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

使用可生物降解聚合物作為碳源的地下水反硝化：長期性能和微生物多樣性

來源：RSC Advances, Volume 7, 2017, Pages 53454-53462

《RSC進展》，第7卷，2017年，頁碼53454-53462

 

摘要

這篇論文研究了使用可生物降解聚合物聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作為生物膜介質和碳源，在填充床生物反應器中連續運行近2年，去除地下水中硝酸鹽的性能。摘要指出，出水硝酸鹽濃度達到3.3-8.8 mg/L，硝酸鹽去除率為88-97%。反硝化速率在20-29°C時為0.25-0.35 g N/L/d，在10-18°C時降至0.12 g N/L/d。微電極分析顯示硝酸鹽消耗速率（1069±103 μmol/cm/h）遠高于銨生產速率（74±7 μmol/cm/h），證明反硝化是主要作用。出水中溶解性有機碳（DOC）和銨濃度較低（DOC 1.7±0.6 mg/L，銨0.5±0.3 mg/L），有利于實際應用。PBS消耗速率為2.75±0.72 g PBS/g NO3-N。微生物群落分析顯示，附著生物膜中主要菌門為變形菌門（75.6%），屬水平中Simplicispira等反硝化菌占16%。

 

研究目的

研究目的是評估使用PBS作為碳源的地下水反硝化系統的長期性能，包括硝酸鹽去除效率、反硝化速率、出水水質，并分析PBS降解特性、生物膜附著情況和微生物群落結構，為地下水硝酸鹽污染治理提供實踐參考。

 

研究思路

研究思路首先建立PBS填充床生物反應器，連續運行近2年，模擬地下水處理。通過監測進水出水硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨濃度、DOC等參數，評估反硝化性能。利用微電極測量生物膜內部硝酸鹽和銨的濃度剖面，計算凈消耗速率。通過掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜分析PBS降解特性，并通過高通量測序分析微生物群落結構，從宏觀和微觀角度全面評估系統性能。

 

測量的數據及研究意義

1 硝酸鹽去除效率和反硝化速率數據：測量了不同溫度下出水硝酸鹽濃度和反硝化速率，來自圖2和表1。研究意義是證實PBS反硝化系統在長期運行中保持高去除率（88-97%），但溫度降低時性能下降，突出溫度控制的重要性，為工藝優化提供依據。

 

 

2 PBS降解速率和消耗量數據：通過重量變化測量PBS降解速率，計算PBS消耗量，來自圖4。研究意義是顯示PBS降解線性進行（約0.04 mg/天），消耗量略高于理論值，表明需定期補充碳源，為經濟性評估提供數據。

 

 

3 生物膜內部氮轉化微剖面數據：使用微電極測量硝酸鹽和銨在生物膜內的空間濃度分布，來自圖3。研究意義是直接揭示硝酸鹽消耗主要發生在生物膜外層，銨生產速率低，證明反硝化主導，微觀驗證系統機制。

 

 

4 微生物群落組成數據：通過高通量測序分析生物膜中菌門、綱、屬水平分布，來自圖8和表2。研究意義是發現變形菌門為主（75.6%），反硝化菌如Simplicispira豐度高（16%），闡明微生物驅動反硝化過程，為群落調控提供基礎。

 

 

 

結論

PBS反硝化系統能長期有效去除地下水硝酸鹽，去除率達88-97%，但溫度低于20°C時性能下降。反硝化是主要途徑，出水水質良好。微生物群落以反硝化菌為主，系統需定期補充PBS以維持運行。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量硝酸鹽和銨濃度剖面的研究意義在于實現了生物膜內部空間的高分辨率原位監測。微電極系統（如硝酸鹽和銨微電極）具有微小尖端（5-15μm），能穿透生物膜測量不同深度的濃度梯度，從而計算凈消耗速率（如硝酸鹽消耗速率1069±103 μmol/cm/h）。這提供了直接證據證明反硝化是主要過程，而非其他氮轉化途徑。通過揭示生物膜外層為活性反硝化區，該技術彌補了宏觀測量的不足，為理解反應機制和優化生物膜工藝提供了微觀依據，最終支持地下水處理系統的設計和調控。