Biofilm characterization and dynamic simulation of advanced rope media reactor for the treatment of primary effluent

先進(jìn)繩狀介質(zhì)反應(yīng)器處理初級出水的生物膜特性及動態(tài)模擬

來源：Water Environ Res. 2024;96:e11150.

 

摘要內(nèi)容

 

論文摘要指出：

 

生物膜建模復(fù)雜性：傳統(tǒng)模型依賴默認(rèn)參數(shù)（邊界層厚度、生物膜密度、脫落速率等），缺乏針對繩狀載體（BioCord）的研究。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

邊界層厚度是預(yù)測出水氨氮和硝酸鹽濃度的最敏感參數(shù)（影響傳質(zhì)效率）。

生物膜密度是預(yù)測出水COD的最敏感參數(shù)（影響有機(jī)物降解效率）。

校準(zhǔn)后的模型能準(zhǔn)確預(yù)測連續(xù)曝氣反應(yīng)器（R1）的氨氮和溶解氧（DO），但對間歇曝氣反應(yīng)器（R2）預(yù)測效果差。

創(chuàng)新點(diǎn)：首次對繩狀生物膜載體（BioCord）進(jìn)行系統(tǒng)表征與動態(tài)模擬。

 

研究目的

 

填補(bǔ)研究空白：繩狀生物膜載體（BioCord）此前缺乏建模研究（傳統(tǒng)研究集中于塑料/海綿載體）。

開發(fā)校準(zhǔn)模型：通過實(shí)驗測定生物膜參數(shù)（厚度、密度、邊界層等），建立針對BioCord反應(yīng)器的動態(tài)模型。

優(yōu)化脫氮除碳：識別敏感參數(shù)以指導(dǎo)工藝優(yōu)化（如曝氣策略、載體設(shè)計）。

 

研究思路

 

實(shí)驗設(shè)計：

小試反應(yīng)器：兩組并聯(lián)反應(yīng)器（R1連續(xù)曝氣、R2間歇曝氣），處理初級出水，運(yùn)行90天。

中試驗證：使用實(shí)際BioCord中試系統(tǒng)（Reactor C）數(shù)據(jù)驗證模型。

數(shù)據(jù)采集：

生物膜特性：厚度、密度、邊界層（實(shí)驗測定）。

水質(zhì)參數(shù)：NH?-N、NO?-N、COD、DO等（定期監(jiān)測）。

溶解氧剖面：Unisense微電極測量生物膜內(nèi)DO分布。

模型構(gòu)建：

基于GPS-X軟件，選用MABR模塊模擬BioCord反應(yīng)器。

校準(zhǔn)參數(shù)：邊界層、生物膜密度、脫落速率等（表4）。

 

敏感性分析：評估參數(shù)對出水指標(biāo)的敏感度（公式1）。

 

 

測量數(shù)據(jù)及其意義

1. 生物膜特性數(shù)據(jù)（表1）

 

參數(shù) R1（連續(xù)曝氣） R2（間歇曝氣） 研究意義

生物膜厚度 77 ± 10 μm 173 ± 43 μm 曝氣方式影響生物膜結(jié)構(gòu)：連續(xù)曝氣導(dǎo)致更薄生物膜（沖刷效應(yīng)），利于傳質(zhì)（圖11）。

生物膜密度 20 ± 3 g TS/m2 33 ± 8 g TS/m2 密度影響COD降解效率（高密度生物膜對COD去除更敏感）。

邊界層厚度 490 ± 57 μm 805 ± 148 μm 關(guān)鍵參數(shù)：影響基質(zhì)（如O?、NH?-N）擴(kuò)散速率，決定脫氮效率（表3）。

2. 水質(zhì)數(shù)據(jù)（圖8-10）

3. 

參數(shù) 意義

NH?-N去除率（圖8） R1達(dá)96.7%（連續(xù)曝氣），R2僅61.8%（間歇曝氣）→ 連續(xù)曝氣顯著提升硝化效率。

NO?-N濃度（圖9） R1的NO?-N積累更高（硝化完全），R2因間歇曝氣部分反硝化。

COD去除率（表1） R1與R2均達(dá)73% → 生物膜密度是COD預(yù)測敏感參數(shù)（與厚度無關(guān)）。

 

 

 

 

3. Unisense電極數(shù)據(jù)（圖11）

 

測量方法：丹麥Unisense微電極（步進(jìn)精度20μm）測定生物膜內(nèi)DO梯度。

關(guān)鍵結(jié)果：

R1邊界層?。?90μm），DO從7.4 mg/L快速降至0（傳質(zhì)高效）。

R2邊界層厚（805μm），DO梯度平緩（傳質(zhì)受限）。

研究意義：

首次量化繩狀載體邊界層：揭示曝氣方式對傳質(zhì)效率的影響機(jī)制。

解釋脫氮差異：R2因邊界層厚導(dǎo)致氧/氨擴(kuò)散受阻，硝化率僅為R1的67.5%（表1）。

校準(zhǔn)模型關(guān)鍵輸入：邊界層數(shù)據(jù)直接用于模型參數(shù)校準(zhǔn)（表4），提升預(yù)測準(zhǔn)確性。

 

結(jié)論

 

敏感參數(shù)排序（表3）：

氨氮/硝酸鹽預(yù)測：邊界層厚度 > 生物膜密度 > 厚度。

COD預(yù)測：生物膜密度最敏感。

脫落速率影響最小。

模型有效性：

對連續(xù)曝氣反應(yīng)器（R1）預(yù)測精準(zhǔn)（NH?-N RMSE=0.95 mg/L）。

對間歇曝氣反應(yīng)器（R2）預(yù)測失敗 → 需結(jié)合PCA等新方法改進(jìn)SND（同步硝化反硝化）模型。

工程意義：

優(yōu)化繩狀載體設(shè)計需優(yōu)先控制邊界層厚度（如增強(qiáng)水力剪切）。

連續(xù)曝氣更適合BioCord脫氮，但需平衡能耗。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

技術(shù)優(yōu)勢：微電極直接測定生物膜內(nèi)部DO梯度（空間分辨率20μm），避免傳統(tǒng)方法（如切片）的破壞性誤差。

核心發(fā)現(xiàn)：

邊界層厚度（L）是氧傳質(zhì)的主要阻力（圖11雙箭頭所示），R2的L比R1高64%（805μm vs. 490μm），導(dǎo)致其硝化率降低。

DO剖面顯示R2在曝氣關(guān)閉期出現(xiàn)缺氧區(qū)（DO≈4 mg/L），但未有效觸發(fā)反硝化（TN去除率僅12.4%），曝氣策略需優(yōu)化。

理論價值：

驗證了邊界層理論在繩狀載體中的適用性，補(bǔ)充了表2中MBBR/滴濾池等載體的對比數(shù)據(jù)。

為擴(kuò)散-反應(yīng)模型提供關(guān)鍵邊界條件，解釋生物膜內(nèi)反應(yīng)速率分布。

應(yīng)用指導(dǎo)：Unisense數(shù)據(jù)證明曝氣控制需兼顧邊界層調(diào)控（如通過增加流速），為節(jié)能優(yōu)化提供依據(jù)。

 

總結(jié)：本研究通過實(shí)驗表征+動態(tài)模擬，首次建立繩狀生物膜載體（BioCord）的校準(zhǔn)模型，明確邊界層厚度是脫氮關(guān)鍵敏感參數(shù)，并為間歇曝氣工藝優(yōu)化指明方向。Unisense微電極數(shù)據(jù)為核心突破，揭示了傳質(zhì)限制機(jī)制。