Exploring the effects of intermittent aeration on the performance of nitrifying membrane-aerated biofilm reactors  

間歇曝氣對硝化膜曝氣生物膜反應(yīng)器性能影響的探索  

來源：Science of the Total Environment, Volume 891, 2023, Article 164329  

《總體環(huán)境科學(xué)》，第891卷，2023年，文章編號164329  

 

摘要內(nèi)容  

摘要指出，膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）在脫氮效率與氧傳遞效率（OTE）之間存在平衡問題。本研究通過對比連續(xù)曝氣（Rc）和間歇曝氣（Ri1：8小時周期，Ri2：0.5小時周期）的MABR運行模式，發(fā)現(xiàn)間歇曝氣能在低氧分壓（停曝期降至0.05 atm）下維持高硝化速率（2.6–2.8 gN m?2 d?1），且N?O排放量（占轉(zhuǎn)化氨氮的17–22%）不受曝氣模式影響。高頻間歇曝氣（Ri2）顯著提升藥物阿替洛爾的去除率，但對磺胺甲惡唑去除無影響。宏基因組分析表明，間歇曝氣富集了低氧適應(yīng)的Nitrosospira菌屬，并提高了微生物多樣性。  

 

研究目的  

解決MABR技術(shù)中硝化速率與氧傳遞效率的權(quán)衡問題，探索間歇曝氣對硝化性能、N?O排放及痕量有機(jī)物（TOrCs）去除的影響，為優(yōu)化MABR能效提供依據(jù)。  

 

研究思路  

實驗設(shè)計：三組實驗室規(guī)模平板MABR（Rc連續(xù)曝氣、Ri1低頻間歇曝氣[4小時開/4小時關(guān)]、Ri2高頻間歇曝氣[15分鐘開/15分鐘關(guān)]），進(jìn)水為無有機(jī)碳的合成污水（50 mg NH??-N L?1），添加9種痕量有機(jī)物（TOrCs）。  

 

長期運行監(jiān)測：持續(xù)385天，監(jiān)測硝化速率、氧分壓、N?O排放及TOrCs去除（圖1-2，表1）。  

 

 

 

 

批次實驗：評估TOrCs降解動力學(xué)（圖4，表2），并探究抑制劑（ATU）和缺氧條件對TOrCs去除的影響。  

 

 

微生物分析：通過16S rRNA測序解析生物膜群落結(jié)構(gòu)（圖5）。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：結(jié)合氧傳遞效率（OTE）計算與微生物數(shù)據(jù)，揭示間歇曝氣的優(yōu)化機(jī)制。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義  

硝化速率（NR）（圖2/表1）  

 

數(shù)據(jù)：Rc、Ri1、Ri2的NR分別為2.6、2.8、2.8 gN m?2 d?1。  

 

意義：證實間歇曝氣在停曝期氧分壓驟降（Ri1降至0.05 atm）下仍維持高硝化速率，突破OTE與NR的權(quán)衡限制。  

N?O排放通量（表1）  

 

數(shù)據(jù)：N?O排放占總轉(zhuǎn)化氨氮的17–22%，其中70%通過液相釋放。  

 

意義：停曝期N?O在膜內(nèi)積累，復(fù)曝后集中釋放，異養(yǎng)反硝化（內(nèi)源碳驅(qū)動）貢獻(xiàn)超50%排放量。  

TOrCs去除動力學(xué)（圖4/表2）  

 

數(shù)據(jù)：阿替洛爾生物降解速率常數(shù)（kbio）在Ri2最高（3.87 L gVSS?1 d?1），磺胺甲惡唑無差異。  

 

意義：高頻間歇曝氣提升阿替洛爾去除，異養(yǎng)菌主導(dǎo)降解而非硝化菌。  

微生物群落（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：間歇曝氣富集Nitrosospira（Ri2占AOB的33%），連續(xù)曝氣以Nitrosomonas europaea為主（34%）。  

 

意義：Nitrosospira的低氧適應(yīng)性支持停曝期的高效硝化，群落多樣性升高（Ri1/Ri2 > Rc）。  

氧傳遞效率（OTE）（計算值）  

 

數(shù)據(jù)：OTE僅0.2–0.4%（因高氣流量），但理論推算間歇曝氣可提至75%。  

 

意義：通過縮短曝氣時長（僅補(bǔ)充新鮮空氣），OTE和曝氣能效（gO? kWh?1）可倍增。  

 

丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)的意義  

研究中使用的Unisense N?O-R微電極（連接PA2000皮安計）實現(xiàn)液相N?O的高頻監(jiān)測（每60秒記錄）。其核心價值在于：  

高時空分辨率：捕捉停曝期N?O在膜內(nèi)積累動態(tài)，揭示70% N?O通過液相排放的關(guān)鍵機(jī)制（表1），挑戰(zhàn)“氣態(tài)主導(dǎo)排放”的傳統(tǒng)認(rèn)知。  

 

量化異養(yǎng)貢獻(xiàn)：結(jié)合抑制劑實驗（ATU抑制硝化），證實液相N?O峰值與異養(yǎng)反硝化相關(guān)（內(nèi)源碳驅(qū)動），非硝化菌主導(dǎo)。  

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：實時N?O數(shù)據(jù)指導(dǎo)曝氣周期設(shè)計（如Ri2高頻模式減少積累），為減排策略提供實證。  

 

結(jié)論  

氧傳遞效率突破：間歇曝氣使MABR在停曝期氧分壓降至0.05 atm時仍維持高硝化速率，OTE理論可提至75%（較傳統(tǒng)提2倍以上），顯著降低能耗。  

 

N?O排放機(jī)制：曝氣模式不影響總N?O排放量（占轉(zhuǎn)化氨氮17–22%），但70%通過液相釋放，異養(yǎng)反硝化（內(nèi)源碳驅(qū)動）為主要貢獻(xiàn)者。  

 

TOrCs去除選擇性：高頻間歇曝氣（Ri2）顯著提升阿替洛爾去除率（kbio提高109%），磺胺甲惡唑不受影響，異養(yǎng)菌主導(dǎo)降解。  

 

微生物適應(yīng)性：間歇曝氣富集低氧適應(yīng)菌屬Nitrosospira（相對豐度33%），提高生物膜多樣性，支撐停曝期的功能穩(wěn)定性。  

 

工程應(yīng)用：通過優(yōu)化曝氣周期（如Ri2的0.5小時循環(huán)），MABR可在維持脫氮性能的同時實現(xiàn)能效升級。