Oxygen transfer dynamics and activated sludge floc structure under different sludge retention times at low dissolved oxygen concentrations

不同污泥停留時(shí)間下低溶解氧濃度的氧傳遞動(dòng)力學(xué)和活性污泥絮體結(jié)構(gòu)

來(lái)源：Chemosphere, Volume 169, 2017, Pages 586-595

《化學(xué)圈》，第169卷，2017年，頁(yè)碼586-595

 

摘要

這篇論文研究了在低溶解氧條件下，不同污泥停留時(shí)間對(duì)活性污泥系統(tǒng)氧傳遞動(dòng)力學(xué)和絮體結(jié)構(gòu)的影響。摘要指出，通過(guò)微電極技術(shù)分析氧擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)污泥停留時(shí)間能改善處理能力和沉降性能，歸因于較小的絮體尺寸和較少的細(xì)胞外聚合物，從而提高氧擴(kuò)散性能。長(zhǎng)污泥停留時(shí)間可緩解低溶解氧的不利影響。

 

研究目的

研究目的是探討低溶解氧條件下污泥停留時(shí)間對(duì)氧傳遞、污泥特性及營(yíng)養(yǎng)物去除效率的影響，以?xún)?yōu)化污水處理廠的能耗和運(yùn)行性能。

 

研究思路

研究思路通過(guò)運(yùn)行四個(gè)不同污泥停留時(shí)間的活性污泥反應(yīng)器，在低溶解氧條件下操作，使用微電極測(cè)量絮體內(nèi)部氧濃度剖面，結(jié)合細(xì)胞外聚合物分析、絮體尺寸分布、分形維數(shù)測(cè)定和沉降性能評(píng)估，綜合研究污泥停留時(shí)間的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 COD和銨氮去除效率數(shù)據(jù)：測(cè)量了不同污泥停留時(shí)間下化學(xué)需氧量和銨氮的進(jìn)出水濃度及去除率，來(lái)自圖2和表1a、1b。研究意義是長(zhǎng)污泥停留時(shí)間在低溶解氧下仍能維持高去除率（化學(xué)需氧量≥90%，銨氮≥80%），顯示長(zhǎng)污泥停留時(shí)間可補(bǔ)償?shù)腿芙庋鯇?duì)硝化的抑制，為優(yōu)化曝氣提供依據(jù)。

 

 

2 細(xì)胞外聚合物組成數(shù)據(jù)：分析了不同污泥停留時(shí)間下單位污泥的細(xì)胞外聚合物、蛋白質(zhì)、多糖和脫氧核糖核酸含量，來(lái)自表2。研究意義是長(zhǎng)污泥停留時(shí)間單位污泥細(xì)胞外聚合物減少（從0.289 mg/mg混合液懸浮固體降至0.101 mg/mg混合液懸浮固體），降低氧傳質(zhì)阻力，改善氧擴(kuò)散效率。

 

3 絮體尺寸分布數(shù)據(jù)：測(cè)量了絮體尺寸的體積分布和平均直徑，來(lái)自圖4。研究意義是長(zhǎng)污泥停留時(shí)間絮體尺寸減小（模式尺寸從631.0μm降至182.0μm），有利于氧滲透到絮體核心，減少缺氧區(qū)。

 

4 氧濃度微剖面數(shù)據(jù)：使用微電極測(cè)量絮體內(nèi)部溶解氧濃度空間分布，來(lái)自圖3。研究意義是直接顯示氧梯度，長(zhǎng)污泥停留時(shí)間絮體氧消耗更均勻（氧擴(kuò)散率從0.0023增至0.0032 mg/μm·L），揭示絮體結(jié)構(gòu)對(duì)氧傳質(zhì)的影響。

 

5 分形維數(shù)和污泥體積指數(shù)數(shù)據(jù)：計(jì)算了絮體分形維數(shù)和測(cè)量了污泥體積指數(shù)，來(lái)自圖6。研究意義是長(zhǎng)污泥停留時(shí)間絮體更緊密規(guī)則（分形維數(shù)從1.23增至1.30），沉降性能改善（污泥體積指數(shù)從548.2 mL/g降至167.7 mL/g），關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)與沉降能力。

 

 

結(jié)論

長(zhǎng)污泥停留時(shí)間能緩解低溶解氧條件的不利影響，通過(guò)減少絮體尺寸和細(xì)胞外聚合物，提高氧擴(kuò)散效率和沉降性能，改善營(yíng)養(yǎng)物去除。長(zhǎng)污泥停留時(shí)間系統(tǒng)對(duì)低溶解氧不敏感，有利于節(jié)能運(yùn)行。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于實(shí)現(xiàn)了絮體內(nèi)部氧濃度的高空間分辨率原位監(jiān)測(cè)，能夠精確捕捉氧擴(kuò)散的微觀動(dòng)力學(xué)。微電極系統(tǒng)具有微小尖端（10μm）和高響應(yīng)速度，可測(cè)量絮體不同深度的氧濃度梯度（如圖3所示），量化氧擴(kuò)散率。這直接揭示了絮體結(jié)構(gòu)（如尺寸和細(xì)胞外聚合物含量）對(duì)氧傳質(zhì)的影響，例如顯示長(zhǎng)污泥停留時(shí)間絮體氧消耗更均勻，擴(kuò)散率更高。這種微觀視角彌補(bǔ)了宏觀測(cè)量的不足，為理解氧傳遞機(jī)制和優(yōu)化曝氣策略提供了關(guān)鍵證據(jù)，最終支持低能耗污水處理工藝的設(shè)計(jì)。