研究簡介:好氧顆粒污泥被認為是最有前途的廢水生物處理方法之一。它在緊密的微生物結構、沉降能力、生物量保持、允許在單個顆粒。但大顆粒的過度生長會削弱顆粒的穩定性，導致反應器失效，限制了該方法的應用。顆粒污泥中的極限氧濃度有利于厭氧微生物的形成微生物，其通過產生酸性產物來降低pH。水力剪切力通過增強顆粒表面的沖蝕和剝離作用，是控制顆粒長大的有效途徑。水力剪切應力的強度通常通過更強的曝氣強度或更高的高度與直徑比（H/D）。然而高H/D比不能用于全規模工廠，而提高曝氣強度會導致額外的運行成本。此外，強的水力剪切應力導致較小的粒度分布，導致SND效果和TN去除效率不足。從反應器性能和穩定性兩方面考慮，優化顆粒粒徑的策略值得研究。以往的研究表明，微生物選擇壓可以提高好氧顆粒污泥的穩定性。縮短污泥停留時間（SRT）可促進SBR中聚磷生物（PAOs）對絲狀菌的競爭優勢）。有研究人員通過去除SBR上部的生物量來抑制絲狀菌膨脹。乙酸鈉與琥珀酸混合用于平衡聚磷菌/糖原菌（PAOs/GAOs）的競爭。然而優化顆粒尺寸分布的有效策略仍是未知的。本研究采用高度可調進水策略，通過微生物選擇壓力優化顆粒粒徑分布，主要目的是：（1）通過氧傳質和顆粒強度分析確定顆粒的最佳粒徑范圍;（2）考察高度可調進水策略對顆粒粒徑分布的影響;（3微生物群落結構，和iii）探索選擇性壓力對尺寸優化和顆粒穩定性的機制。

Unisense微電極系統的應用

采用微電極剖面系統測定好氧顆粒污泥中的溶解氧濃度。微電極剖面系統是由微電極（OX 10-16，076，Unisense，丹麥）和皮安計組成。微電極法測定顆粒污泥中的溶解氧濃度是在好氧階段結束時進行的。

實驗結果

優化顆粒粒徑分布是反應器運行的關鍵。R2中顆粒的不受控制的生長導致絲狀菌膨脹，反應器在運行73天后惡化。推測強烈的剪切應力侵蝕了顆粒的外層，使反應器的性能下降。黃桿菌屬的暴露，這降低了黃桿菌屬的相對豐度。進水高度可調有利于PHB在最佳粒徑范圍內的儲存，限制了顆粒的過度生長，使87.51%的顆粒處于最佳粒徑范圍內，提高了顆粒的去除率污染物去除效率和反應器穩定性。

圖1、展示實驗條件和子實驗相互關系的概念圖。(a)不定根形成的表型作為對部分淹沒的反應和目標基因型的選擇。(b)nil12的解剖和生理特征。(c)基因表達對存在或不存在機械阻抗的響應。(d)數據類型、目標組織和數據表示。AR=不定根;NIL=近等基因系。

圖2、污水處理反應器運行30天后，有碳源（a、c和e）和無碳源（b、d和f）的R3顆粒內部的DO分布和缺氧區。*紅區為高DO區，藍區為低DO區，缺氧區（DO〈0.3mg·L-1）為低DO區?1）被粉紅色曲線包圍。結果表明，由于顆粒污泥內部孔道和孔隙結構的影響，DO在顆粒污泥中呈明顯的非各向同性分布。

圖3、三個污水處理反應器反應器運行53天(a)和166天(b)后運行周期的溶氧剖面圖。

圖4、污水處理反應器運行30天后，R3污泥顆粒中直徑為1500-2000μm（a）、2000-2500μm（B）、2500-3000μm（c）和3000-3500μm（d）的顆粒的水力剪切應力試驗。2300 s后?1在水力剪切力作用下，粒徑為1500-2000μm、2000-2500μm和2500-3000μm的顆粒分布峰略有左移，粒徑分布無明顯變化。而在高水力剪切力下，粒徑小于3000μm的顆粒保持完整，表明顆粒強度相對較強。

圖5、進水期間（第60天）R3污泥層中COD和PHB的動力學。進水期間，進水附近COD濃度迅速上升，而遠離進水處的COD濃度由于擴散阻力的影響略有上升。

結論與展望

顆粒粒徑分布的優化對反應器的性能和穩定性都至關重要，在本研究中研究人員基于DO約8.0mg/L時形成的顆粒，從傳質和顆粒穩定性的角度提出了1800~3000μm的最佳粒徑范圍。在進水COD：N：P=100：5：1的條件下，采用可調節進水高度的進水策略，通過微生物選擇壓力使顆粒污泥在最佳粒徑范圍內儲存營養鹽。結果表明，水力剪切力不足會導致顆粒污泥的過度生長，高豐度的絲狀菌（硫絲菌屬在較大顆粒污泥中發現了大量的硝化反硝化細菌，這些細菌會脫落并影響剩余顆粒污泥，導致嚴重的污泥膨脹;在較大的水力剪切力作用下，顆粒污泥的失控生長受到抑制，但同時硝化反硝化細菌的數量較少（SND）細菌，這導致不利的SND效應和總氮高度可調進水策略促進了聚-β-羥基丁酸酯的去除（PHB）在最佳粒徑范圍內儲存顆粒，同時限制顆粒尺寸的過度生長。此外，超過87.51%的總顆粒位于最佳粒徑范圍內。SND菌群數量增加，TN去除率提高。