背景介紹:地下水的硝酸鹽(NO3-)污染,主要來(lái)自人類(lèi)活動(dòng),如集約化農業(yè)實(shí)踐、現場(chǎng)廢水處理和牲畜糞便管理,已成為全球關(guān)注的問(wèn)題?;贖 2的膜生物膜反應器(H2-MBfR)是一種用于去除供水中硝酸鹽(NO3-)的新興技術(shù)。在中國70%的人口從地下水源獲得飲用水,其中90%的淺層地下水受到污染,其中NO3-是主要污染物之一,典型濃度為10-100 mg N/L。H2基膜生物膜反應器(H2-MBfR)是一種基于自養反硝化的新興生物系統,它優(yōu)于異養反硝化,因為它使用無(wú)毒且廉價(jià)的H2作為電子供體和無(wú)機碳作為碳源。它提供高NO3-去除通量、低殘留有機物和生物質(zhì)以及流出物中的最小H2損失,并減少同時(shí)出現的氧化污染物轉化為無(wú)害的形式。H2-MBfR最顯著(zhù)的特征之一是氫營(yíng)養反硝化作用會(huì )導致大量液體堿化并增加生物膜內的pH值。有研究人員提出了一種新的H2-MBfR,其中兩束中空纖維膜(HFMs)被放置在一個(gè)流通池中,用于無(wú)氣泡的H2和CO2供應,并根據HFM的擴散系數計算推導出CO 2劑量。然而如果將這種集成系統應用于實(shí)際的地下水處理,則存在一些實(shí)際限制。本研究報道了一種創(chuàng )新的H 2-MBfR膜生物反應器,它連接到一個(gè)分離的CO2提供系統,用于精確添加CO2,并配備了一個(gè)微傳感器測量單元(unisense微剖面分析系統),用于原位監測生物膜內的H 2和NO3-濃度。通過(guò)實(shí)驗和建模評估,系統地研究和模擬了NO3-去除的有效性和微生物活性。


Unisense微電極系統的應用:使用unisense微剖面系統測定了生物膜內的NO3-和H2梯度剖面,在微傳感器測量單元中使用了兩種類(lèi)型的微傳感器其中一種是與微探針組裝的H2-25微傳感器(尖端直徑=20–30μm)用于H 2檢測;而對于NO3-的測量,另一個(gè)電位LIX(液體離子交換)微傳感器與微探針(尖端直徑=20-50μm)結合。通過(guò)pH/mV計(Unisense A/S,Dennmark)監測微傳感器產(chǎn)生的電位差。配備立體變焦光學(xué)顯微鏡和光源(Dolan-Jenner MI-150,Cole-Palmer,USA)的自動(dòng)顯微操作器(MM33-2型,Unisense A/S,Denmark)用于控制和可視化微傳感器的運動(dòng)。NO3-和H 2剖面測量是在整個(gè)生物膜上以25μm的空間間隔進(jìn)行的。


實(shí)驗結果:一種新型H2-MBfR集成了用于原位檢測生物膜內電子供體(H 2)和受體(NO 3-)濃度梯度的微傳感器測量單元以及用于碳源添加和pH控制的分離CO 2提供系統,并開(kāi)發(fā)了實(shí)驗證明,在HRT 80分鐘、進(jìn)水NO 3-濃度20 mg N/L、H 2壓力5 psig和CO 2添加量50 mg/L時(shí),具有最佳的反硝化性能和最小化不良過(guò)程。以下批次實(shí)驗進(jìn)一步證明了CO 2的優(yōu)越性作為獨特的碳源和pH調節劑。為了深入說(shuō)明反硝化相關(guān)機制,提出了一個(gè)具有擴展的微生物代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)和高保真度的模型,通過(guò)比較不同模擬場(chǎng)景下模擬和測量的系統性能和/或生物膜內的底物梯度來(lái)校準和驗證,以及包括K m在內的參數的優(yōu)化,KCO2DNB和KCO2SRB模擬結果揭示了隨著(zhù)關(guān)鍵影響因素變化的生物膜微環(huán)境演變。預計最佳生物膜厚度為650μm,這保證了較高的反硝化通量,同時(shí)避免了H2的排氣。

圖1、CO 2源H2-MBfR設置的示意圖。該系統由三部分組成:(a)H 2-MBfR:綠線(xiàn)表示H2氣管,而藍色、紅色和深紅色線(xiàn)是水管。(b)組裝在帶有內置單HFM的水平玻璃流通池端口上的微傳感器測量單元的細節。(c)CO2供給系統:青色線(xiàn)代表富含CO2的水,棕色線(xiàn)代表CO 2氣管。

圖2、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分數和(d)DNB沿深度方向的生長(cháng)速率的模型評估系統的生物膜作為HRT的函數,范圍從20到180分鐘(場(chǎng)景E2)。模擬條件:生物膜厚度=825μm,本體液體pH=7.5,H 2壓力=5 psig,CO 2添加量=50 mg/L,進(jìn)水NO 3-和SO4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg分別為S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側,深度為離膜側的距離。

圖3、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分數和(d)DNB沿深度方向的生長(cháng)速率的模型評估系統的生物膜作為H 2壓力的函數,范圍為1至15 psig(方案E3)。模擬條件:生物膜厚度=825μm,本體液體pH=7.5,HRT=80 min,CO 2添加量=50 mg/L,進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側,深度為離膜側的距離。

圖4、(a)電子供體(H 2)和受體(NO3-)的分布、(b)CO 2分布、(c)DNB的生長(cháng)速率和(d)DNB在顆粒組分中沿深度方向的分數的模型評估系統的生物膜作為進(jìn)水NO3--N濃度的函數,范圍為10至30 mg N/L(方案E4)。模擬條件:生物膜厚度=825μm,本體液體pH=7.5,H2壓力=5 psig,HRT=80 min,CO2添加量=50 mg/L,進(jìn)水SO4 2-濃度為20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側,深度為離膜側的距離。

圖5、(a)H 2和NO 3-和(b)CO 2曲線(xiàn)的模型評估,(c)DNB沿生物膜深度的生長(cháng)速率,以及(d)NO3-系統的去除通量作為生物膜的函數厚度范圍從200到1000μm。模擬條件:本體液體pH=7.5,H 2壓力=5 psig,HRT=80 min,CO 2添加量=50 mg/L,進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側,深度為離膜側的距離。圖9d比較了不同生物膜厚度下的NO3-去除通量,結果顯示生物膜厚度為600μm時(shí)的反硝化率最高。


結論與展望:基于H2的膜生物膜反應器(H 2-MBfR)是一種用于去除供水中硝酸鹽(NO3-)的新興技術(shù)。在這項研究中,研究人員開(kāi)發(fā)了一種實(shí)驗室規模的H2-MBfR,設置配置的優(yōu)化設計是通過(guò)將H 2-MBfR連接到分離的CO 2提供系統以更精確地添加CO2以及連接到可以提供原位收集的數據的多功能微傳感器測量單元(unisense微剖面分析系統)來(lái)實(shí)現的。使用原位檢測系統(unisense)測試生物膜中的底物梯度來(lái)校準模型,通過(guò)使用微操作器、計算機和微傳感器組成的微傳感器測量單元通過(guò)微傳感器接入端口連接到側流通池,微傳感器嵌入到微傳感器中。該系統可以很好的應用于HFM附著(zhù)生物膜生物膜內原位定量NO 3-和H 2的原位測試。然后使用校準的模型在最佳操作條件下揭示生物膜的微環(huán)境(例如化學(xué)梯度和微生物群落結構)。相關(guān)研究建立了一個(gè)更復雜的模型來(lái)捕捉CO2介導的氫營(yíng)養反硝化過(guò)程中的微生物行為,通過(guò)考慮無(wú)機碳源和本體液體pH對微生物微生物代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)的同步影響進(jìn)行擴展,并通過(guò)比較校準微傳感器測量單元的測量值(即,H 2-MBfR的生物膜中的底物梯度)和模型預測。由于涉及精確供應CO2的優(yōu)勢和生物膜微環(huán)境的在線(xiàn)監測,所開(kāi)發(fā)的系統具有良好的可靠性和靈活性,可以作為從地下水中去除NO3-的有吸引力的候選者,并且所提出的模型為指導系統的維護和管理提供了有力的工具。