研究简介:好氧颗粒污泥被认为是最有前途的废水生物处理方法之一。它在紧密的微生物结构、沉降能力、生物量保持、允许在单个颗粒。但大颗粒的过度生长会削弱颗粒的稳定性，导致反应器失效，限制了该方法的应用。颗粒污泥中的极限氧浓度有利于厌氧微生物的形成微生物，其通过产生酸性产物来降低pH。水力剪切力通过增强颗粒表面的冲蚀和剥离作用，是控制颗粒长大的有效途径。水力剪切应力的强度通常通过更强的曝气强度或更高的高度与直径比（H/D）。然而高H/D比不能用于全规模工厂，而提高曝气强度会导致额外的运行成本。此外，强的水力剪切应力导致较小的粒度分布，导致SND效果和TN去除效率不足。从反应器性能和稳定性两方面考虑，优化颗粒粒径的策略值得研究。以往的研究表明，微生物选择压可以提高好氧颗粒污泥的稳定性。缩短污泥停留时间（SRT）可促进SBR中聚磷生物（PAOs）对丝状菌的竞争优势）。有研究人员通过去除SBR上部的生物量来抑制丝状菌膨胀。乙酸钠与琥珀酸混合用于平衡聚磷菌/糖原菌（PAOs/GAOs）的竞争。然而优化颗粒尺寸分布的有效策略仍是未知的。本研究采用高度可调进水策略，通过微生物选择压力优化颗粒粒径分布，主要目的是：（1）通过氧传质和颗粒强度分析确定颗粒的最佳粒径范围;（2）考察高度可调进水策略对颗粒粒径分布的影响;（3微生物群落结构，和iii）探索选择性压力对尺寸优化和颗粒稳定性的机制。


Unisense微电极系统的应用


采用微电极剖面系统测定好氧颗粒污泥中的溶解氧浓度。微电极剖面系统是由微电极（OX 10-16，076，Unisense，丹麦）和皮安计组成。微电极法测定颗粒污泥中的溶解氧浓度是在好氧阶段结束时进行的。


实验结果


优化颗粒粒径分布是反应器运行的关键。R2中颗粒的不受控制的生长导致丝状菌膨胀，反应器在运行73天后恶化。推测强烈的剪切应力侵蚀了颗粒的外层，使反应器的性能下降。黄杆菌属的暴露，这降低了黄杆菌属的相对丰度。进水高度可调有利于PHB在最佳粒径范围内的储存，限制了颗粒的过度生长，使87.51%的颗粒处于最佳粒径范围内，提高了颗粒的去除率污染物去除效率和反应器稳定性。

图1、展示实验条件和子实验相互关系的概念图。(a)不定根形成的表型作为对部分淹没的反应和目标基因型的选择。(b)nil12的解剖和生理特征。(c)基因表达对存在或不存在机械阻抗的响应。(d)数据类型、目标组织和数据表示。AR=不定根;NIL=近等基因系。


图2、污水处理反应器运行30天后，有碳源（a、c和e）和无碳源（b、d和f）的R3颗粒内部的DO分布和缺氧区。*红区为高DO区，蓝区为低DO区，缺氧区（DO〈0.3mg·L-1）为低DO区−1）被粉红色曲线包围。结果表明，由于颗粒污泥内部孔道和孔隙结构的影响，DO在颗粒污泥中呈明显的非各向同性分布。

图3、三个污水处理反应器反应器运行53天(a)和166天(b)后运行周期的溶氧剖面图。


图4、污水处理反应器运行30天后，R3污泥颗粒中直径为1500-2000μm（a）、2000-2500μm（B）、2500-3000μm（c）和3000-3500μm（d）的颗粒的水力剪切应力试验。2300 s后−1在水力剪切力作用下，粒径为1500-2000μm、2000-2500μm和2500-3000μm的颗粒分布峰略有左移，粒径分布无明显变化。而在高水力剪切力下，粒径小于3000μm的颗粒保持完整，表明颗粒强度相对较强。

图5、进水期间（第60天）R3污泥层中COD和PHB的动力学。进水期间，进水附近COD浓度迅速上升，而远离进水处的COD浓度由于扩散阻力的影响略有上升。




结论与展望


颗粒粒径分布的优化对反应器的性能和稳定性都至关重要，在本研究中研究人员基于DO约8.0mg/L时形成的颗粒，从传质和颗粒稳定性的角度提出了1800~3000μm的最佳粒径范围。在进水COD：N：P=100：5：1的条件下，采用可调节进水高度的进水策略，通过微生物选择压力使颗粒污泥在最佳粒径范围内储存营养盐。结果表明，水力剪切力不足会导致颗粒污泥的过度生长，高丰度的丝状菌（硫丝菌属在较大颗粒污泥中发现了大量的硝化反硝化细菌，这些细菌会脱落并影响剩余颗粒污泥，导致严重的污泥膨胀;在较大的水力剪切力作用下，颗粒污泥的失控生长受到抑制，但同时硝化反硝化细菌的数量较少（SND）细菌，这导致不利的SND效应和总氮高度可调进水策略促进了聚-β-羟基丁酸酯的去除（PHB）在最佳粒径范围内储存颗粒，同时限制颗粒尺寸的过度生长。此外，超过87.51%的总颗粒位于最佳粒径范围内。SND菌群数量增加，TN去除率提高。