Coupling of membrane-based bubbleless micro-aeration for 2,4-dinitro-phenol degradation in a hydrolysis acidification reactor  

膜基無(wú)泡微曝氣耦合水解酸化反應(yīng)器降解2,4-二硝基苯酚  

來(lái)源：Water Research 212 (2022) 118119

《水研究》第212卷，2022年，文章編號(hào)118119

 

摘要核心內(nèi)容：  

本研究開發(fā)了膜基無(wú)泡微曝氣耦合水解酸化（MBL-MHA）工藝，用于高效降解有毒難降解污染物2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP）。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)氣泡微曝氣（MHA）和厭氧水解酸化（HA），發(fā)現(xiàn)MBL-MHA在微曝氣速率0.5-5.0 mL空氣/min下，2,4-DNP降解率（84.43-97.28%）顯著高于MHA（82.41-94.71%）。MBL-MHA中反擴(kuò)散傳質(zhì)形成的氧化還原微環(huán)境（生物膜內(nèi)部微好氧/外部厭氧）促進(jìn)功能菌富集（如脫氮單胞菌Brevundimonas 7.53%、亞硝化單胞菌Nitrosomonas 2.95%），上調(diào)氧化還原蛋白表達(dá)，實(shí)現(xiàn)2,4-DNP的硝基還原→脫氨基→芳環(huán)裂解→發(fā)酵降解路徑。  

 

研究目的：  

解決傳統(tǒng)微曝氣水解酸化工藝中溶解氧控制精度低、氧傳遞效率差的問(wèn)題，開發(fā)膜基無(wú)泡曝氣技術(shù)以優(yōu)化2,4-DNP降解性能，闡明其微生物機(jī)制與代謝路徑。  

 

研究思路：  

1. 系統(tǒng)構(gòu)建：設(shè)計(jì)三組對(duì)比反應(yīng)器（MBL-MHA、MHA、厭氧HA），MBL-MHA采用PVDF中空纖維膜實(shí)現(xiàn)無(wú)泡曝氣（圖1）  

 

2. 條件優(yōu)化：分三階段（I:0.5 mL/min, II:3.0 mL/min, III:5.0 mL/min）測(cè)試不同曝氣速率下2,4-DNP降解性能（圖2）  

 

3. 機(jī)制解析：  

   ? 微環(huán)境表征：Unisense微電極測(cè)量生物膜DO/ORP梯度（圖3）  

 

   ? 微生物分析：16S rRNA測(cè)序揭示菌群結(jié)構(gòu)差異（圖6）  

 

   ? 代謝路徑：LC-MS鑒定降解中間產(chǎn)物（圖4），蛋白質(zhì)組學(xué)分析功能蛋白表達(dá)（圖7）  

 

 

4. 性能對(duì)比：綜合評(píng)估降解效率、酸化度（AD）、氧利用率等指標(biāo)  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 降解效率（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：MBL-MHA在3.0 mL/min曝氣下2,4-DNP降解率97.28% vs MHA 94.71%  

 

   ? 意義：證實(shí)膜基無(wú)泡曝氣通過(guò)反擴(kuò)散傳質(zhì)提升氧利用率，降解效率優(yōu)于氣泡曝氣  

 

2. 生物膜微環(huán)境（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：MBL-MHA生物膜表層DO=0 mg/L（厭氧），膜界面處DO=0.28 mg/L（微好氧）  

 

   ? 意義：反擴(kuò)散形成從厭氧到微好氧的梯度結(jié)構(gòu)，支持分區(qū)降解（厭氧區(qū)硝基還原+微好氧區(qū)芳環(huán)裂解）  

 

3. 微生物群落（圖6）  

   ? 數(shù)據(jù)：MBL-MHA富集脫氮功能菌（Brevundimonas 7.53% vs MHA 0.01%）  

 

   ? 意義：反擴(kuò)散微環(huán)境促進(jìn)功能菌空間分選，提升協(xié)同降解能力  

 

4. 胞外聚合物（EPS）特性（圖5）  

 

   ? 數(shù)據(jù)：MBL-MHA的TB-EPS蛋白質(zhì)含量較MHA高1.8倍  

 

   ? 意義：高蛋白EPS增強(qiáng)生物膜吸附能力，提供電子傳遞介質(zhì)  

 

結(jié)論：  

1. 膜基無(wú)泡曝氣（MBL-MHA）通過(guò)反擴(kuò)散形成DO梯度微環(huán)境（膜界面0.28 mg DO/L→生物膜表層0 mg DO/L），優(yōu)化菌群空間分布  

2. 關(guān)鍵降解路徑：2,4-DNP→2,4-二氨基苯酚（硝基還原）→酚（脫氨基）→琥珀酸（芳環(huán)裂解）→乙酸（發(fā)酵），中間產(chǎn)物毒性顯著降低  

3. 最佳操作參數(shù)：曝氣速率3.0 mL/min，此時(shí)氧通量0.0372 μmol cm?2 h?1（表1），較氣泡曝氣（0.0350 μmol cm?2 h?1）提升6.3%  

 

4. 微生物機(jī)制：反擴(kuò)散微環(huán)境富集脫氮單胞菌（Brevundimonas）和亞硝化單胞菌（Nitrosomonas），上調(diào)NADH醌氧化還原酶等關(guān)鍵蛋白表達(dá)  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

采用Unisense DO/ORP微電極（尖端直徑<10 μm）實(shí)現(xiàn)生物膜內(nèi)部微環(huán)境原位解析：  

1. 空間分辨率優(yōu)勢(shì)（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：精確測(cè)量生物膜不同深度（0-1500 μm）的DO/ORP梯度（步進(jìn)精度20 μm）  

 

   ? 意義：首次量化MBL-MHA的反擴(kuò)散微環(huán)境（DO從膜面向外遞減），揭示其優(yōu)于MHA的共擴(kuò)散結(jié)構(gòu)  

 

2. 氧傳遞效率量化（表1）  

   ? 數(shù)據(jù)：MBL-MHA在3.0 mL/min曝氣下氧通量0.0372 μmol cm?2 h?1，較MHA高6.3%  

 

   ? 意義：直接證明無(wú)泡曝氣提升氧傳遞效率，解釋降解性能差異  

 

3. 工藝優(yōu)化指導(dǎo)  

   ? 數(shù)據(jù)：曝氣>5.0 mL/min時(shí)生物膜內(nèi)部DO>0.4 mg/L，抑制厭氧菌活性（降解率下降至82.2%）  

 

   ? 意義：確定最佳曝氣閾值（3.0 mL/min），避免過(guò)度曝氣破壞厭氧/好氧菌平衡  

 

4. 技術(shù)獨(dú)特性  

   ? 非侵入式測(cè)量：避免破壞生物膜結(jié)構(gòu)，獲取真實(shí)微環(huán)境數(shù)據(jù)  

 

   ? 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：秒級(jí)響應(yīng)捕捉DO/ORP瞬變，揭示微生物響應(yīng)機(jī)制