背景介紹:地下水的硝酸鹽(NO3-)污染，主要來自人類活動，如集約化農業實踐、現場廢水處理和牲畜糞便管理，已成為全球關注的問題?；贖 2的膜生物膜反應器（H2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術。在中國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基膜生物膜反應器（H2-MBfR）是一種基于自養反硝化的新興生物系統，它優于異養反硝化，因為它使用無毒且廉價的H2作為電子供體和無機碳作為碳源。它提供高NO3-去除通量、低殘留有機物和生物質以及流出物中的最小H2損失，并減少同時出現的氧化污染物轉化為無害的形式。H2-MBfR最顯著的特征之一是氫營養反硝化作用會導致大量液體堿化并增加生物膜內的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）被放置在一個流通池中，用于無氣泡的H2和CO2供應，并根據HFM的擴散系數計算推導出CO 2劑量。然而如果將這種集成系統應用于實際的地下水處理，則存在一些實際限制。本研究報道了一種創新的H 2-MBfR膜生物反應器，它連接到一個分離的CO2提供系統，用于精確添加CO2，并配備了一個微傳感器測量單元(unisense微剖面分析系統)，用于原位監測生物膜內的H 2和NO3-濃度。通過實驗和建模評估，系統地研究和模擬了NO3-去除的有效性和微生物活性。

Unisense微電極系統的應用:使用unisense微剖面系統測定了生物膜內的NO3-和H2梯度剖面，在微傳感器測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；而對于NO3-的測量，另一個電位LIX（液體離子交換）微傳感器與微探針（尖端直徑=20-50μm）結合。通過pH/mV計（Unisense A/S,Dennmark）監測微傳感器產生的電位差。配備立體變焦光學顯微鏡和光源(Dolan-Jenner MI-150,Cole-Palmer,USA)的自動顯微操作器(MM33-2型,Unisense A/S,Denmark)用于控制和可視化微傳感器的運動。NO3-和H 2剖面測量是在整個生物膜上以25μm的空間間隔進行的。

實驗結果:一種新型H2-MBfR集成了用于原位檢測生物膜內電子供體(H 2)和受體(NO 3-)濃度梯度的微傳感器測量單元以及用于碳源添加和pH控制的分離CO 2提供系統，并開發了實驗證明，在HRT 80分鐘、進水NO 3-濃度20 mg N/L、H 2壓力5 psig和CO 2添加量50 mg/L時，具有最佳的反硝化性能和最小化不良過程。以下批次實驗進一步證明了CO 2的優越性作為獨特的碳源和pH調節劑。為了深入說明反硝化相關機制，提出了一個具有擴展的微生物代謝過程動力學和高保真度的模型，通過比較不同模擬場景下模擬和測量的系統性能和/或生物膜內的底物梯度來校準和驗證，以及包括K m在內的參數的優化，KCO2DNB和KCO2SRB模擬結果揭示了隨著關鍵影響因素變化的生物膜微環境演變。預計最佳生物膜厚度為650μm，這保證了較高的反硝化通量，同時避免了H2的排氣。

圖1、CO 2源H2-MBfR設置的示意圖。該系統由三部分組成：(a)H 2-MBfR：綠線表示H2氣管，而藍色、紅色和深紅色線是水管。(b)組裝在帶有內置單HFM的水平玻璃流通池端口上的微傳感器測量單元的細節。(c)CO2供給系統：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在顆粒成分中的分數和(d)DNB沿深度方向的生長速率的模型評估系統的生物膜作為HRT的函數，范圍從20到180分鐘（場景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軸的零點為膜側，深度為離膜側的距離。

圖3、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分數和(d)DNB沿深度方向的生長速率的模型評估系統的生物膜作為H 2壓力的函數，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軸的零點為膜側，深度為離膜側的距離。

圖4、(a)電子供體(H 2)和受體(NO3-)的分布、(b)CO 2分布、(c)DNB的生長速率和(d)DNB在顆粒組分中沿深度方向的分數的模型評估系統的生物膜作為進水NO3--N濃度的函數，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，進水SO4 2-濃度為20 mg S/L。X軸的零點為膜側，深度為離膜側的距離。

圖5、(a)H 2和NO 3-和(b)CO 2曲線的模型評估，(c)DNB沿生物膜深度的生長速率，以及(d)NO3-系統的去除通量作為生物膜的函數厚度范圍從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軸的零點為膜側，深度為離膜側的距離。圖9d比較了不同生物膜厚度下的NO3-去除通量，結果顯示生物膜厚度為600μm時的反硝化率最高。

結論與展望:基于H2的膜生物膜反應器（H 2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術。在這項研究中，研究人員開發了一種實驗室規模的H2-MBfR，設置配置的優化設計是通過將H 2-MBfR連接到分離的CO 2提供系統以更精確地添加CO2以及連接到可以提供原位收集的數據的多功能微傳感器測量單元（unisense微剖面分析系統）來實現的。使用原位檢測系統（unisense）測試生物膜中的底物梯度來校準模型，通過使用微操作器、計算機和微傳感器組成的微傳感器測量單元通過微傳感器接入端口連接到側流通池，微傳感器嵌入到微傳感器中。該系統可以很好的應用于HFM附著生物膜生物膜內原位定量NO 3-和H 2的原位測試。然后使用校準的模型在最佳操作條件下揭示生物膜的微環境（例如化學梯度和微生物群落結構）。相關研究建立了一個更復雜的模型來捕捉CO2介導的氫營養反硝化過程中的微生物行為，通過考慮無機碳源和本體液體pH對微生物微生物代謝過程動力學的同步影響進行擴展，并通過比較校準微傳感器測量單元的測量值（即，H 2-MBfR的生物膜中的底物梯度）和模型預測。由于涉及精確供應CO2的優勢和生物膜微環境的在線監測，所開發的系統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系統的維護和管理提供了有力的工具。