New insight into CO2-mediated denitrification process in H2-based membrane biofilm reactor: An experimental and modeling study  

H?基膜生物膜反應器中CO?介導反硝化過程的新見解：實驗與模型研究  

來源：Water Research，Volume 184，2020，Article 116177

《水研究》，第184卷，2020年，文章編號116177  

 

摘要：  

研究開發了一種新型H?基膜生物膜反應器（H?-MBfR），集成了獨立的CO?供應系統和微電極監測單元，用于處理含硝酸鹽（NO??）的地下水。實驗表明，在最佳運行條件（水力停留時間80分鐘、進水NO??濃度20 mg N/L、H?壓力5 psig、CO?投加量50 mg/L）下，NO??去除通量達1.46 g/(m2·d)。通過建立數學模型并結合實驗數據校準，揭示了生物膜內微生物代謝機制：反硝化細菌（DNB）在生物膜內外部分別受CO?和H?限制導致低生長速率；CO?濃度是調控反硝化過程的關鍵因素；模擬預測最佳生物膜厚度為650 μm，可最大化脫氮效率并避免H?逸散。  

 

研究目的：  

1. 實驗評估關鍵操作參數對CO?源H?-MBfR系統脫氮性能的影響。  

2. 利用生物膜內基質梯度數據校準數學模型，揭示最佳條件下生物膜微環境特征。  

3. 驗證模型準確性并預測不同工況下生物膜特性演化規律。  

4. 確定最大化脫氮效率且避免H?損失的生物膜厚度。  

 

研究思路：  

1. 系統設計：構建集成獨立CO?供應系統和微電極監測單元的H?-MBfR，實現CO?精準投加及生物膜內H?/NO??原位監測（圖1）。  

 

2. 實驗驗證：通過短期單因素實驗（HRT、H?壓力、NO??負荷、CO?投加量）確定最優工況；長期實驗驗證CO?投加量影響（表1）。  

 

3. 模型開發：建立擴展微生物代謝動力學的一維數學模型，引入CO?和pH對自養菌生長的同步影響，通過微電極實測梯度數據校準參數（如H?傳質系數Km）。  

4. 模型應用：模擬生物膜內基質分布（圖3）、微生物群落結構（圖3b）及生長速率（圖3c），評估關鍵參數（HRT、H?壓力等）對生物膜微環境影響（圖5-8），預測最佳生物膜厚度（圖9）。  

 

 

 

 

 

 

測量的數據及研究意義：  

1. NO??/SO?2?去除通量及出水濃度（圖2a-d）：  

   ? 來源：HRT系列（圖2a）、H?壓力系列（圖2b）、NO??負荷系列（圖2c）、CO?投加系列（圖2d）。  

   ? 意義：量化不同工況下系統脫氮性能，確定最佳運行參數（HRT=80 min, H?壓力=5 psig, NO??=20 mg N/L, CO?=50 mg/L），揭示低CO?導致脫氮效率下降，高CO?引發酸化抑制微生物活性。  

 

2. 生物膜內H?/NO??濃度梯度（圖3a, 4a-e）：  

   ? 來源：Unisense微電極原位監測，圖3a展示最優工況下梯度曲線。  

   ? 意義：驗證反硝化過程的逆向擴散特征（H?由膜內向液相擴散，NO??由液相反向擴散），為模型校準提供關鍵數據（圖3a中模擬與實測R2=0.99/0.98）。  

 

3. 微生物群落分布與生長速率（圖3b-c）：  

   ? 來源：模型模擬（Scenario E1）。  

 

   ? 意義：揭示DNB在生物膜內部（162.5μm內）受CO?限制、外部（637.5μm外）受H?限制的生長抑制機制（圖3c），解釋脫氮效率瓶頸。  

 

4. 最佳生物膜厚度預測（圖9d）：  

   ? 來源：模型模擬不同厚度（200-1000 μm）下的NO??去除通量（Scenario E6）。  

 

   ? 意義：確定650 μm為最優厚度（通量1.59 g/(m2·d)），平衡脫氮效率與H?利用率（圖9d），避免生物膜過厚導致的基質擴散限制。  

 

結論：  

1. CO?精準投加（50 mg/L）是維持高效脫氮（1.46 g/(m2·d)）和抑制副產物（NO??/SO?2?還原）的關鍵。  

2. 數學模型成功量化生物膜微環境：DNB生長受膜內側CO?限制和膜外側H?限制，導致低活性區域擴大（圖3c, 5c, 6c）。  

3. CO?濃度通過雙重作用（碳源供給/pH調控）主導脫氮效率：低于50 mg/L時碳源不足，高于50 mg/L引發酸化抑制（圖4d, 8）。  

4. 生物膜厚度優化為650 μm，較實際厚度（825 μm）提升脫氮效率9.1%，并避免H?逸散（圖9d）。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

1. 原位高分辨率監測：Unisense H?微電極（tip 20-30 μm）和NO??微電極（tip 20-50 μm）以25 μm間隔穿透生物膜（圖1b），直接獲取H?和NO??的空間濃度梯度（圖3a），克服傳統取樣破壞生物膜結構的局限。  

2. 模型校準與驗證：實測梯度為數學模型提供關鍵校準數據（如H?傳質系數Km），使模擬與實測H?/NO??梯度的決定系數（R2）達0.99和0.98（圖3a），顯著提升模型可靠性。  

3. 過程機制解析：梯度數據揭示逆向擴散特征（H?由膜內向液相遞減，NO??由液相反向遞減），證實CO?匱乏區（深度>162.5 μm）和H?匱乏區（深度>637.5 μm）的存在（圖3a），為DNB生長抑制提供直接證據。  

4. 系統優化依據：長期CO?投加實驗中，電極監測的H?/NO??梯度變化（圖4e）關聯系統性能演變，指導CO?精準調控策略（如pH補償），避免脫氮效率波動。