Mixotrophic denitrification processes in basalt fiber bio-carriers drive effective treatment of low carbon/nitrogen lithium slurry wastewater

玄武巖纖維生物載體中的混合營養反硝化過程推動低碳的有效處理

來源：Bioresource Technology 364 (2022) 128036

 

1. 摘要核心內容

 

論文開發了一種基于玄武巖纖維生物載體（BF）的生物接觸氧化反應器（R-BF），用于高效處理低碳氮比（C/N=1.57）的鋰電池漿料廢水。關鍵發現包括：

 

高效污染物去除：在HRT=12 h、DO=0-1 mg/L條件下，COD去除率93.3±0.5%，總氮（TN）去除率77.4±1.0%（圖2a-c）。

 

生物巢微環境：BF形成的“生物巢”（bio-nest）創造氧梯度（外層DO=0.73 mg/L → 核心DO=0.13 mg/L），支持同步硝化反硝化（SND）和混合營養反硝化（圖4）。

 

 

微生物機制：富集氫噬菌屬（Hydrogenophaga）等HN-AD菌（20.05%），通過氮呼吸、硝酸鹽還原等多路徑實現脫氮（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

解決鋰電池漿料廢水低碳氮比導致的傳統生物處理效率低的問題，開發無需外加碳源、耐毒性且高效的BF生物載體技術，替代傳統活性污泥法（R-AS）。

3. 研究思路

 

采用現場中試對比與多尺度機制解析：

 

反應器設計：

R-BF組：填充玄武巖纖維載體，形成生物巢（圖1a,c,d）。

R-AS對照組：傳統活性污泥法，需每日添加100 kg葡萄糖（圖1b）。

操作優化：

階段Ⅰ（60天）：固定HRT=12 h，優化DO（0-1/1-2/2-3 mg/L）（圖2a-c）。

階段Ⅱ（120天）：固定DO=0-1 mg/L，優化HRT（6-16 h）（圖2d-f）。

機制探究：

動力學模型（Grau/Stover-Kincannon/Monod模型）（圖3）。

 

生物巢參數（DO梯度、EPS、生物量）（圖4，表1）。

 

微生物群落（全長16S測序）與功能預測（FAPROTAX）（圖5-6）。

 

4. 測量數據及研究意義

關鍵數據來源與意義

測量指標 數據來源 研究意義

污染物去除效率 圖2a-f 證明R-BF在低DO(0-1 mg/L)下TN去除率(77.4%)顯著高于R-AS(62.4%)，節省碳源輸入。

生物巢DO梯度 圖4 核心意義：量化微區氧分層（0.73→0.13 mg/L），驅動SND的微環境基礎。

EPS/生物量分布 表1 生物巢核心EPS(740.56 mg/g-VS)和生物量(25.7 kg/m3)更高，提供穩定微環境。

微生物活性 補充材料 外層生物活性達71.84%（vs. R-AS 31.52%），印證BF載體抗逆性。

脫氮動力學參數 圖3a-c Stover-Kincannon模型顯示最大TN去除負荷(Umax)=4.462 kg/m3/d（工業應用潛力）。

功能菌群分布 圖5 氫噬菌屬(Hydrogenophaga,20.05%)主導HN-AD路徑，適應低碳氮比。

5. 丹麥Unisense電極數據的深度解讀

 

技術原理：

 

采用 OX-10溶解氧微電極（Unisense，尖端直徑10 μm），空間分辨率達微米級，原位測量生物巢內部溶解氧（DO）剖面。

通過步進電機控制垂直移動（精度1 μm），實時記錄生物膜/溶液界面的氧擴散-消耗動態（圖4）。

 

研究發現與意義：

 

DO梯度驗證：

生物巢從外到內DO濃度依次為0.73→0.64→0.47→0.36→0.30→0.13 mg/L（圖4），形成嚴格的好氧→缺氧梯度。

意義：直接證實生物巢的“外層硝化（好氧）+核心反硝化（缺氧）”分層代謝機制，為SND提供微環境基礎。

 

缺氧區功能關聯：

核心缺氧區（DO=0.13 mg/L）富集反硝化菌（如Ottowia，12.95%）和HN-AD菌（如Dokdonella），解釋高TN去除率（77.4%）。

意義：明確低DO驅動反硝化路徑，破解低碳氮比廢水脫氮難題。

 

代謝耦合證據：

DO梯度與EPS/生物量負相關（RDA分析，圖6）：低DO區對應高EPS（740.56 mg/g-VS）和生物量（25.7 kg/m3），支持微生物持留與代謝。

意義：揭示物理微環境（DO）-生物特性（EPS）-功能菌群的協同機制。

 

方法論貢獻：

 

突破宏觀局限：傳統DO傳感器無法解析生物巢內部微米級氧分布，Unisense首次實現功能分區可視化。

指導工藝設計：DO梯度數據為優化載體結構（如纖維密度、長度）提供量化依據，推動BF載體工業化應用。

 

6. 結論

 

技術優勢：

R-BF在HRT=12 h、DO=0-1 mg/L下TN去除率77.4%，比R-AS提升15%，且無需外加碳源。

生物巢的高EPS（740 mg/g-VS）和生物量（25.7 kg/m3）保障系統穩定性（污泥齡90天 vs. R-AS的6天）。

 

微生物機制：

混合營養反硝化主導：Hydrogenophaga（HN-AD）和Ottowia（反硝化）通過氮呼吸、硝酸鹽還原等路徑實現高效脫氮（FAPROTAX功能預測）。

生物巢分區代謝：DO梯度驅動外層硝化（好氧菌）與核心反硝化（缺氧菌）的空間分工（圖4）。

 

應用前景：BF載體為鋰電池廢水提供綠色低成本解決方案，減少CO?排放（無碳源添加）和污泥產量。

 

7. 圖表索引

 

圖1：R-BF/R-AS反應器設計 → 技術對比

圖2：污染物去除效率 → 工藝優化依據

圖3：動力學模型擬合 → 脫氮潛力量化

圖4：Unisense DO剖面 → 微環境機制實證

圖5：微生物群落熱圖 → 功能菌解析

圖6：RDA分析 → 環境因子-菌群關聯

表1：生物巢多參數 → 微環境穩定性證據

 

本研究通過Unisense微電極等原位技術，揭示了BF生物巢的微區脫氮機制，為工業廢水低碳脫氮提供新范式。