膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）正被用于自養(yǎng)氮去除，但在MABR反擴(kuò)散生物膜中控制氮周轉(zhuǎn)仍然具有挑戰(zhàn)性。在這項(xiàng)研究中，我們通過提供連續(xù)曝氣與間歇曝氣來調(diào)節(jié)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MABR中的微生物活動(dòng)。通過質(zhì)量平衡方法通過體積測(cè)量來估計(jì)不同功能微生物組的氮消耗量。亞硝酸鹽氧化菌（NOB）在連續(xù)曝氣下增殖，間歇曝氣下受到顯著抑制，NOB抑制激活厭氧銨氧化。通過長(zhǎng)期體積測(cè)量和溶解氧（DO）和pH的原位生物膜微譜研究了MABR中的硝化性能。在間歇曝氣期間，pH效應(yīng)而不是溶解氧效應(yīng)決定了硝化成功，特別是氨形態(tài)，它在硝化過程中充當(dāng)?shù)孜锖鸵种苿Ｔ谄貧忾_關(guān)上監(jiān)測(cè)生物膜過渡階段。典型對(duì)應(yīng)分析表明，缺氧和曝氣間歇后的相對(duì)轉(zhuǎn)變對(duì)生物膜性能的決定性小于相對(duì)曝氣持續(xù)時(shí)間。異養(yǎng)細(xì)菌在通氣控制下表現(xiàn)出輕微的反硝化速率，但有助于減輕一氧化二氮（N2O）排放。N2O在連續(xù)曝氣下，在缺氧生物膜區(qū)的頂部發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)熱點(diǎn)。相反，在間歇曝氣下，缺氧N2O設(shè)立減量區(qū)。我們的觀測(cè)結(jié)果支持MABR的間歇曝氣控制，這是一種低氮節(jié)能脫氮的簡(jiǎn)單策略N2O排放。

簡(jiǎn)介：生物膜工藝廣泛應(yīng)用于環(huán)境生物技術(shù)，允許生物質(zhì)積累和保留，而無需外部設(shè)備來分離和保留生物質(zhì)。這些過程在保留生長(zhǎng)緩慢的微生物（如硝化細(xì)菌）方面特別有用。膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）是一種很有前途的生物膜技術(shù)，用于處理含氮（N）廢水，依賴于膜支持的生物膜中底物的反擴(kuò)散。在硝化MABR中空氣通過膜模塊提供，并且由于生物膜中存在或不存在氧氣而發(fā)生氧化還原分層。分層允許發(fā)展獨(dú)特的微生物群落，可以實(shí)現(xiàn)硝化，硝化/反硝化或部分硝化/厭氧氨氧化。

在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MABR在連續(xù)曝氣與間歇曝氣策略下運(yùn)行，以研究對(duì)長(zhǎng)期氮轉(zhuǎn)化的影響。間歇曝氣模式是根據(jù)馬老師等人先前的研究選擇的。使用基于質(zhì)量平衡的方法通過大量氮測(cè)量計(jì)算單個(gè)微生物活性。然后探討了間歇曝氣對(duì)微生物活性的調(diào)控。pH、DO和N2O的原位生物膜深度分布測(cè)量，并分析其具有曝氣控制的瞬態(tài)。最后，討論了MABR最佳性能的操作窗口。

丹麥Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)應(yīng)用

生物膜pH值、溶解氧和N2O：原位顯微剖面和分析

溶解氧、pH和N2O微量傳感器（OX-10，pH-25，N2O-25，Unisense，丹麥）用于生物膜內(nèi)的原位微剖面測(cè)量。在MABR性能達(dá)到從本體氮濃度推斷的偽穩(wěn)態(tài)后，在不同的曝氣狀態(tài)下測(cè)量剖面（重復(fù)>3）。分析中使用平均顯微輪廓。膜-生物膜界面處的微傳感器測(cè)量進(jìn)一步用于監(jiān)測(cè)瞬態(tài)pH、DO和N2O曝氣開關(guān)上生物膜基座上的行為。過渡時(shí)間（ttrans）被定義為生物膜pH（ttrans,pH）或DO（ttrans DO）在空氣打開后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

微量剖面分析包括（1）連續(xù)和間歇曝氣之間生物膜pH和DO的比較（2）凈體積氮的計(jì)算N2O在不同生物膜深度下的反應(yīng)速率，以及（3）ttrans用于pH值、溶氧和N2O間歇曝氣。生物膜溶氧比較中包括生物膜底部的氧穿透深度（μm）和溶解氧濃度。氧穿透深度定義為從膜-生物膜界面到生物膜層的距離，其中DO濃度達(dá)到0.01 mg/L（檢測(cè)限）。生物膜pH值比較中包括體積pH值和生物膜基底的pH值。與學(xué)生檢驗(yàn)（95%CI）進(jìn)行比較。凈容積N2O使用Fick第二擴(kuò)散定律根據(jù)各自的濃度曲線估計(jì)每種曝氣控制下的反應(yīng)速率。使用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并應(yīng)用了的加載項(xiàng)求解器N2O費(fèi)率計(jì)算。ttrans使用曝氣循環(huán)期間記錄的濃度時(shí)間序列進(jìn)行估計(jì)。

圖1.MABR曝氣控制期間的性能：（A）體積氮種和體積pH值的測(cè)量，（B）由活性比表示的微生物活性的相對(duì)變化（估計(jì)的氮活性顯示在條形圖中）和工作溫度。虛線表示MABR中的參考比率始終在連續(xù)曝氣下操作。

圖2.MABR中微觀輪廓的比較在連續(xù)曝氣（連續(xù)相）和間歇曝氣（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）溶解氧曲線，（B）pH曲線，（C）空氣開關(guān)上生物膜基底的溶解氧時(shí)間序列（大約深度=?30μm），以及（D）空氣開關(guān)時(shí)生物膜pH值的時(shí)間序列。估計(jì)生物膜中FA和FNA的濃度：FA=0.032–1.17 mg-N/L，F(xiàn)NA<0.025 mg-N/L（圖）。S6.A-B）。由于再循環(huán)速率保持不變，因此未顯示并假設(shè)不同曝氣之間的邊界層相同。

圖3.MABR中微觀輪廓的比較在連續(xù)曝氣（連續(xù)相）和間歇曝氣（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）N2O剖面，（B）凈體積氮的空間分布N2O生物膜內(nèi)的生產(chǎn)/消費(fèi)率。

總結(jié)：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MABR在連續(xù)和間歇曝氣狀態(tài)下運(yùn)行，并監(jiān)測(cè)氮轉(zhuǎn)化率。

在連續(xù)曝氣下，MABR中產(chǎn)生了硝化生物膜，而在間歇曝氣下，NOB活性受到抑制，AMX活性增強(qiáng)。NOB抑制可能是由于pH效應(yīng)，因?yàn)樵陂g歇曝氣下，AOB的底物和NOB抑制劑FA的存在更為顯著。在這項(xiàng)研究中，DO限制和溫度似乎沒有控制NOB抑制。

這是第一個(gè)記錄MABR中空氣開關(guān)上生物膜DO和pH曲線動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究，并報(bào)告了間歇曝氣生物膜中的pH回收滯后于溶解氧恢復(fù)。

雖然反硝化活性在曝氣控制下保持低水平且保持不變，但異養(yǎng)細(xì)菌在N2O動(dòng)力學(xué)為N2O反擴(kuò)散生物膜中的生產(chǎn)者或消費(fèi)者。

間歇曝氣調(diào)節(jié)MABR中的氮轉(zhuǎn)化率，相對(duì)曝氣持續(xù)時(shí)間是關(guān)鍵決定因素參數(shù)。曝氣控制是實(shí)現(xiàn)節(jié)能脫氮和減氮的可行方法N2O反擴(kuò)散MABR生物膜的排放。

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