Factors affecting performance and functional stratification of membrane-aerated biofilms with a counter-diffusion configuration  

基于反擴(kuò)散配置的膜曝氣生物膜性能影響因素及功能分層  

來源：RSC Advances, Volume 9, 2019, Pages 29337-29346

《RSC 進(jìn)展》，第9卷，2019年，第29337-29346頁

 

摘要  

這篇論文研究了在反擴(kuò)散配置的膜曝氣生物膜（MABs）中，生物膜厚度對(duì)功能活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)處理乙腈降解、硝化和反硝化過程。結(jié)果表明，不同表面負(fù)荷率（SLRs）下形成的生物膜厚度導(dǎo)致微生物活動(dòng)剖面顯著不同，厚MAB和薄MAB都實(shí)現(xiàn)了高乙腈去除率（>99%），但總氮（TN）去除效率差異大，厚MAB（85%）比薄MAB（36.3%）高1.3倍。比氨氧化速率（SAOR）和比乙腈降解速率（SADR）在薄和厚MAB中分別呈現(xiàn)下降和上升趨勢(shì)，而比反硝化速率（SDNR）在薄MAB中接近檢測(cè)限，在厚MAB中呈駝峰狀變化。微生物群落分析顯示群落組成中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌發(fā)生劇烈變化，多樣性低。  

 

研究目的  

本研究旨在探究生物膜厚度對(duì)膜曝氣生物膜性能的影響，包括乙腈降解、硝化和反硝化效率，并分析微生物群落結(jié)構(gòu)和功能分層，以優(yōu)化MABR設(shè)計(jì)和管理，提高復(fù)雜廢水處理效率。  

 

研究思路  

研究設(shè)置兩個(gè)膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABRs），在不同表面負(fù)荷率（SLR1和SLR2）下培養(yǎng)薄和厚生物膜，測(cè)量生物膜厚度、揮發(fā)性懸浮固體（VSS）、溶解氧（DO）濃度、微生物活性（如SAOR、SDNR、SADR），并通過變性梯度凝膠電泳（DGGE）和16S rRNA測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)。使用丹麥Unisense電極測(cè)量DO濃度，以揭示生物膜內(nèi)的氧分布和功能分區(qū)。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 生物膜厚度和VSS數(shù)據(jù)，來自Table 2。研究意義：SLR1下生物膜厚度為950μm（薄生物膜），SLR2下為1600μm（厚生物膜），VSS分別為47 g m?2和88 g m?2，表明SLR影響生物膜生長(zhǎng)，厚生物膜具有更高生物量，從而支持更復(fù)雜的功能分層。  

 

2 溶解氧（DO）濃度數(shù)據(jù)，使用丹麥Unisense電極測(cè)量。研究意義：DO濃度在生物膜內(nèi)隨深度變化，厚生物膜中氧滲透僅56%，形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)，這解釋了功能分區(qū)的形成和微生物活動(dòng)差異。  

3 微生物活性數(shù)據(jù)（SAOR、SDNR、SADR），來自Fig. 1和Fig. 2。研究意義：在薄生物膜中，SAOR從膜側(cè)向外遞減，SDNR幾乎為零；在厚生物膜中，SAOR在膜側(cè)最高，SDNR呈駝峰狀變化，SADR從內(nèi)向外增加，顯示生物膜厚度導(dǎo)致活性分層，厚生物膜支持同時(shí)硝化和反硝化。  

 

 

4 微生物群落數(shù)據(jù)（DGGE和測(cè)序），來自Fig. 3、Fig. 4、Fig. 5和Table 3。研究意義：群落結(jié)構(gòu)隨生物膜深度變化，好氧區(qū)以β-變形菌為主（如Uncultured Bacteroidetes和Hydrogenophaga），缺氧區(qū)以反硝化菌為主（如Alcaligenes和Denitrobacter），厭氧區(qū)以乙腈降解菌為主（如Comamonas和Flavobacterium），證實(shí)功能分層與微生物空間分布相關(guān)。  

 

 

 

 

結(jié)論  

1 生物膜厚度是影響MABs功能分層和性能的關(guān)鍵因素，厚生物膜在較高SLR下實(shí)現(xiàn)更高的TN去除率（85%）， due to 形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)。  

2 微生物活動(dòng)在厚生物膜中呈現(xiàn)明顯分層，SAOR在膜側(cè)最高，SDNR在中間區(qū)域最高，SADR在外層最高，支持同時(shí)處理乙腈、硝化和反硝化。  

3 微生物群落結(jié)構(gòu)隨生物膜深度劇烈變化，優(yōu)勢(shì)菌群不同，多樣性低，但功能協(xié)同。  

4 MABR技術(shù)可用于高效處理含氮有機(jī)廢水，通過控制SLR和生物膜厚度優(yōu)化性能。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

在研究中，使用丹麥Unisense Clark型微電極（ tip diameter of 10 μm）測(cè)量生物膜內(nèi)的溶解氧（DO）濃度。研究意義在于：該電極提供高分辨率、實(shí)時(shí)的DO測(cè)量，能夠精確捕捉生物膜內(nèi)氧的滲透深度和分布 profile。數(shù)據(jù)顯示，在厚生物膜中，氧滲透僅56%，導(dǎo)致外層區(qū)域厭氧，從而促進(jìn)反硝化過程；而在薄生物膜中，氧滲透近100%，整體好氧，限制反硝化。這些測(cè)量幫助量化了生物膜內(nèi)的氧化還原條件，解釋了功能分層和微生物活動(dòng)差異，為優(yōu)化MABR操作參數(shù)（如氧供應(yīng)和SLR）提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，從而增強(qiáng)廢水處理效率。