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(yíng)養(yǎng)反硝化過程推動(dòng)低碳的有效處理

來源：Bioresource Technology 364 (2022) 128036

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文開發(fā)了一種基于玄武巖纖維生物載體（BF）的生物接觸氧化反應(yīng)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(guān)鍵發(fā)現(xiàn)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(huán)境：BF形成的“生物巢”（bio-nest）創(chuàng)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(yíng)養(yǎng)反硝化（圖4）。

 

 

微生物機(jī)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(shí)現(xiàn)脫氮（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

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

3. 研究思路

 

采用現(xiàn)場(chǎng)中試對(duì)比與多尺度機(jī)制解析：

 

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：

R-BF組：填充玄武巖纖維載體，形成生物巢（圖1a,c,d）。

R-AS對(duì)照組：傳統(tǒng)活性污泥法，需每日添加100 kg葡萄糖（圖1b）。

操作優(yōu)化：

階段Ⅰ（60天）：固定HRT=12 h，優(yōu)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(yōu)化HRT（6-16 h）（圖2d-f）。

機(jī)制探究：

動(dòng)力學(xué)模型（Grau/Stover-Kincannon/Monod模型）（圖3）。

 

生物巢參數(shù)（DO梯度、EPS、生物量）（圖4，表1）。

 

微生物群落（全長(zhǎng)16S測(cè)序）與功能預(yù)測(cè)（FAPROTAX）（圖5-6）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源與意義

測(cè)量指標(biāo) 數(shù)據(jù)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(jié)省碳源輸入。

生物巢DO梯度 圖4 核心意義：量化微區(qū)氧分層（0.73→0.13 mg/L），驅(qū)動(dòng)SND的微環(huán)境基礎(chǔ)。

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(wěn)定微環(huán)境。

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

脫氮?jiǎng)恿W(xué)參數(shù) 圖3a-c Stover-Kincannon模型顯示最大TN去除負(fù)荷(Umax)=4.462 kg/m3/d（工業(yè)應(yīng)用潛力）。

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

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

 

技術(shù)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(dá)微米級(jí)，原位測(cè)量生物巢內(nèi)部溶解氧（DO）剖面。

通過步進(jìn)電機(jī)控制垂直移動(dòng)（精度1 μm），實(shí)時(shí)記錄生物膜/溶液界面的氧擴(kuò)散-消耗動(dòng)態(tài)（圖4）。

 

研究發(fā)現(xiàn)與意義：

 

DO梯度驗(yàn)證：

生物巢從外到內(nèi)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(yán)格的好氧→缺氧梯度。

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

 

缺氧區(qū)功能關(guān)聯(lián)：

核心缺氧區(qū)（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(qū)動(dòng)反硝化路徑，破解低碳氮比廢水脫氮難題。

 

代謝耦合證據(jù)：

DO梯度與EPS/生物量負(fù)相關(guān)（RDA分析，圖6）：低DO區(qū)對(duì)應(yīng)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(huán)境（DO）-生物特性（EPS）-功能菌群的協(xié)同機(jī)制。

 

方法論貢獻(xiàn)：

 

突破宏觀局限：傳統(tǒng)DO傳感器無法解析生物巢內(nèi)部微米級(jí)氧分布，Unisense首次實(shí)現(xiàn)功能分區(qū)可視化。

指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)：DO梯度數(shù)據(jù)為優(yōu)化載體結(jié)構(gòu)（如纖維密度、長(zhǎng)度）提供量化依據(jù)，推動(dòng)BF載體工業(yè)化應(yīng)用。

 

6. 結(jié)論

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

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(tǒng)穩(wěn)定性（污泥齡90天 vs. R-AS的6天）。

 

微生物機(jī)制：

混合營(yíng)養(yǎng)反硝化主導(dǎo)：Hydrogenophaga（HN-AD）和Ottowia（反硝化）通過氮呼吸、硝酸鹽還原等路徑實(shí)現(xiàn)高效脫氮（FAPROTAX功能預(yù)測(cè)）。

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

 

應(yīng)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(chǎn)量。

 

7. 圖表索引

 

圖1：R-BF/R-AS反應(yīng)器設(shè)計(jì) → 技術(shù)對(duì)比

圖2：污染物去除效率 → 工藝優(yōu)化依據(jù)

圖3：動(dòng)力學(xué)模型擬合 → 脫氮潛力量化

圖4：Unisense DO剖面 → 微環(huán)境機(jī)制實(shí)證

圖5：微生物群落熱圖 → 功能菌解析

圖6：RDA分析 → 環(huán)境因子-菌群關(guān)聯(lián)

表1：生物巢多參數(shù) → 微環(huán)境穩(wěn)定性證據(jù)

 

本研究通過Unisense微電極等原位技術(shù)，揭示了BF生物巢的微區(qū)脫氮機(jī)制，為工業(yè)廢水低碳脫氮提供新范式。