背景介紹:對于生活污水的生物處理，活性污泥系統是最有效的方法之一，其中曝氣是活性污泥過程中最重要但最耗能的部分，曝氣過程可為微生物代謝和基質降解提供氧氣，促進活性污泥與廢水的充分混合。曝氣程度取決于實際需氧量和氧氣轉移效率。如果曝氣條件能夠滿足微生物生長和出水水質的要求，曝氣池可以在較低的溶解氧水平下運行。在較低溶解氧水平下運行的系統不僅實現了節能，而且增加了氧氣轉移并促進了同步硝化和反硝化。先前的研究表明，該系統在較低DO水平下運行時可以實現更好的有機物和氨氮（NH4+-N）去除效果。然而這些研究選擇了不同的反應器和（低）DO值，并且研究沒有明確指出廢水處理系統允許的最小DO的結論。因此確定曝氣池在不同條件下的臨界溶解氧（DOc）濃度對于實現節能降耗具有重要意義。微電極技術是一種新興的監測技術，可以在不破壞測試樣品的情況下獲得絮體內部微環境特征參數的分布曲線。該方法可以從新的角度探索活性污泥微環境調控的變化，可以實現在線監測，實時表征污泥絮體內部物質的分布情況。

本研究以不同反應器中的活性污泥絮體為研究對象，利用微電極技術研究了不同操作條件下活性污泥絮體的微傳質規律，計算了氧擴散系數和擴散阻力。然后結合活性污泥模型，獲得與外部環境和絮體特性相關的臨界氧轉移的動態校正模型。然后通過MATLAB軟件獲得特定條件下絮體內部可充分擴散的臨界溶解氧濃度，提出基于溶解氧理論的曝氣優化策略，指導污水處理廠的運行，為后續優化提供理論和數據支持曝氣過程。

Unisense微電極系統的應用

本論文研究使用制備性能優良unisense微電極創造實驗條件，確定微電極的檢測方法，選擇性能好的電極進行活性污泥絮體內部的傳質調節實驗。由于unisense微電極用于測試小絮狀物，在保證良好空間分辨率的基礎上，確定電極尖端直徑為10-20μm。選定的指標包括氧（DO）、氨離子（NH4+）和硝酸根離子（NO 3-）。它們都是反映活性污泥絮體反硝化特性的關鍵指標。本研究中，研究人員使用的微電極為Clark型微電極（Unisense Piocammeter PA2000，丹麥），選擇單通道微電極模式。本研究中選擇實驗室反應器中不同污泥停留時間（SRT）條件下不同粒徑的絮凝體進行檢測。DO、NH4+和NO3-的濃度分布通過微電極技術監測活性污泥中的絮凝物。活性污泥絮體懸浮在固定在上流式有機玻璃反應器中的尼龍網中。為了將微電極準確地插入絮凝體中，使用帶有填充光的立體顯微鏡進行觀察。選用奧林巴斯SZX16立體顯微鏡，放大100倍，準確觀察微電極尖端與絮體表面的接觸情況。微電極由3D微動平臺（Unisense）固定，測試最小步進由微動平臺的微電機控制到10μm。測量數據通過記錄軟件（Unisense Piocammeter PA2000，丹麥）記錄在計算機中。

實驗結果

液相中溶解氧濃度和活性污泥絮體結構對溶解氧在絮體中的分布特性有明顯影響。絮凝體的粒徑越大，液相中的溶解氧越低，絮凝體中心區域溶解氧濃度的衰減值越大。銨態氮在絮體中的分布與溶解氧的分布相似。從傳質的角度看，氧比銨濃度更可能是硝化反應的限制因素。擴散反應絮團模型計算結果表明，在典型廢水（COD=300 mg/L，NH 4+-N=30 mg/L）和污泥粒徑（400μm）條件下，臨界溶解氧濃度液相為0.3mg/L，絮體中心溶解氧濃度為0mg/L。通過DOc系統的長期運行，可以提高活性污泥的OUR，既保證了更高的污染物去除效率，又促進了曝氣池DO值的降低，改善了氧傳質以實現節能降耗。

圖1、離子選擇性液膜微電極結構示意圖。（1.硅烷化后的電極頭；2.毛細玻璃管（外徑1.5-1.6毫米，長度100毫米）；3.AB塑料頭；4.銀/氯化銀內參電極；5.內參液；和6.離子選擇性液膜）。

圖2、活性污泥絮體中的溶解氧分布。從圖中可以看出選擇活性污泥樣品，在清水條件下研究粒徑對氧傳質的影響。通過用微電極測量單個絮體，DO濃度隨著絮體的測量深度顯示出“凹”趨勢，表明DO不斷被絮體中的氧氣轉移衰減和消耗。這種衰減部分是由于微生物的呼吸作用，部分是由于擴散阻力引起的傳質損失。溶解氧濃度以絮體中心為對稱點對稱分布。當微電極穿透絮狀物時，溶解氧濃度恢復到與液相一致。

圖3、不同粒徑和溶解氧濃度絮體的內溶解氧衰減值。當選取不同粒徑（40、60、80、100、120、180、200μm）的活性污泥絮體樣品（SRT=10 d），研究不同液體下DO濃度的衰減情況-階段條件。根據實圖中的驗數據，DO濃度的衰減隨著液相中DO濃度的降低而增加。其主要原因是液相中溶解氧濃度越低，氧轉移驅動力越小，氧越難擴散到絮凝體內部。此外，在較高的溶解氧條件下，溶解氧很容易穿透絮體，氧的擴散基本不受限制。還表明溶解氧濃度的衰減隨著污泥粒徑的增加而增加。

圖4、不同粒徑條件(A)和不同外部NH4+-N濃度(B)下絮體中NH4+-N的變化規律。如圖A所示，隨著粒徑的增大，NH4+的衰減值逐漸增大。當粒徑約為150μm時，NH4+-N的衰減值約為1.5 mg/L。當粒徑減小80μm時，NH4+-N的衰減值約為0.7 mg/L。

圖5、氨氮和溶解氧在絮體內部的分布比較。如圖所示，當絮體粒徑約為150μm時，絮體中NH4+的衰減小于DO。因此，與NH4+相比，DO更有可能是限制硝化反應的關鍵因素。

結論與展望

廢水處理廠(WWTP)中的過度曝氣將導致能源浪費。大量研究表明，控制污水處理廠的低溶解氧（DO）運行，不僅能取得可觀的污水處理效果，還能減少能源浪費。微電極技術是一種新興的監測技術，可以在不破壞測試樣品的情況下獲得絮體內部微環境特征參數的分布曲線。該方法可以從新的角度探索活性污泥微環境調控的變化，可以實現在線監測，實時表征污泥絮體內部物質的分布情況。目前，DO、pH、氧化還原電位（ORP）、SO42-和NH4+的分布特征已經報道了通過模型模擬或微電極技術確定的活性污泥聚集體。本研究以不同反應器中的活性污泥絮體為研究對象，利用微電極技術研究了不同操作條件下活性污泥絮體的微傳質規律，計算了氧擴散系數和擴散阻力。然后結合活性污泥模型，獲得與外部環境和絮體特性相關的臨界氧轉移的動態校正模型。然后通過MATLAB軟件獲得特定條件下絮體內部可充分擴散的臨界溶解氧濃度，提出基于溶解氧理論的曝氣優化策略，指導污水處理廠的運行，為后續優化提供理論和數據支持曝氣過程。