣策略的效果。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析水力剪切應(yīng)力，并通過高通量測序分析微生物群落結(jié)構(gòu)。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 污染物去除效率數(shù)據(jù)（COD、NH4-N、TN），來自正文結(jié)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(huán)策略在低DO下有效促進(jìn)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(qiáng)度和EPS含量數(shù)據(jù)，來自超聲處理完整性系數(shù)（IC）和化學(xué)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(qiáng)度增強(qiáng)生物膜機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少脫落風(fēng)險(xiǎn)。  

3 DO分布數(shù)據(jù)，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(huán)境，促進(jìn)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(yīng)力數(shù)據(jù)，CFD模擬結(jié)果，來自Fig.5。研究意義：高曝氣強(qiáng)度（SAV=0.16 cm/s）下總水力剪切應(yīng)力是低曝氣強(qiáng)度（SAV=0.08 cm/s）的1.88倍，增強(qiáng)生物膜密實(shí)度和EPS分泌，但需與低DO結(jié)合以避免好氧條件抑制反硝化。  

 

5 微生物群落數(shù)據(jù)，高通量測序結(jié)果，來自Fig.6。研究意義：R3中反硝化菌（Flavobacterium sp.等）和EPS產(chǎn)生菌（Zoogloea sp.等）豐度高，證實(shí)末端氣體再循環(huán)優(yōu)化微生物群落功能分層，支持同步硝化反硝化（SND）。  

 

結(jié)論  

1 末端氣體再循環(huán)曝氣策略可單獨(dú)控制DO和曝氣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低DO（2.09 mg/L）和高曝氣強(qiáng)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(jìn)生物膜內(nèi)缺氧微環(huán)境形成，增強(qiáng)反硝化菌代謝；高曝氣強(qiáng)度增加水力剪切應(yīng)力，刺激EPS產(chǎn)生菌和絲狀菌生長，強(qiáng)化生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shí)降低生物膜脫落風(fēng)險(xiǎn)，具有工程應(yīng)用潛力。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（型號(hào)OX10-16076，尖端直徑20 μm）測量生物膜內(nèi)的溶解氧（DO）分布。研究意義在于：該電極提供高分辨率（步進(jìn)50 μm）的實(shí)時(shí)DO監(jiān)測，精確揭示生物膜從表層到深層的氧氣梯度變化。數(shù)據(jù)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(qū)，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(huán)境。這些測量結(jié)果量化了DO對(duì)生物膜功能分層的影響，證實(shí)末端氣體再循環(huán)策略通過控制DO優(yōu)化了微生物空間分布，為曝氣策略設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。Unisense電極的高精度數(shù)據(jù)確保了實(shí)驗(yàn)可靠性，幫助驗(yàn)證了低DO與高曝氣強(qiáng)度結(jié)合的技術(shù)可行性。