Suitable flow pattern increases the removal efficiency of nitrogen in gravity sewers: a suitable anoxic and aerobic environment in biofilms

合適的流動模式提高重力下水道中氮的去除效率：生物膜中合適的缺氧和好氧環境

來源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 15743-15753

《環境科學與污染研究》，第25卷，2018年，第15743-15753頁

 

摘要

摘要部分闡述了下水道具有碳去除功能，但如果能在碳去除的同時增強氮去除效果，可以為實現“下水道作為反應器”奠定基礎。論文研究了剪切應力和C/N比對下水道內壁生物膜上氮去除和氮轉移的影響。主要結論包括：氮可以通過一系列反應部分去除；生物膜中存在厭氧、缺氧、好氧環境和一些與氮代謝相關的細菌，促進硝化和反硝化；在C/N比為10、剪切應力為1.4 Pa的生物膜中檢測到722個與氮代謝相關的功能基因，占所有基因的0.67%，其中與反硝化相關的功能基因占主導。

 

研究目的

研究目的是探究剪切應力和C/N比對下水道生物膜中氮去除和轉移的影響，探索氮在生物膜中的轉化機制，為增強下水道氮去除提供基礎，同時實現碳和氮的同步去除，減少后續處理廠的負荷。

 

研究思路

研究思路首先使用模擬下水道的反應器，設置不同剪切應力（1.15 Pa、1.4 Pa、2.0 Pa）和C/N比（2、5、10）條件，培養生物膜。通過微電極技術測量生物膜中溶解氧（DO）、銨氮（NH4+）、亞硝酸鹽氮（NO2-）、硝酸鹽氮（NO3-）等濃度的分布，分析氮去除效率。同時，進行宏基因組測序，分析微生物群落和功能基因，以揭示氮代謝途徑。實驗還包括對不同DO濃度（1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L）下氮轉化的研究。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了生物膜厚度在不同剪切應力和C/N比下的變化，數據來自Fig. 2a。研究意義：生物膜厚度影響物質擴散和反應環境，剪切應力增加導致厚度減小（從2.3 mm到1.6 mm），C/N比增加導致厚度增加（從1.7 mm到2.0 mm），這有助于優化水力條件以增強氮去除。

 

2 測量了進水和出水中的COD、NH4+、NO2-、NO3-、TN濃度，數據來自Fig. 2b和Fig. 4a。研究意義：評估氮去除效率，剪切應力為1.4 Pa時TN去除效率較高（62%），C/N比為10時COD去除效率較高（87.67%），表明剪切應力是主導因素，有利于物質擴散。

 

3 測量了生物膜中DO、NH4+、NO2-、NO3-濃度的分布，數據來自Fig. 3、Fig. 4b-e、Fig. 5。研究意義：揭示生物膜內好氧、缺氧、厭氧環境的形成（例如，DO濃度隨深度增加而減少），促進同時硝化和反硝化，優化氮轉化過程。

 

 

4 測量了功能基因通過宏基因組測序，檢測到722個氮代謝基因，數據來自文本描述（無具體圖）。研究意義：了解微生物氮代謝途徑，反硝化基因占主導（350個序列），證實生物膜在氮去除中的關鍵作用。

 

結論

1 氮可以在下水道中部分去除，通過生物膜中的微生物活動實現。

2 生物膜中的厭氧、缺氧、好氧環境和相關細菌（如Proteobacteria）促進硝化和反硝化反應。

3 檢測到豐富的氮代謝功能基因，反硝化相關基因占主導，支持下水道作為反應器的潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量數據的研究意義在于精確量化生物膜中溶解氧（DO）、銨氮（NH4+）、亞硝酸鹽氮（NO2-）、硝酸鹽氮（NO3-）等濃度的梯度分布，從而深入理解生物膜內微環境的變化。這些測量顯示DO濃度隨生物膜深度增加而減少，形成好氧、缺氧和厭氧的分層環境（例如，在剪切應力1.4 Pa下，DO從1.96 mg/L減少到0.09 mg/L），這促進了同時硝化和反硝化過程，優化氮去除效率。此外，電極數據幫助識別N2O等溫室氣體的產生條件（如低DO濃度下N2O積累），評估環境 impact，并為調節水力條件（如剪切應力）提供依據，以增強氮去除同時減少溫室氣體排放。這種高精度測量為下水道作為生化反應器的設計和管理提供了關鍵參數。