Determining the optimal transmembrane gas pressure for nitrification in membrane-aerated biofilm reactors based on oxygen profile analysis

基于氧剖面分析確定膜曝氣生物膜反應(yīng)器中硝化的最佳跨膜氣體壓力

來源：Applied Microbiology and Biotechnology, Volume 100, 2016, Pages 7699-7711

《應(yīng)用微生物學(xué)與生物技術(shù)》第100卷，2016年，第7699-7711頁(yè)

 

摘要

本研究調(diào)查了跨膜氣體壓力（Pg）對(duì)膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）中銨去除率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Pg從2 kPa增加到20 kPa時(shí)，特定銨去除率從4.98 gN m?2 day?1增加到9.26 gN m?2 day?1，但改進(jìn)并非線性，存在一個(gè)閾值（Pg=10 kPa），超過該閾值后銨去除率改善不顯著。通過氧剖面分析，發(fā)現(xiàn)生物膜由銨氧化活性層和非活性層組成，氧滲透深度（dp）隨Pg增加而增加，但dp與Pg的比值在活性層和非活性層不同，從而可確定活性層厚度和最佳Pg。

 

研究目的

研究目的是探究跨膜氣體壓力（Pg）對(duì)MABR中硝化過程的影響，確定最佳Pg以最大化銨去除效率，并基于氧剖面分析開發(fā)一種優(yōu)化MABR操作的方法，以實(shí)現(xiàn)高效氮去除。

 

研究思路

研究使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模MABR，在生物膜厚度約600 μm條件下，操作Pg從2 kPa到20 kPa變化。通過測(cè)量銨去除率、氮化合物濃度（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）、溶解氧（DO）剖面和pH值，結(jié)合Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)氧分布，分析氧滲透深度與Pg的關(guān)系，并計(jì)算氧通量和銨去除動(dòng)力學(xué)，以揭示Pg對(duì)硝化性能的影響機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了特定銨去除率（v）隨Pg（2-20 kPa）的變化。數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于顯示銨去除率在Pg低于10 kPa時(shí)顯著增加，超過10 kPa后改善有限，表明存在最佳Pg閾值，為優(yōu)化MABR能耗和效率提供依據(jù)。

 

2 測(cè)量了生物膜內(nèi)溶解氧（DO）剖面，即DO濃度隨深度的變化。數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義在于揭示氧在生物膜中的分布規(guī)律，區(qū)分活性層（近膜表面，氧快速消耗）和非活性層（遠(yuǎn)離膜表面，氧擴(kuò)散為主），幫助理解傳質(zhì)和反應(yīng)耦合過程。

 

3 測(cè)量了氧滲透深度（dp）與Pg的關(guān)系。數(shù)據(jù)來自圖6。研究意義在于發(fā)現(xiàn)dp隨Pg增加而增加，但斜率變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)活性層厚度（213 μm），可用于確定最佳Pg，避免過度曝氣。

 

4 測(cè)量了膜表面DO濃度（SO2,m）與Pg的關(guān)系。數(shù)據(jù)來自圖9。研究意義在于證實(shí)Pg增加導(dǎo)致膜表面DO升高，但銨去除率不線性增加，強(qiáng)調(diào)氧傳遞與微生物活性的平衡重要性。

 

 

結(jié)論

1 跨膜氣體壓力存在閾值（Pg=10 kPa），超過該值后銨去除率無法顯著提高，因此10 kPa為MABR中硝化過程的最佳操作壓力。

2 膜曝氣生物膜由銨氧化活性層（厚度約213 μm）和非活性層組成；氧滲透深度dp與Pg的比值在活性層較小（12.64 μm kPa?1），在非活性層較大（47.50 μm kPa?1），該變化可用于識(shí)別活性層厚度。

3 基于氧剖面分析的方法可有效確定最佳Pg和活性層特征，為MABR設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量溶解氧數(shù)據(jù)的研究意義在于實(shí)現(xiàn)了生物膜內(nèi)氧濃度的高空間分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電極的微米級(jí)精度（10 μm直徑）和快速響應(yīng)能力允許精確捕捉氧剖面（如圖4所示），從而量化氧滲透深度和活性層邊界。這些數(shù)據(jù)直接揭示了Pg對(duì)氧傳遞和微生物耗氧的影響，例如顯示氧在活性層內(nèi)快速消耗（曲線下降），而在非活性層線性擴(kuò)散。通過對(duì)比有/無銨喂養(yǎng)下的氧剖面（圖5），電極數(shù)據(jù)幫助區(qū)分反應(yīng)和擴(kuò)散主導(dǎo)區(qū)域，驗(yàn)證了生物膜分層模型。此外，電極測(cè)量支持了dp與Pg的線性關(guān)系建模（圖6），為確定最佳Pg提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這種高分辨率監(jiān)測(cè)提升了MABR過程控制的可靠性，減少了傳統(tǒng)方法的不確定性，有助于優(yōu)化曝氣策略和能耗。