Enhancement of anammox performance in a novel non-woven fabric membrane bioreactor(nMBR)

新型無紡布膜生物反應器（nMBR）中厭氧氨氧化性能的增強

來源：RSC Advances, 2015, Volume 5, pages 86875-86884

《RSC進展》，2015年，第5卷，86875-86884頁

 

摘要

摘要部分闡述了為了減少傳統膜生物反應器（cMBR）的操作成本和膜污染，本研究構建了一種新型無紡布膜生物反應器（nMBR），并比較了兩種MBR在厭氧氨氧化（anammox）培養中的性能。結果表明，nMBR的啟動時間（44天）顯著短于cMBR（56天），且nMBR的氮去除率（231.5 mg N/L/d）是cMBR（112.3 mg N/L/d）的兩倍。通過Illumina MiSeq測序、FISH和qPCR分析，發現nMBR中富集了更多的anammox細菌（如Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia），且N2O排放分析顯示nMBR在減少溫室氣體排放方面具有優勢。這些結果證明nMBR是anammox啟動和性能增強的潛在選擇。

 

研究目的

研究目的是比較新型無紡布膜生物反應器（nMBR）和傳統膜生物反應器（cMBR）在厭氧氨氧化過程啟動和性能方面的差異，重點評估nMBR在減少膜污染、降低操作成本、提高氮去除效率及減少N2O排放方面的潛力，以推動anammox技術在廢水處理中的實際應用。

 

研究思路

研究思路包括構建兩個實驗室規模的MBR（cMBR使用中空纖維膜，nMBR使用無紡布膜），接種相同混合污泥（1/4 anammox污泥和3/4厭氧顆粒污泥），在相同條件下（溫度33°C，HRT從96h逐步縮短）運行130天。通過監測氮去除性能、生物量保留、微生物群落結構（使用Illumina MiSeq測序、FISH和qPCR）、N2O排放（使用丹麥Unisense電極）和膜污染（TMP）等指標，系統比較兩種反應器的性能。數據分析結合動力學模型和統計方法，以揭示nMBR的優勢機制。

 

測量的數據及研究意義

1. 氮去除性能數據（來自圖2和圖3）：測量了銨離子（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）的濃度變化、氮去除率（NRR）和去除效率。研究意義是評估nMBR和cMBR的anammox活性，nMBR顯示更快的啟動和更高的NRR，表明無紡布膜能增強氮去除能力，為高效廢水處理提供依據。

 

 

2. 生物量保留數據：測量了混合液懸浮固體（MLSS）和出水懸浮固體（SS）。研究意義是證明nMBR通過無紡布膜促進生物膜形成，減少生物量流失，提高生物質保留，這對于慢速生長的anammox細菌富集至關重要。

3. 微生物群落數據（來自圖4、圖5和FISH/qPCR結果）：通過Illumina MiSeq測序分析了細菌群落組成（如Planctomycetes、Proteobacteria等），FISH半定量分析anammox細菌比例，qPCR定量anammox細菌拷貝數（如nMBR在120天達1.07×10^9 copies/mL）。研究意義是揭示nMBR富集更多anammox細菌，解釋其性能優勢，并為微生物生態研究提供數據。

 

 

4. N2O排放數據（來自圖6）：使用丹麥Unisense電極測量液體中N2O濃度（μmol/L）和N2O/NRR比值。研究意義是評估anammox過程中溫室氣體排放，nMBR顯示更低的N2O排放指數，表明其在減少環境影響方面的優勢，支持綠色廢水處理技術開發。

 

5. 膜污染數據（來自圖7）：測量了跨膜壓力（TMP）變化。研究意義是證明nMBR的TMP發展更慢（最高25kPa vs cMBR的45kPa），表明無紡布膜減輕膜污染，降低維護成本，提升工程可行性。

 

 

結論

1. nMBR比cMBR能更快啟動anammox過程（44天 vs 56天），并獲得更高氮去除率（245.4 mg N/L/d vs 122.6 mg N/L/d），顯示無紡布膜在增強性能方面的顯著優勢。

2. nMBR促進生物膜形成，富集更多anammox細菌（qPCR顯示拷貝數更高），微生物群落分析證實Planctomycetes等關鍵菌群富集，支持其高效氮去除。

3. nMBR減少N2O排放，表明其在溫室氣體減排方面的潛力，同時膜污染更輕，TMP更低，降低了操作成本，使nMBR成為anammox技術應用的理想選擇。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量N2O排放數據的研究意義在于，它提供了高精度的原位溶解N2O濃度監測，能夠實時跟蹤anammox過程中溫室氣體的動態變化。在本文中，電極測量顯示nMBR的N2O排放低于cMBR（如圖6所示），這有助于識別N2O產生機制（如反硝化或硝化副產物），并驗證anammox過程的純凈性。通過量化N2O/NRR比值，電極數據直接關聯到處理效率和環境影響，證明nMBR在減少碳足跡方面的優勢。此外，這種測量方法克服了傳統抓取采樣的局限性，為在線監測和過程控制提供了可靠工具，支持廢水處理廠的可持續運營。