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膜曝氣生物膜反應器（MABR）正被用于自養氮去除，但在MABR反擴散生物膜中控制氮周轉仍然具有挑戰性。在這項研究中，我們通過(guò)提供連續曝氣與間歇曝氣來(lái)調節兩個(gè)實(shí)驗室規模的MABR中的微生物活動(dòng)。通過(guò)質(zhì)量平衡方法通過(guò)體積測量來(lái)估計不同功能微生物組的氮消耗量。亞硝酸鹽氧化菌（NOB）在連續曝氣下增殖，間歇曝氣下受到顯著(zhù)抑制，NOB抑制激活厭氧銨氧化。通過(guò)長(cháng)期體積測量和溶解氧（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效應而不是溶解氧效應決定了硝化成功，特別是氨形態(tài)，它在硝化過(guò)程中充當底物和抑制劑。在曝氣開(kāi)關(guān)上監測生物膜過(guò)渡階段。典型對應分析表明，缺氧和曝氣間歇后的相對轉變對生物膜性能的決定性小于相對曝氣持續時(shí)間。異養細菌在通氣控制下表現出輕微的反硝化速率，但有助于減輕一氧化二氮（N2O）排放。N2O在連續曝氣下，在缺氧生物膜區的頂部發(fā)現了生產(chǎn)熱點(diǎn)。相反，在間歇曝氣下，缺氧N2O設立減量區。我們的觀(guān)測結果支持MABR的間歇曝氣控制，這是一種低氮節能脫氮的簡(jiǎn)單策略N2O排放。
簡(jiǎn)介：生物膜工藝廣泛應用于環(huán)境生物技術(shù)，允許生物質(zhì)積累和保留，而無(wú)需外部設備來(lái)分離和保留生物質(zhì)。這些過(guò)程在保留生長(cháng)緩慢的微生物（如硝化細菌）方面特別有用。膜曝氣生物膜反應器（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(lài)于膜支持的生物膜中底物的反擴散。在硝化MABR中空氣通過(guò)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)展獨特的微生物群落，可以實(shí)現硝化，硝化/反硝化或部分硝化/厭氧氨氧化。
在這項研究中，實(shí)驗室規模的MABR在連續曝氣與間歇曝氣策略下運行，以研究對長(cháng)期氮轉化的影響。間歇曝氣模式是根據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(guò)大量氮測量計算單個(gè)微生物活性。然后探討了間歇曝氣對微生物活性的調控。pH、DO和N2O的原位生物膜深度分布測量，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微電極測定系統應用
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）用于生物膜內的原位微剖面測量。在MABR性能達到從本體氮濃度推斷的偽穩態(tài)后，在不同的曝氣狀態(tài)下測量剖面（重復>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量進(jìn)一步用于監測瞬態(tài)pH、DO和N2O曝氣開(kāi)關(guān)上生物膜基座上的行為。過(guò)渡時(shí)間（ttrans）被定義為生物膜pH（ttrans,pH）或DO（ttrans DO）在空氣打開(kāi)后達到穩定狀態(tài)。
微量剖面分析包括（1）連續和間歇曝氣之間生物膜pH和DO的比較（2）凈體積氮的計算N2O在不同生物膜深度下的反應速率，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濃度達到0.01 mg/L（檢測限）。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（95%CI）進(jìn)行比較。凈容積N2O使用Fick第二擴散定律根據各自的濃度曲線(xiàn)估計每種曝氣控制下的反應速率。使用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行統計分析，并應用了的加載項求解器N2O費率計算。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。
圖1.MABR曝氣控制期間的性能：（A）體積氮種和體積pH值的測量，（B）由活性比表示的微生物活性的相對變化（估計的氮活性顯示在條形圖中）和工作溫度。虛線(xiàn)表示MABR中的參考比率始終在連續曝氣下操作。
圖2.MABR中微觀(guān)輪廓的比較在連續曝氣（連續相）和間歇曝氣（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）溶解氧曲線(xiàn)，（B）pH曲線(xiàn)，（C）空氣開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)生物膜pH值的時(shí)間序列。估計生物膜中FA和FNA的濃度：FA=0.032–1.17 mg-N/L，FNA<0.025 mg-N/L（圖）。S6.A-B）。由于再循環(huán)速率保持不變，因此未顯示并假設不同曝氣之間的邊界層相同。
圖3.MABR中微觀(guān)輪廓的比較在連續曝氣（連續相）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生物膜內的生產(chǎn)/消費率。
總結：實(shí)驗室規模的MABR在連續和間歇曝氣狀態(tài)下運行，并監測氮轉化率。
在連續曝氣下，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。NOB抑制可能是由于pH效應，因為在間歇曝氣下，AOB的底物和NOB抑制劑FA的存在更為顯著(zhù)。在這項研究中，DO限制和溫度似乎沒(méi)有控制NOB抑制。
這是第一個(gè)記錄MABR中空氣開(kāi)關(guān)上生物膜DO和pH曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)的實(shí)驗研究，并報告了間歇曝氣生物膜中的pH回收滯后于溶解氧恢復。
雖然反硝化活性在曝氣控制下保持低水平且保持不變，但異養細菌在N2O動(dòng)力學(xué)為N2O反擴散生物膜中的生產(chǎn)者或消費者。
間歇曝氣調節M(mǎn)ABR中的氮轉化率，相對曝氣持續時(shí)間是關(guān)鍵決定因素參數。曝氣控制是實(shí)現節能脫氮和減氮的可行方法N2O反擴散MABR生物膜的排放。
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