背景介紹:地下水的硝酸鹽(NO3-)污染，主要來自人類活動(dòng)，如集約化農(nóng)業(yè)實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)廢水處理和牲畜糞便管理，已成為全球關(guān)注的問題?；贖 2的膜生物膜反應(yīng)器（H2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術(shù)。在中國(guó)70%的人口從地下水源獲得飲用水，其中90%的淺層地下水受到污染，其中NO3-是主要污染物之一，典型濃度為10-100 mg N/L。H2基膜生物膜反應(yīng)器（H2-MBfR）是一種基于自養(yǎng)反硝化的新興生物系統(tǒng)，它優(yōu)于異養(yǎng)反硝化，因?yàn)樗褂脽o毒且廉價(jià)的H2作為電子供體和無機(jī)碳作為碳源。它提供高NO3-去除通量、低殘留有機(jī)物和生物質(zhì)以及流出物中的最小H2損失，并減少同時(shí)出現(xiàn)的氧化污染物轉(zhuǎn)化為無害的形式。H2-MBfR最顯著的特征之一是氫營(yíng)養(yǎng)反硝化作用會(huì)導(dǎo)致大量液體堿化并增加生物膜內(nèi)的pH值。有研究人員提出了一種新的H2-MBfR，其中兩束中空纖維膜（HFMs）被放置在一個(gè)流通池中，用于無氣泡的H2和CO2供應(yīng)，并根據(jù)HFM的擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算推導(dǎo)出CO 2劑量。然而如果將這種集成系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的地下水處理，則存在一些實(shí)際限制。本研究報(bào)道了一種創(chuàng)新的H 2-MBfR膜生物反應(yīng)器，它連接到一個(gè)分離的CO2提供系統(tǒng)，用于精確添加CO2，并配備了一個(gè)微傳感器測(cè)量單元(unisense微剖面分析系統(tǒng))，用于原位監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)的H 2和NO3-濃度。通過實(shí)驗(yàn)和建模評(píng)估，系統(tǒng)地研究和模擬了NO3-去除的有效性和微生物活性。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用:使用unisense微剖面系統(tǒng)測(cè)定了生物膜內(nèi)的NO3-和H2梯度剖面，在微傳感器測(cè)量單元中使用了兩種類型的微傳感器其中一種是與微探針組裝的H2-25微傳感器（尖端直徑=20–30μm)用于H 2檢測(cè)；而對(duì)于NO3-的測(cè)量，另一個(gè)電位LIX（液體離子交換）微傳感器與微探針（尖端直徑=20-50μm）結(jié)合。通過pH/mV計(jì)（Unisense A/S,Dennmark）監(jiān)測(cè)微傳感器產(chǎn)生的電位差。配備立體變焦光學(xué)顯微鏡和光源(Dolan-Jenner MI-150,Cole-Palmer,USA)的自動(dòng)顯微操作器(MM33-2型,Unisense A/S,Denmark)用于控制和可視化微傳感器的運(yùn)動(dòng)。NO3-和H 2剖面測(cè)量是在整個(gè)生物膜上以25μm的空間間隔進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:一種新型H2-MBfR集成了用于原位檢測(cè)生物膜內(nèi)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)濃度梯度的微傳感器測(cè)量單元以及用于碳源添加和pH控制的分離CO 2提供系統(tǒng)，并開發(fā)了實(shí)驗(yàn)證明，在HRT 80分鐘、進(jìn)水NO 3-濃度20 mg N/L、H 2壓力5 psig和CO 2添加量50 mg/L時(shí)，具有最佳的反硝化性能和最小化不良過程。以下批次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了CO 2的優(yōu)越性作為獨(dú)特的碳源和pH調(diào)節(jié)劑。為了深入說明反硝化相關(guān)機(jī)制，提出了一個(gè)具有擴(kuò)展的微生物代謝過程動(dòng)力學(xué)和高保真度的模型，通過比較不同模擬場(chǎng)景下模擬和測(cè)量的系統(tǒng)性能和/或生物膜內(nèi)的底物梯度來校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以及包括K m在內(nèi)的參數(shù)的優(yōu)化，KCO2DNB和KCO2SRB模擬結(jié)果揭示了隨著關(guān)鍵影響因素變化的生物膜微環(huán)境演變。預(yù)計(jì)最佳生物膜厚度為650μm，這保證了較高的反硝化通量，同時(shí)避免了H2的排氣。

圖1、CO 2源H2-MBfR設(shè)置的示意圖。該系統(tǒng)由三部分組成：(a)H 2-MBfR：綠線表示H2氣管，而藍(lán)色、紅色和深紅色線是水管。(b)組裝在帶有內(nèi)置單HFM的水平玻璃流通池端口上的微傳感器測(cè)量單元的細(xì)節(jié)。(c)CO2供給系統(tǒng)：青色線代表富含CO2的水，棕色線代表CO 2氣管。

圖2、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分?jǐn)?shù)和(d)DNB沿深度方向的生長(zhǎng)速率的模型評(píng)估系統(tǒng)的生物膜作為HRT的函數(shù)，范圍從20到180分鐘（場(chǎng)景E2）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，H 2壓力=5 psig，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg分別為S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖3、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分?jǐn)?shù)和(d)DNB沿深度方向的生長(zhǎng)速率的模型評(píng)估系統(tǒng)的生物膜作為H 2壓力的函數(shù)，范圍為1至15 psig（方案E3）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖4、(a)電子供體(H 2)和受體(NO3-)的分布、(b)CO 2分布、(c)DNB的生長(zhǎng)速率和(d)DNB在顆粒組分中沿深度方向的分?jǐn)?shù)的模型評(píng)估系統(tǒng)的生物膜作為進(jìn)水NO3--N濃度的函數(shù)，范圍為10至30 mg N/L（方案E4）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，H2壓力=5 psig，HRT=80 min，CO2添加量=50 mg/L，進(jìn)水SO4 2-濃度為20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖5、(a)H 2和NO 3-和(b)CO 2曲線的模型評(píng)估，(c)DNB沿生物膜深度的生長(zhǎng)速率，以及(d)NO3-系統(tǒng)的去除通量作為生物膜的函數(shù)厚度范圍從200到1000μm。模擬條件：本體液體pH=7.5，H 2壓力=5 psig，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。圖9d比較了不同生物膜厚度下的NO3-去除通量，結(jié)果顯示生物膜厚度為600μm時(shí)的反硝化率最高。

結(jié)論與展望:基于H2的膜生物膜反應(yīng)器（H 2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術(shù)。在這項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的H2-MBfR，設(shè)置配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過將H 2-MBfR連接到分離的CO 2提供系統(tǒng)以更精確地添加CO2以及連接到可以提供原位收集的數(shù)據(jù)的多功能微傳感器測(cè)量單元（unisense微剖面分析系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)的。使用原位檢測(cè)系統(tǒng)（unisense）測(cè)試生物膜中的底物梯度來校準(zhǔn)模型，通過使用微操作器、計(jì)算機(jī)和微傳感器組成的微傳感器測(cè)量單元通過微傳感器接入端口連接到側(cè)流通池，微傳感器嵌入到微傳感器中。該系統(tǒng)可以很好的應(yīng)用于HFM附著生物膜生物膜內(nèi)原位定量NO 3-和H 2的原位測(cè)試。然后使用校準(zhǔn)的模型在最佳操作條件下揭示生物膜的微環(huán)境（例如化學(xué)梯度和微生物群落結(jié)構(gòu)）。相關(guān)研究建立了一個(gè)更復(fù)雜的模型來捕捉CO2介導(dǎo)的氫營(yíng)養(yǎng)反硝化過程中的微生物行為，通過考慮無機(jī)碳源和本體液體pH對(duì)微生物微生物代謝過程動(dòng)力學(xué)的同步影響進(jìn)行擴(kuò)展，并通過比較校準(zhǔn)微傳感器測(cè)量單元的測(cè)量值（即，H 2-MBfR的生物膜中的底物梯度）和模型預(yù)測(cè)。由于涉及精確供應(yīng)CO2的優(yōu)勢(shì)和生物膜微環(huán)境的在線監(jiān)測(cè)，所開發(fā)的系統(tǒng)具有良好的可靠性和靈活性，可以作為從地下水中去除NO3-的有吸引力的候選者，并且所提出的模型為指導(dǎo)系統(tǒng)的維護(hù)和管理提供了有力的工具。