A novel insight into energy conservation and efficiency enhancement in wastewater treatment process: Low-frequency mechanical vibration induced  

污水處理過程中節能與效率提升的新視角：低頻機械振動誘導作用  

來源：Journal of Water Process Engineering, Volume 52, 2023, Article 103492  

《水處理工程雜志》第52卷，2023年，文章編號103492  

 

摘要內容  

該研究首次提出通過低頻機械振動（LFMVs）提升污水處理系統氧傳遞效率與微生物活性的創新策略。在低溶解氧（DO）條件下運行兩組厭氧/好氧（A/O）反應器，發現40 Hz振動可顯著提升污染物去除率（總氮去除率提高至81.78%）。通過Unisense微電極平臺證實，40 Hz振動使氣-液氧傳遞系數提升145.19%，液-固氧擴散系數提高75.2%。污泥絮體分形維數、粒徑及Zeta電位分析表明，振動通過增加吸附位點和傳質通道強化氧傳遞。同時，振動提高了氮代謝相關酶活性（如氨單加氧酶活性提升87.83%）和電子傳遞系統活性，但未顯著改變微生物群落結構。該技術為污水處理節能降耗提供了新路徑。  

 

研究目的  

探究低頻機械振動（LFMVs）對低溶解氧條件下污水處理效率的影響  

 

揭示LFMVs提升氧傳遞效率的物理機制（氣-液-固三相）  

 

解析LFMVs對微生物代謝活性及酶活性的調控作用  

 

評估LFMVs技術的工程應用潛力  

 

研究思路  

反應器構建：運行兩組平行A/O反應器（Z0對照組，Z1振動組），在低DO（1.5±0.3 mg/L）條件下施加不同頻率振動（0/10/20/40/60 Hz）  

 

傳質效率測試：采用Unisense DO微電極（DO-50型）測量氣-液傳質系數（KLa）和液-固擴散系數（Dapp）（圖2）  

 

 

污泥特性分析：測定絮體分形維數（表1）、粒徑分布（表1）、Zeta電位（表1）及胞外聚合物（EPS）組成（表2）  

 

 

生物活性評估：檢測比代謝速率（SOUR/SAOR等）（圖3）、氮代謝酶活性（NR/AMO等）（圖4）及電子傳遞活性（ETSA）（圖4F）  

 

 

微生物群落分析：高通量測序比較振動前后菌群結構變化

 

測量數據及研究意義  

污染物去除數據（圖1）  

 

數據：40 Hz振動下總氮去除率達81.78%（較對照組提高16.74%），亞硝酸鹽積累量降低2-3倍  

 

意義：證實LFMVs可顯著提升低DO系統的脫氮效率，解決傳統工藝因氧傳遞限制導致的亞硝酸鹽積累問題  

 

來源：圖1A（TN濃度），圖1B（NO??-N濃度）  

氧傳遞動力學數據（圖2）  

 

數據：40 Hz振動下KLa提高144.44%（0.66 min?1），Dapp增加75.2%  

 

意義：量化振動對三相傳質的強化效果，揭示振動頻率與傳質效率的非線性關系（40 Hz為最優頻率）  

 

來源：圖2B（KLa曲線），圖2D（Dapp曲線）  

污泥物理特性數據（表1）  

 

數據：40 Hz振動下絮體分形維數降至1.23（粗糙度↑），平均粒徑減小33.38%（134.77 μm），Zeta電位降至-18.8 mV  

 

意義：解釋傳質強化機制——粗糙表面與更小粒徑增加傳質通道，高負電荷增強污染物吸附  

 

來源：表1A（分形維數），表1B（粒徑），表1C（Zeta電位）  

微生物代謝數據（圖3-4）  

 

數據：40 Hz振動下AMO酶活性提升87.83%，SAOR提高87.83%，ETSA峰值增加67.12%  

 

意義：證明振動通過改善氧傳遞間接激活微生物代謝，而非直接改變菌群結構  

 

來源：圖3A（SAOR），圖4D（AMO活性），圖4F（ETSA）  

 

丹麥Unisense電極數據的核心意義  

使用Unisense DO微電極（DO-50型，50 μm尖端）實現：  

原位動態監測：實時記錄氣-液界面DO飽和過程（圖2A）和絮體內部氧擴散曲線（圖2C），捕捉毫秒級傳質動態  

 

傳質系數精準計算：通過ln(C*-C)~t線性擬合（圖2B）和擴散模型分別計算KLa和Dapp，避免傳統方法誤差  

 

微尺度機制解析：直接證實振動通過減小氣泡尺寸（氣-液相）和降低絮體氧擴散阻力（液-固相）提升傳質效率  

 

工藝優化依據：明確40 Hz為最佳振動頻率，為工程應用提供關鍵參數  

 

結論  

傳質強化機制：LFMVs通過增加絮體表面粗糙度（分形維數↓）、減小粒徑（比表面積↑）和增強表面負電性（Zeta電位↓），顯著降低氧傳遞阻力  

 

生物活性提升：改善的氧傳遞效率激活氮代謝酶（AMO/NR等）和電子傳遞鏈（ETSA↑），使SAOR提高87.83%，脫氮效率達81.78%  

 

頻率依賴性：40 Hz為最優頻率，過高（60 Hz）或過低（<20 Hz）振動均降低強化效果  

 

工程應用價值：LFMVs技術可在不改變微生物群落的前提下，實現低DO條件下的高效脫氮，降低曝氣能耗50-80%