Feasibility of using basalt fiber as biofilm Carrier to construct bio-nest for wastewater treatment

使用玄武巖纖維作為生物膜載體構(gòu)建生物巢用于廢水處理的可行性

來源：Chemosphere, Volume 212, 2018, Pages 768-776

《化學(xué)圈》，第212卷，2018年，第768-776頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究評估了使用玄武巖纖維（BF）作為生物膜載體形成球狀聚集體（稱為生物巢）的可行性，用于廢水處理。通過比較有BF載體（R-BF）和無載體（R-CO）的反應(yīng)器，研究了營養(yǎng)物去除、氧質(zhì)量傳輸、生物活性以及生物膜吸附特性。結(jié)果表明，BF載體能實現(xiàn)高水平的碳和氮去除，化學(xué)需氧量（COD）和氮去除率分別達90%和84.15%，同步硝化反硝化（SND）率為95.22%。微電極測量顯示氧能滲透到生物巢核心（深度達50mm），且活細菌在60mm深度被檢測到。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析表明，胞外聚合物（EPS）中的多糖和蛋白質(zhì)功能團在聚集BF形成生物巢中起關(guān)鍵作用。BF作為載體介質(zhì)在廢水處理中具有潛力。

 

研究目的

研究目的是評估玄武巖纖維（BF）作為生物膜載體在廢水處理中的可行性，特別是構(gòu)建生物巢以實現(xiàn)高效碳和氮去除，并探討氧傳輸、細菌活性以及EPS在生物巢形成中的作用，為開發(fā)新型載體介質(zhì)提供理論依據(jù)和實踐支持。

 

研究思路

研究思路基于設(shè)置兩臺反應(yīng)器：一臺裝有BF載體（R-BF），另一臺無載體作為控制（R-CO），使用合成廢水在不同COD:N比（從100:20到100:5）下運行210天。通過監(jiān)測COD、NH4-N和TN的去除效率，評估生物巢的性能。使用微電極系統(tǒng)測量溶解氧（DO）微剖面，確定氧在生物巢中的傳輸特性；通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和Live/Dead染色分析細菌活性；利用FTIR分析BF表面的EPS功能團，揭示生物膜吸附機制。數(shù)據(jù)采集包括水質(zhì)參數(shù)、氧濃度剖面、細菌活性圖像和光譜特征，并結(jié)合統(tǒng)計分析和比較驗證結(jié)果。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：COD、NH4-N和TN的去除效率，來自Fig.2。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示R-BF反應(yīng)器在所有COD:N比下均能高效去除COD（超90%），且氮去除率顯著高于R-CO反應(yīng)器（最高TN去除率82.07%），證明BF載體能增強同步硝化反硝化能力，為廢水處理提供更高效的生物膜系統(tǒng)。

 

2 數(shù)據(jù)：DO濃度隨生物巢深度的微剖面，來自Fig.3。研究意義：微電極測量顯示DO能滲透到50mm深度，且濃度波動表明氧傳輸在厘米尺度不受限，這揭示了生物巢內(nèi)部的好氧環(huán)境支持微生物活動，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)生物膜厚度限制的認知。

 

3 數(shù)據(jù)：細菌活性通過Live/Dead染色的共聚焦圖像，來自Fig.4。研究意義：圖像顯示即使在60mm深度也有活細菌分布，表明生物巢在深層仍保持生物活性，這證實了BF載體能支持厚生物膜的可持續(xù)性，對廢水處理中的生物量保留和效率提升至關(guān)重要。

 

4 數(shù)據(jù)：生物膜吸附特性和EPS功能團分析，來自Fig.5和Fig.6。研究意義：SEM圖像顯示BF被生物膜緊密包裹，F(xiàn)TIR光譜揭示EPS中的多糖和蛋白質(zhì)功能團（如C=O、C-N）在吸附和交叉鏈接BF中起主導(dǎo)作用，這解釋了生物巢結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的機制，為載體設(shè)計提供了分子水平見解。

 

 

 

結(jié)論

1 BF作為生物膜載體能形成厘米尺度的生物巢，實現(xiàn)高效碳和氮去除，COD去除率超90%，TN去除率最高達82.07%，表明其在廢水處理中具有優(yōu)越性能。

2 氧傳輸在生物巢內(nèi)部不受限，微電極測量顯示DO能到達50mm深度，支持了好氧和厭氧微生物的共存，增強了同步硝化反硝化能力。

3 細菌活性在生物巢深層（如60mm）仍被檢測到，證明BF載體能維持厚生物膜的生物活性，突破了傳統(tǒng)生物膜的厚度限制。

4 EPS中的多糖和蛋白質(zhì)功能團是關(guān)鍵吸附因子，通過FTIR分析證實它們促進了BF的聚集和生物巢穩(wěn)定性，為優(yōu)化載體材料提供了方向。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于，該微電極系統(tǒng)（如OX-10型）通過高精度自動化測量生物巢內(nèi)的溶解氧（DO）微剖面，提供了對內(nèi)部微環(huán)境的空間解析。在本文中，微電極用于繪制DO濃度隨深度變化的曲線（Fig.3），步長設(shè)為200μm，數(shù)據(jù)通過Unisense數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。這種測量意義在于：首先，它直接量化了氧的滲透能力，顯示DO能到達50mm深度，且濃度波動（從4.3 mg/L到0 mg/L）表明氧傳輸在厘米尺度不受擴散限制，這解釋了生物巢如何支持深層微生物的好氧代謝。其次，微電極數(shù)據(jù)驗證了生物巢的分層結(jié)構(gòu)，好氧和厭氧區(qū)共存，這對于同步硝化反硝化（SND）過程至關(guān)重要，因為硝化需要氧而反硝化需要厭氧條件。最后，該技術(shù)指導(dǎo)了樣本采集位置（如不同深度切片），使后續(xù)CLSM和活性分析能 targeted 進行，避免了傳統(tǒng)方法的盲目性，為研究厚生物膜提供了可靠工具。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)將物理氧傳輸與生物學(xué)響應(yīng)鏈接，深化了對生物巢功能的理解，并支持了BF載體在廢水處理中的可行性論證。