Denitrification of groundwater using a biodegradable polymer as a carbon source: long-term performance and microbial diversity

利用生物可降解聚合物作為地下水反硝化的碳源

來源：RSC Adv., 2017, 7, 53454

 

論文摘要

本論文摘要指出，硝酸鹽污染是一個全球性的地下水問題。本研究報道了使用可生物降解聚合物聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作為生物膜載體和碳源，在一個填充床生物反應器中連續運行近2年，用于去除地下水中硝酸鹽的反硝化性能。結果表明，出水硝酸鹽濃度達到3.3-8.8 mg L?1，硝酸鹽去除率達到88-97%。在20-29°C時，反硝化速率為0.25-0.35 g N L?1 d?1，在10-18°C時降至0.12 g N L?1 d?1。根據微電極分析，硝酸鹽消耗速率遠高于銨鹽產生速率，證明反硝化是系統中的主要過程。出水中檢測到低水平的溶解性有機碳（DOC）和銨鹽，有利于實際應用。附著生物膜中的主要菌門包括變形菌門等。在排名前20的屬中，有9個屬于反硝化菌群。研究表明，PBS固相反硝化技術對于從地下水中去除硝酸鹽具有良好的應用前景。

研究目的

本研究的主要目的在于：

 

評估長期性能：在一個近兩年的長時間尺度上，評估以PBS作為碳源和生物膜載體的填充床生物反應器對地下水中硝酸鹽的持續去除性能，包括去除效率、反硝化速率以及出水水質。

探究關鍵影響因素：研究溫度和水力停留時間（HRT）等關鍵操作參數對反硝化過程的影響，特別是在季節性溫度變化下的系統穩定性。

分析PBS降解與微生物群落：表征PBS載體在長期運行中的降解特性，以及附著在其上的生物膜微生物群落結構和多樣性，闡明系統內功能菌群的存在與作用。

 

驗證主導反應途徑：利用微電極等技術，驗證在PBS固相反硝化系統中，反硝化（生成氮氣）是否是主導的硝酸鹽去除途徑，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）等其他途徑。

 

研究思路

本研究采用了“長期連續運行 - 多指標監測 - 機理深入解析”的系統思路：

 

反應器建立與長期運行：構建一個PBS填充床反應器，以實際硝酸鹽污染的地下水為進水，在接近自然條件下連續運行近2年（620天）。通過人為添加硝酸鈉，將進水硝酸鹽濃度維持在68±2 mg L?1。

參數控制與過程監測：在運行期間，系統地調整水力停留時間（HRT）并記錄自然溫度變化，將整個運行期劃分為不同階段（表1）。定期采集進出水樣品，分析硝酸鹽（NO??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）、銨鹽（NH??-N）和溶解性有機碳（DOC）的濃度，計算去除率和反硝化速率。

 

 

載體與生物膜表征：通過掃描電鏡（SEM）觀察新鮮和使用后PBS顆粒的表面形貌變化；通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析PBS的化學結構變化；定期測量PBS顆粒的重量損失以計算消耗速率；分析附著生物膜的生物量（VSS）和胞外聚合物（EPS）含量。

 

微生物群落分析：在運行約500天后，采集生物膜樣品，通過高通量測序（454焦磷酸測序）分析微生物群落在門、綱、目、科、屬水平的組成和相對豐度。

 

機理驗證：使用丹麥Unisense微電極測量生物膜內部的硝酸根離子（NO??）和銨根離子（NH??）的濃度剖面，直觀展示并定量計算兩者的產生/消耗速率，為“反硝化為主導過程”提供直接證據。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表和表格）：

 

反應器長期性能數據（評估系統的穩定性和效率）

 

測量指標：進出水硝酸鹽（NO??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）、銨鹽（NH??-N）濃度、硝酸鹽去除率、反硝化速率。這些數據隨運行時間的變化展示在圖2中，各階段的平均值總結在表1中。

研究意義：這些核心數據直接證明了PBS固相反硝化系統的長期有效性。圖2和表1清晰顯示，在大部分運行時間（尤其在適宜溫度下），系統能保持高達95%以上的硝酸鹽去除率。數據還揭示了溫度是關鍵控制因素，低溫（10-18°C）下反硝化速率顯著降低（約降低65%），并伴有亞硝酸鹽積累，這為實際工程應用中的參數調控提供了重要依據。

 

數據來源：圖2， 表1。

 

出水水質指標（評估系統副產物及后續處理需求）

 

測量指標：出水溶解性有機碳（DOC）和銨鹽（NH??-N）濃度。

研究意義：數據顯示出水中DOC增量極低（1.7 ± 0.6 mg L?1），銨鹽濃度也保持在低水平（0.5 ± 0.3 mg L?1）。這表明PBS作為固態碳源，緩慢釋放降解產物，避免了傳統液態碳源（如甲醇）可能引起的二次有機污染問題，出水水質良好，減輕了后續處理負擔，是其一大技術優勢。

 

數據來源：正文結果部分。

 

PBS載體降解特性數據（評估碳源消耗與經濟性）

 

測量指標：PBS顆粒的重量隨時間的損失（圖4）、SEM圖像（圖5a, b）、FT-IR光譜（圖6）。

研究意義：圖4顯示PBS重量線性下降，降解速率約為0.04 mg d?1，估算其有效使用壽命約1年。圖5a, b的SEM對比直觀展示了微生物對PBS表面的腐蝕。圖6的FT-IR光譜表明PBS降解后羥基峰增強，說明發生了水解。這些數據證實了PBS的可生物降解性，并為其消耗速率的計算提供了依據。實際PBS消耗量為2.75 ± 0.72 g PBS/g NO??-N，略高于理論值，可能部分碳源被好氧呼吸消耗。

 

 

 

數據來源：圖4， 圖5a, b， 圖6。

 

生物膜微生物群落數據（揭示系統功能的內在驅動者）

 

測量指標：通過高通量測序獲得的微生物在各分類水平（門、綱、目、科、屬）的相對豐度（圖8 和 表2）。

研究意義：數據表明，生物膜群落由具有特定功能的菌群構成。在門水平，變形菌門（Proteobacteria）占主導（75.6%）。在屬水平，表2顯示前20個OTU中有9個是已知的反硝化菌屬（如Simplicispira， 總豐度約16%），這從生物學角度直接解釋了系統高效脫氮的原因。同時，也檢測到一些具有有機物降解和酸化功能的菌屬（如Veillonellaceae），它們可能負責將PBS大分子降解為小分子，供反硝化菌利用，形成了功能協同的微生物群落。

 

 

數據來源：圖8， 表2。

 

微電極剖面數據（定量解析反應機理的關鍵證據）

 

測量指標：使用Unisense微電極測得的生物膜內硝酸鹽（NO??）和銨鹽（NH??）的濃度垂直分布剖面（圖3），并據此計算的硝酸鹽消耗速率和銨鹽產生速率。

研究意義：圖3的剖面顯示，硝酸鹽濃度從生物膜-水體界面向內部逐漸降低，而銨鹽在載體界面處有微量產生并向水體擴散。計算得出的硝酸鹽消耗速率（1069 ± 103 μmol cm?1 h?1）遠高于銨鹽產生速率（74 ± 7 μmol cm?1 h?1）。這提供了最直接的證據，表明硝酸鹽主要通過反硝化途徑（生成N?）被去除，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）。這一發現對于確認該技術的處理效能和環境友好性（避免NH??積累）至關重要。

 

數據來源：圖3。

 

研究結論

 

PBS固相反硝化系統長期運行穩定高效：近兩年的運行表明，以PBS為碳源和載體的系統能夠持續高效地去除地下水中的硝酸鹽，平均去除率超過90%，出水硝酸鹽濃度滿足飲用水標準（<10 mg N L?1）要求。

溫度是主要影響因素：系統性能表現出明顯的溫度依賴性。在常溫（20-29°C）下反硝化速率高，而在低溫（10-18°C）下速率顯著下降。在實際應用中需考慮溫度補償或保溫措施。

出水水質優良，副產物少：系統出水的溶解性有機碳（DOC）和銨鹽（NH??-N）濃度極低，表明PBS作為固態碳源能有效控制二次污染，減少了后續處理難度。

微生物群落功能明確：生物膜中形成了以反硝化菌為核心（如Simplicispira等），并伴有PBS降解菌的功能性群落結構，各菌群協同作用，共同維持系統的穩定運行。

 

反硝化是主導途徑：微電極測量數據確鑿地證明，在該系統中，反硝化（Denitrification）是硝酸鹽去除的絕對主導途徑，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA），這保證了脫氮的徹底性（生成N?）。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense微電極是闡明生物膜內部反應機理、定量區分競爭性反應途徑的決定性工具，其研究意義非常突出：

 

實現了對生物膜微環境的原位、高分辨率探測：傳統的水樣化學分析只能獲得反應器進出口的濃度變化，無法知曉反應發生在哪里、以多快的速率進行。Unisense微電極的尖端極細（NO??電極5μm，NH??電極15μm），能夠無損地刺入生物膜內部，以高空間分辨率測量NO??和NH??的濃度梯度（圖3）。這種原位測量避免了破壞生物膜結構，能真實反映反應過程中的化學環境。

提供了區分反硝化與DNRA途徑的直接證據：地下水脫氮技術的一個關鍵問題是：硝酸鹽究竟是被還原為氮氣（反硝化，理想途徑）還是被還原為銨（DNRA，不理想途徑）？僅憑進出水濃度變化難以準確區分。Unisense微電極通過同步測定NO??和NH??的剖面，并利用菲克第二定律計算消耗/產生速率，直接對比了兩種途徑的強度。數據顯示NO??消耗速率是NH??產生速率的14倍以上，這為“反硝化是主導過程”的結論提供了無可辯駁的、定量的實驗證據。

揭示了反應的空間位置：圖3的剖面顯示，NO??濃度從生物膜表面向內部持續下降，表明反硝化反應在整個生物膜透氧區間內都在發生。而NH??在靠近PBS載體的界面處濃度最高，表明DNRA活動可能與該區域的特定微生物或環境條件（如更嚴格的厭氧條件）相關。這為了解反應的熱點區域提供了空間信息。

支撐了系統的環境友好性評價：由于Unisense電極的數據證實了NH??產生量極低，這有力地支持了“PBS固相反硝化系統出水水質好，銨鹽殘留風險小”這一重要優勢。這對于該技術能否應用于飲用水源預處理等敏感領域至關重要。

 

展示了其在生物工藝機理研究中的獨特價值：這項研究是Unisense微電極應用于固相反硝化這一特定生物處理工藝機理研究的良好范例。它證明了該技術不僅是測量工具，更是連接宏觀性能與微觀過程的橋梁，對于開發和優化新型廢水生物處理工藝具有重要的方法論意義。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了“機理裁判官”的角色。它提供的高分辨率原位化學剖面，將研究從“發生了什么”（高性能）推進到了“為什么發生”（反硝化主導）的深度理解層面。沒有這項技術的應用，關于反應主導途徑的結論將停留在推測層面，而無法獲得如此直接和令人信服的定量證據。因此，該技術的應用是本研究能夠深入揭示PBS固相反硝化內在機理的關鍵所在。