背景介紹:生物廢水處理廠(WWTPs)排放的一氧化二氮(N2O)引起了相當(dāng)大的關(guān)注，因為一氧化二氮具有極高的全球變暖潛力，并會破壞臭氧層。膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)可能是一種有前景的技術(shù)，能夠加強N2O的緩解。該反應(yīng)器采用固定膜生物處理技術(shù)，其中基質(zhì)提供氧氣輸送和促進(jìn)生物膜的形成。MABR的逆流基質(zhì)擴散幾何結(jié)構(gòu)及其特殊的生物膜生態(tài)位，與無氣泡曝氣相結(jié)合，可以防止N2O耗盡，從而促進(jìn)N2O緩解。MABR引入序貫曝氣進(jìn)行部分硝化(PN)-厭氧氨氧化已經(jīng)證明了其緩解效果。盡管如此，還沒有獲得MABR生物膜中較高的N2O消耗活性的現(xiàn)場證據(jù)。本論文研究的目的是調(diào)查膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)（逆流底物擴散幾何結(jié)構(gòu)的代表）在減輕一氧化二氮(N2O)排放方面的有效性。操作兩個具有相同尺寸但不同生物膜幾何形狀的實驗室規(guī)模反應(yīng)器，即MABR和采用并流底物擴散幾何形狀的傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器(CBR)，以確定溶解氧(DO)、一氧化二氮(N2O)、功能基因豐度和微生物群落結(jié)構(gòu)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用Clarktype微電極(Unisense，丹麥)測量整個生物膜深度內(nèi)溶解N2O和溶解氧(DO)濃度剖面，并連接皮安表(Unisense，奧爾胡斯，丹麥)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。氧氣微電極和N2O微電極的尖端直徑分別為50um和25um。在使用微電極測試生物膜之前，對每個微電極進(jìn)行了校準(zhǔn)。微操作器和微電極使用Sensor Trace Pro軟件精確控制微電極插入生物膜的位置(Unisense，丹麥)。在反應(yīng)器運行的第90天和第95天，在插入微電極的中間端口的10-15個點，獲得了N2O和O2濃度的生物膜深度分布。在假定穩(wěn)態(tài)條件下，利用菲克第二擴散定律，估算了各濃度分布下的平均N2O凈容量消耗/生產(chǎn)速率。

實驗結(jié)果:研究表明MABR中的表面氮去除率（11.0±0.80 gN/（m 2天）略高于CBR（9.71±0.94 gN/（m 2天），而總有機碳去除效率相當(dāng)（MABR為96.9±1.0%，CBR為98.0±0.8%）。與此形成鮮明對比的是，MABR中溶解的N2O濃度(0.011±0.001 mg N 2 O-N/L)比CBR中的(1.38±0.25 mg N 2 ON/L)低兩個數(shù)量級，導(dǎo)致明顯的N2O排放因子（MABR中的0.0058±0.0005%與CBR中的0.72±0.13%）。對當(dāng)?shù)貎鬘2O生產(chǎn)和消費率的分析揭示了N2O區(qū)域的產(chǎn)生和消耗在MABR生物膜中是相鄰的。實時定量PCR表明MABR與CBR中反硝化基因的豐度更高，尤其是一氧化二氮還原酶(nosZ)基因。通過對16S rRNA基因擴增子測序?qū)ξ⑸锶郝浣M成的分析顯示，Tauera屬(31.2±11%)、根瘤菌(10.9±6.6%)、狹養(yǎng)單胞菌(6.8±2.7%)、鞘氨醇桿菌(3.2±1.1%)存在豐富和Brevundimonas(2.5±1.0%)作為MABR中潛在的N2O還原細(xì)菌。

圖1、固定凝膠的N2O和O2濃度曲線(左)以及由曲線得到的Michaelis-Menten曲線(右)。(A)小型凝膠(f?2.08 mm)，(B)中型凝膠(f?3.26 mm)，和(C)大型凝膠(f?4.03 mm)。垂直箭頭表示N2O峰值的位置。

圖2、由凝膠固定化的Azospira sp.應(yīng)變I13細(xì)胞的相對一氧化二氮的消耗速率和O2濃度的函數(shù)。(B)由開發(fā)模型模擬結(jié)果和比較的表觀動力學(xué)參數(shù)。(C)半飽和常數(shù)之間的一氧化二氮和(D)最大的一氧化二氮吸收速率實驗(柱條)和模擬(圓)值。

圖3、有或沒有細(xì)菌細(xì)胞時氣態(tài)N2O濃度的變化作為N2O還原活性的證明。將細(xì)菌細(xì)胞以懸浮液和固定化凝膠的形式接種于微呼吸瓶中。非細(xì)胞固定化凝膠和非細(xì)胞接種培養(yǎng)基作為對照。

圖4、利用開發(fā)的模型模擬N2O(紅色)和O2(藍(lán)色)濃度隨時間的變化。球形凝膠的直徑設(shè)定為(A)1 mm，(B)2 mm，(C)3 mm，(D)4 mm，(E)6 mm。當(dāng)N2O濃度低于0.00005 mol/m3(0.05μM)時，N2O濃度會自動增加到初始濃度(0.05 mol/m3)，實驗條件下觀察到的N2O峰值。這個過程重復(fù)了三次。

圖5、凝膠中O2和N2O濃度動態(tài)隨深度和時間的變化。軸上為零的位置表示凝膠的中心。

結(jié)論與展望：在本論文研究中，研究人員證明了SND的MABR可以減少N2O排放的概念。為此進(jìn)行了反應(yīng)器操作和原位生物膜深度研究此項研究揭示了(i)具有反擴散生物膜幾何形狀的MABR是否允許比具有共擴散生物膜幾何形狀的傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器(CBR)更低的N2O排放量;(ii)N2O還原菌豐度和活性的空間分布如何變化，在生物膜反擴散生物膜中的微生物群落結(jié)構(gòu)是否不同取決于生物膜的深度。為了解決這些研究問題，研究人員將微電極技術(shù)（unisense）原位的測試出膜生物反應(yīng)器中生物膜中的氧氣及氧化亞氮的濃度，并與分子微生物學(xué)方法相結(jié)合。定量PCR和高通量測序技術(shù)16S rRNA基因擴增，比較反擴散和共擴散生物膜。本研究是第一次直接比較MABR和CBR在整體和空間分解的N2O產(chǎn)量/減少和作為生物膜深度功能的微生物群落組成方面的結(jié)果。2種生物膜分別采用逆流和共流基質(zhì)擴散結(jié)構(gòu)，在相同負(fù)荷率下，對低DOC/TDN為1.0的高含氮廢水進(jìn)行同時硝化反硝化。上述研究結(jié)果證明了MABRs有望成為一種小足跡技術(shù)，既能實現(xiàn)有效的同步硝化/反硝化，又能減緩N2O排放。