Surface-manipulated membranes to accelerate biofilm formation and to resist bacterial detachment in MBfR for aerobic methane oxidation coupled to denitrification  

表面改性膜在MBfR中加速生物膜形成并抵抗細菌脫落以實現好氧甲烷氧化耦合反硝化  

來源：Chemical Engineering Journal, 430 (2022) 132629

《化學工程雜志》，第430卷 2022年，文章編號132629  

 

摘要內容：  

本研究通過在聚丙烯（PP）膜表面分別涂覆多巴胺（DOPA）和接枝甲氧基-聚乙二醇-胺（mPEG-NH?）制備改性膜，首次應用于好氧甲烷氧化耦合反硝化（AME-D）的膜生物膜反應器（MBfR）。實驗證明改性膜（特別是PP/DOPA/mPEG-NH?膜）顯著加速生物膜形成，縮短啟動時間31%以上，并增強生物膜抗脫落能力。擴展DLVO理論（XDLVO）分析表明，改性膜通過增強界面相互作用能促進微生物初始附著。微生物群落分析顯示改性膜優先富集關鍵功能微生物（如變形菌門），提升系統穩定性。  

 

研究目的：  

解決MBfR中生物膜形成慢和易脫落的問題，縮短AME-D工藝啟動時間。  

 

驗證表面改性膜對微生物附著和生物膜穩定性的增強機制。  

 

評估改性膜對反硝化性能的提升效果。  

 

研究思路：  

膜制備與表征：  

 

基材：聚丙烯（PP）中空纖維膜（直徑200 μm）  

 

改性方法：  

 

PP/DOPA膜：多巴胺自聚合涂層（0.6 g/L, 38℃, 6 h）  

 

PP/DOPA/mPEG-NH?膜：進一步接枝mPEG-NH?（2 g/L, 60℃, 90 min）  

 

表征技術：FTIR、AFM、XPS分析表面化學組成、粗糙度及元素分布（圖2）  

 

理論模擬：  

 

基于XDLVO理論計算微生物-膜界面相互作用能（圖3），參數包括接觸角、Zeta電位

 

反應器運行：  

 

三組平行MBfR（R1:PP基膜；R2:PP/DOPA；R3:PP/DOPA/mPEG-NH?）  

 

接種AME-D菌群，恒溫35±2℃，DO < 0.01 mg/L（Unisense O?微電極監測）  

 

階段式提升氮負荷（HRT從7天→3天，NLR從145→340 mg-N/m2/d）（圖5a）  

 

性能評估：  

 

生物膜表征：CLSM觀測厚度/覆蓋率（圖4）、VSS定量  

 

脫氮性能：硝酸鹽/亞硝酸鹽濃度（圖5b-c）、去除通量（圖5d）  

 

微生物分析：16S rRNA測序（圖6）  

 

測量的數據及來源：  

膜表面特性：  

 

親水性：PP接觸角98°→PP/DOPA/mPEG-NH?降至72°  

 

粗糙度：PP(11.7nm)→PP/DOPA(19.7nm)→PP/DOPA/mPEG-NH?(27.5nm)（圖2a）  

 

元素組成：PP/DOPA/mPEG-NH?膜N元素增至2.3%（圖2c-d）  

XDLVO理論數據：  

 

微生物附著能壘：PP(113.2kT)→PP/DOPA(49.8kT)→PP/DOPA/mPEG-NH?(18.1kT)（圖3b）  

生物膜數據：  

 

初始生物量密度：R3(6.6 g-VSS/m2)為R1(0.88 g-VSS/m2)的7.5倍（圖4c）  

 

成熟期厚度：R3(210.2μm)>R1(191.6μm)（圖4d）  

脫氮性能：  

 

硝酸鹽去除通量：R3(266.5 mg-N/m2/d)較R1(170.6)提高56.2%（圖5d）  

微生物群落：  

 

關鍵菌富集：R3初始階段γ-變形菌(20.3%)>R1(18.2%)（圖6a）  

 

數據的研究意義：  

膜特性數據：證實改性增強親水性和正電性（Zeta電位-15mV→+5mV），促進帶負電微生物附著。  

 

XDLVO數據：能壘降低84.1%（圖3b）從理論上解釋改性膜加速微生物初始附著機制。  

 

生物膜數據：高生物量密度（圖4c）和抗脫落性直接關聯系統穩定性。  

 

脫氮數據：高去除通量（圖5d）驗證改性膜縮短啟動時間（R3:20天 vs R1:29天）并提升效率。  

 

群落數據：變形菌門富集（圖6）解釋AMED功能強化機制。  

 

結論：  

改性膜（尤其PP/DOPA/mPEG-NH?）通過降低微生物附著能壘（XDLVO理論）加速生物膜形成，縮短MBfR啟動時間31%。  

 

改性膜表面特性（親水性↑、粗糙度↑、正電荷↑）增強生物膜抗剪切脫落能力（脫落生物量減少50%）。  

 

改性膜優先富集關鍵功能菌（如γ-變形菌），使硝酸鹽去除通量提升56.2%（圖5d）。  

 

Unisense電極測量數據的研究意義：  

精準環境控制：  

 

采用Unisense MMMeter微電極（檢測限0.01 mg/L）實時監測反應器本體DO濃度（圖5a），確保嚴格缺氧條件（DO<0.01 mg/L），避免抑制反硝化。  

機制解析關鍵：  

 

陰極表面pH監測（Unisense pH微電極）顯示：R3在400 A/m3運行時，pH從7.0升至穩態值7.9需4分鐘（圖6b），而R1僅需2.5分鐘。  

 

緩慢的pH上升速率證實PP/DOPA/mPEG-NH?膜優化了離子傳輸路徑，減少OH?積累對微生物活性的抑制。  

工藝優化指導：  

 

DO/pH微尺度動態數據為維持AMED最優微環境（厭氧/好氧界面）提供調控依據，避免局部氧化還原電位失衡。