Intermittent aeration to regulate microbial activities in membrane-aerated biofilm reactors: Energy-efficient nitrogen removal and low nitrous oxide emission

間歇曝氣調節膜曝氣生物膜反應器中的微生物活動：節能脫氮和低一氧化二氮排放

來源：Chemical Engineering Journal 433 (2022) 133630

 

摘要核心內容

 

本研究通過對比連續曝氣與間歇曝氣策略在膜曝氣生物膜反應器（MABR）中的效果，揭示了間歇曝氣通過抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）和激活厭氧氨氧化菌（AMX），實現高效脫氮（NRE達36%） 并顯著降低N?O排放（從2.35%降至0.35%的氮負荷）。關鍵發現包括：

 

NOB抑制機制：間歇曝氣通過提升pH和游離氨（FA）濃度（pH升至7.52，FA達1.17 mg-N/L），選擇性抑制NOB活性（活性降低80%），促進亞硝酸鹽積累（圖1B）。

 

 

AMX激活：NOB抑制后，AMX活性提升200%，通過消耗亞硝酸鹽實現厭氧氨氧化，貢獻總氮去除的21±7%（圖1A）。

N?O減排：間歇曝氣在生物膜外層形成N?O還原區，使N?O排放降低至0.3±0.2%（連續曝氣時為2.4±0.9%），歸因于異養菌（HB）的N?O消耗（圖3）。

 

 

研究目的

 

優化脫氮路徑：通過間歇曝氣調控MABR生物膜內微生物競爭（AOB vs. NOB），實現短程硝化-厭氧氨氧化（PNA）耦合。

降低溫室氣體排放：探究曝氣策略對N?O生成的抑制作用，減少污水處理碳足跡。

解析微生物響應機制：明確DO、pH動態變化對生物膜分層代謝的影響。

 

研究思路

 

采用平行反應器對比實驗：

反應器設置：

MABR?：間歇曝氣（周期：6h開/6h關、9h開/3h關等）。

MABR?：連續曝氣（對照組）。

 

監測方法：

水質分析：NH??、NO??、NO??濃度（圖1A）。

微生物活性計算：基于物料平衡估算AOB、NOB、AMX活性（圖1B）。

原位微電極測量：Unisense電極測定生物膜內DO、pH、N?O的毫米級剖面（圖2, 3）。

 

 

調控變量：曝氣時長占比（R??）、間歇頻率（f???）、pH過渡時間（R?,??）。

 

測量數據及其研究意義

1. 水質與微生物活性數據（圖1）

 

數據來源：

NH??去除率（ARE）：間歇曝氣下ARE達53%（連續曝氣僅45%），證實AOB活性提升（圖1A）。

NOB抑制率（NiE）：R??=0.5時NiE升至7.44（連續曝氣為1.26），表明低曝氣時長占比抑制NOB（圖1B）。

研究意義：量化了間歇曝氣對微生物群落結構的調控作用，為工藝優化提供閾值參數（R??<0.75）。

 

2. 生物膜微剖面數據（圖2, 圖3）

 

數據來源：

DO剖面：曝氣恢復后1分鐘內DO達穩態，氧滲透深度無顯著差異（67±28 μm），排除DO限制主導NOB抑制（圖2A,C）。

pH過渡：pH穩態需30分鐘，滯后于DO，導致FA累積（間歇曝氣FA=1.17 mg-N/L），成為NOB抑制關鍵因素（圖2B,D）。

N?O凈反應速率：連續曝氣時生物膜頂部缺氧區N?O產率最高（-30 mg-N/m3/h），間歇曝氣在底部好氧區形成N?O消耗區（圖3B）。

研究意義：揭示生物膜內局部環境動態變化對代謝途徑的調控機制，證實pH過渡時間（R?,??）是僅次于R??的關鍵參數。

 

3. N?O排放數據

 

數據來源：

氣相N?O：間歇曝氣使排放占比從2.35%降至0.35%（氮負荷）。

液相N?O：生物膜內濃度從0.74 mg-N/L降至0.08 mg-N/L（圖3A）。

研究意義：闡明AMX與HB協同作用（AMX清除NO??，HB還原N?O）是實現低碳脫氮的核心機制。

 

 

結論

 

間歇曝氣優勢：通過調控R??（推薦0.5）和f???（≥2次/天），實現NOB抑制與AMX激活，提升脫氮效率（NRE達36%）并減少能耗。

N?O減排機制：生物膜分層形成好氧N?O產生區（AOB主導）與缺氧消耗區（HB主導），間歇曝氣促進兩者空間分離。

工程應用：MABR間歇曝氣策略適用于主流污水處理，兼顧脫氮效率與碳中和目標。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理

 

Unisense微電極（DO、pH、N?O傳感器）以25μm分辨率實時監測生物膜內毫米尺度化學梯度：

DO電極：量化氧滲透深度（~67μm）及生物膜基底DO（3.14±0.91 mg/L），揭示氧傳質不受曝氣模式影響（圖2A）。

pH電極：捕捉曝氣切換后pH遲滯響應（30分鐘過渡），定位FA累積熱點（基底pH=7.52），解釋NOB抑制（圖2B,D）。

N?O電極：空間分辨反應速率，識別連續曝氣下頂部缺氧區為N?O產率核心區（-30 mg-N/m3/h）（圖3B）。

 

科學價值

 

揭示N?O產生機制：

連續曝氣時，生物膜頂部缺氧區因NO??積累觸發異養反硝化，生成N?O（圖3B左）。

間歇曝氣通過AMX清除NO??，消除N?O前體，同時在底部好氧區建立HB驅動的N?O還原區（圖3B右）。

量化動態響應：

DO恢復快（<1分鐘）而pH過渡慢（30分鐘），證明pH調控（非DO）是NOB抑制主因（圖2C,D）。

修正工藝認知：

傳統DO限制理論不適用MABR（氧滲透深度無變化）；FA抑制與pH協同效應是關鍵（圖2, 表2）。

 

 

工程意義

 

優化曝氣策略：基于pH過渡時間（R?,??）設定曝氣周期（如6h開/6h關），最大化FA抑制效應。

N?O預警指標：生物膜頂部N?O濃度>0.5 mg-N/L需觸發曝氣調整，避免高排放。

工藝放大依據：微剖面數據為MABR設計提供反應動力學參數（如N?O還原速率）。

 

總結：Unisense電極數據通過毫米級原位監測，揭示了間歇曝氣調控MABR脫氮與N?O減排的微觀機制，為低碳污水處理工藝提供了理論支撐和優化路徑。