背景介紹:對于生活污水的生物處理，活性污泥系統(tǒng)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(zhì)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(zhuǎn)移效率。如果曝氣條件能夠滿足微生物生長和出水水質(zhì)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(tǒng)不僅實現(xiàn)了節(jié)能，而且增加了氧氣轉(zhuǎn)移并促進了同步硝化和反硝化。先前的研究表明，該系統(tǒng)在較低DO水平下運行時可以實現(xiàn)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(tǒng)允許的最小DO的結(jié)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(xiàn)節(jié)能降耗具有重要意義。微電極技術(shù)是一種新興的監(jiān)測技術(shù)，可以在不破壞測試樣品的情況下獲得絮體內(nèi)部微環(huán)境特征參數(shù)的分布曲線。該方法可以從新的角度探索活性污泥微環(huán)境調(diào)控的變化，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，實時表征污泥絮體內(nèi)部物質(zhì)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(shù)研究了不同操作條件下活性污泥絮體的微傳質(zhì)規(guī)律，計算了氧擴散系數(shù)和擴散阻力。然后結(jié)合活性污泥模型，獲得與外部環(huán)境和絮體特性相關(guān)的臨界氧轉(zhuǎn)移的動態(tài)校正模型。然后通過MATLAB軟件獲得特定條件下絮體內(nèi)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(yōu)化策略，指導污水處理廠的運行，為后續(xù)優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支持曝氣過程。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

本論文研究使用制備性能優(yōu)良unisense微電極創(chuàng)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(nèi)部的傳質(zhì)調(diào)節(jié)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(chǔ)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(guān)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(shù)監(jiān)測活性污泥中的絮凝物?；钚晕勰嘈躞w懸浮在固定在上流式有機玻璃反應器中的尼龍網(wǎng)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(shù)據(jù)通過記錄軟件（Unisense Piocammeter PA2000，丹麥）記錄在計算機中。

實驗結(jié)果

液相中溶解氧濃度和活性污泥絮體結(jié)構(gòu)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(qū)域溶解氧濃度的衰減值越大。銨態(tài)氮在絮體中的分布與溶解氧的分布相似。從傳質(zhì)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(jié)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(tǒng)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(zhì)以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

圖1、離子選擇性液膜微電極結(jié)構(gòu)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(nèi)參電極；5.內(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)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(jù)實圖中的驗數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)移驅(qū)動力越小，氧越難擴散到絮凝體內(nèi)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(guī)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(nèi)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(guān)鍵因素。

結(jié)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(shù)是一種新興的監(jiān)測技術(shù)，可以在不破壞測試樣品的情況下獲得絮體內(nèi)部微環(huán)境特征參數(shù)的分布曲線。該方法可以從新的角度探索活性污泥微環(huán)境調(diào)控的變化，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，實時表征污泥絮體內(nèi)部物質(zhì)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(jīng)報道了通過模型模擬或微電極技術(shù)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(shù)研究了不同操作條件下活性污泥絮體的微傳質(zhì)規(guī)律，計算了氧擴散系數(shù)和擴散阻力。然后結(jié)合活性污泥模型，獲得與外部環(huán)境和絮體特性相關(guān)的臨界氧轉(zhuǎn)移的動態(tài)校正模型。然后通過MATLAB軟件獲得特定條件下絮體內(nèi)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(yōu)化策略，指導污水處理廠的運行，為后續(xù)優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支持曝氣過程。