Model Evaluation of the Microbial Metabolic Processes in a Hydrogen-Based Membrane Biofilm Reactor for Simultaneous Bromate and Nitrate Reduction

同時還原溴酸鹽和硝酸鹽的氫基膜生物膜反應(yīng)器中微生物代謝過程的模型評估

來源：Membranes 2022, 12, 774.

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究開發(fā)了一個基于AQUASIM平臺的多物種生物膜模型，用于解析氫基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器（H?-MBfR）中溴酸鹽（BrO??）和硝酸鹽（NO??）的協(xié)同還原機制。通過結(jié)合實驗數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型參數(shù)，揭示了關(guān)鍵操作參數(shù)（H?壓力、BrO??/NO??負(fù)荷、CO?壓力）對生物膜微環(huán)境、微生物群落分布及代謝活性的影響。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

最佳H?壓力：0.04 MPa時BrO??和NO??去除通量最高（0.041 g/(m2·d)和0.42 g N/(m2·d)），且H?損失最小（圖6a,b）。

 

競爭抑制：NO??濃度＞10 mg N/L時顯著抑制BrO??還原（BrO??去除通量從0.041降至0.011 g/(m2·d)）（圖6c,d）。

 

CO?影響：CO?壓力＞0.02 MPa導(dǎo)致pH下降（pH 6.0–6.9），抑制反硝化菌（DNB）活性但對溴酸鹽還原菌（BRB）影響較小（圖10e,f）。

 

 

微生物競爭：BRB在酸性環(huán)境中耐受性更強，而DNB在NO??高負(fù)荷下占據(jù)競爭優(yōu)勢（BRB生物膜占比從20%降至1%）（圖9d）。

 

 

 

研究目的

 

建立定量模型：填補BrO??與NO??協(xié)同還原的生物膜模型空白，整合CO?作為碳源和pH調(diào)節(jié)因子的影響。

 

揭示機制：解析H?壓力、污染物負(fù)荷和CO?壓力對生物膜內(nèi)底物梯度、微生物空間分布及代謝活性的調(diào)控機制。

 

優(yōu)化工藝：確定H?-MBfR同步去除BrO??和NO??的最佳操作參數(shù)。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 “實驗校準(zhǔn)-模型驗證-模擬預(yù)測” 的三步策略：

 

實驗設(shè)計：

 

運行實驗室規(guī)模H?-MBfR（圖1），通過長期實驗（140天）校準(zhǔn)模型參數(shù)（μBRB=0.85 d?1, μDNB=0.57 d?1等）（圖4）。

 

 

 

短期實驗探究H?壓力（0.01–0.08 MPa）、NO??負(fù)荷（1–20 mg N/L）、CO?壓力（0.004–0.036 MPa）對污染物去除的影響（圖6）。

 

模型開發(fā)：

 

擴展多物種生物膜模型（圖2），包含BRB、DNB、EPS等10種組分（表1）及其代謝動力學(xué)方程（表2）。

 

 

 

 

引入pH抑制因子（fpH）量化酸性環(huán)境對微生物活性的影響（公式2）。

 

 

驗證與應(yīng)用：

 

模型預(yù)測與實驗數(shù)據(jù)高度吻合（R2＞0.91）（圖4,6）。

 

 

模擬生物膜內(nèi)底物梯度（H?、BrO??、NO??）、微生物分布（BRB/DNB占比）及代謝活性空間變化（圖7–10）。

 

 

 

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 污染物去除通量（圖6）

 

數(shù)據(jù)：

 

H?壓力0.04 MPa時，BrO??和NO??去除通量達(dá)峰值（0.041 g/(m2·d)和0.42 g N/(m2·d)）。

 

NO??濃度從10增至20 mg N/L時，BrO??去除通量下降73%（0.041→0.011 g/(m2·d)）。

 

意義：明確電子供體（H?）和電子受體（NO??）競爭是工藝性能的關(guān)鍵限制因素。

 

2. 生物膜內(nèi)微生物分布（圖7d, 9d）

 

數(shù)據(jù)：

 

DNB始終占生物膜主導(dǎo)（＞70%），BRB占比隨BrO??負(fù)荷增加而上升（0.1→1.0 mg/L時從5%增至15%）。

 

NO??＞10 mg N/L時BRB占比驟降至1%（圖9d）。

 

意義：揭示DNB與BRB的空間競爭關(guān)系，為調(diào)控微生物群落提供依據(jù)。

 

3. 代謝活性空間梯度（圖7e,f, 10e,f）

 

數(shù)據(jù)：

 

BRB活性在生物膜外層（近液相）較高，DNB活性在內(nèi)層（近膜表面）較強（圖7e,f）。

 

CO?壓力＞0.02 MPa時，DNB活性下降＞50%，BRB活性僅下降20%（圖10e,f）。

 

意義：證實BRB耐酸性優(yōu)于DNB，指導(dǎo)CO?投加策略以優(yōu)化協(xié)同還原。

 

核心結(jié)論

 

最佳操作窗口：

 

H?壓力0.04 MPa、CO?壓力≤0.02 MPa（pH＞7.0）、NO??濃度≤10 mg N/L時，BrO??和NO??同步去除效率最高。

 

微生物競爭機制：

 

NO??高負(fù)荷下DNB競爭優(yōu)勢顯著，抑制BRB活性；BRB耐酸性（pH 6.0–6.9）使其在低pH環(huán)境下仍有活性。

 

模型可靠性：校準(zhǔn)后的模型可準(zhǔn)確預(yù)測底物梯度與微生物活性（R2＞0.91），為工藝放大提供理論工具。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理與實驗設(shè)計

 

Unisense H?微電極（H210型）：

 

測量原理：電化學(xué)傳感，實時監(jiān)測溶解態(tài)H?濃度（μg/L）。

 

安裝位點：H?-MBfR反應(yīng)器內(nèi)，直接插入生物膜/液相界面（圖1）。

 

校準(zhǔn)方法：預(yù)極化后，以N?飽和（零點）和H?飽和（量程）溶液校準(zhǔn)。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機制解析

 

H?傳質(zhì)限制（圖6a, 8a）：

 

H?壓力＜0.04 MPa時，生物膜外層（＞200 μm）H?濃度＜半飽和常數(shù)（0.002 mg/L），限制微生物代謝。

 

Unisense數(shù)據(jù)直接驗證模型預(yù)測的H?梯度（圖8a），證實H?擴散是DNB/BRB活性的關(guān)鍵限制因素。

 

電子供體競爭量化：

 

Unisense測得液相H?濃度（0.0074 mg/L）與模型預(yù)測值（0.008 mg/L）高度吻合（圖6a），為電子供體分配機制提供直接證據(jù)。

 

發(fā)現(xiàn)H?壓力＞0.04 MPa時H?逸散（圖6a），指導(dǎo)優(yōu)化供氣策略以減少能耗。

 

研究意義

 

工藝優(yōu)化：Unisense數(shù)據(jù)直接識別H?傳質(zhì)瓶頸（0.002 mg/L閾值），推動H?壓力精準(zhǔn)調(diào)控至0.04 MPa。

 

模型驗證：原位H?濃度監(jiān)測為生物膜模型提供高精度驗證數(shù)據(jù)，提升模型預(yù)測可靠性（圖6 vs 圖8）。

 

創(chuàng)新洞察：揭示生物膜內(nèi)H?梯度與微生物活性的空間耦合關(guān)系（如DNB活性峰值區(qū)與H?高濃度區(qū)重合），深化對競爭機制的理解。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極首次實現(xiàn)了H?-MBfR中溶解H?的原位監(jiān)測，結(jié)合多物種模型揭示了BrO??/NO??協(xié)同還原的競爭機制，為飲用水處理中氧化性污染物的高效生物去除提供了理論和技術(shù)支撐。