背景介绍:地下水的硝酸盐(NO3-)污染，主要来自人类活动，如集约化农业实践、现场废水处理和牲畜粪便管理，已成为全球关注的问题。基于H 2的膜生物膜反应器（H2-MBfR）是一种用于去除供水中硝酸盐（NO3-）的新兴技术。在中国70%的人口从地下水源获得饮用水，其中90%的浅层地下水受到污染，其中NO3-是主要污染物之一，典型浓度为10-100 mg N/L。H2基膜生物膜反应器（H2-MBfR）是一种基于自养反硝化的新兴生物系统，它优于异养反硝化，因为它使用无毒且廉价的H2作为电子供体和无机碳作为碳源。它提供高NO3-去除通量、低残留有机物和生物质以及流出物中的最小H2损失，并减少同时出现的氧化污染物转化为无害的形式。H2-MBfR最显着的特征之一是氢营养反硝化作用会导致大量液体碱化并增加生物膜内的pH值。有研究人员提出了一种新的H2-MBfR，其中两束中空纤维膜（HFMs）被放置在一个流通池中，用于无气泡的H2和CO2供应，并根据HFM的扩散系数计算推导出CO 2剂量。然而如果将这种集成系统应用于实际的地下水处理，则存在一些实际限制。本研究报道了一种创新的H 2-MBfR膜生物反应器，它连接到一个分离的CO2提供系统，用于精确添加CO2，并配备了一个微传感器测量单元(unisense微剖面分析系统)，用于原位监测生物膜内的H 2和NO3-浓度。通过实验和建模评估，系统地研究和模拟了NO3-去除的有效性和微生物活性。


Unisense微电极系统的应用:使用unisense微剖面系统测定了生物膜内的NO3-和H2梯度剖面，在微传感器测量单元中使用了两种类型的微传感器其中一种是与微探针组装的H2-25微传感器（尖端直径=20–30μm)用于H 2检测；而对于NO3-的测量，另一个电位LIX（液体离子交换）微传感器与微探针（尖端直径=20-50μm）结合。通过pH/mV计（Unisense A/S,Dennmark）监测微传感器产生的电位差。配备立体变焦光学显微镜和光源(Dolan-Jenner MI-150,Cole-Palmer,USA)的自动显微操作器(MM33-2型,Unisense A/S,Denmark)用于控制和可视化微传感器的运动。NO3-和H 2剖面测量是在整个生物膜上以25µm的空间间隔进行的。


实验结果:一种新型H2-MBfR集成了用于原位检测生物膜内电子供体(H 2)和受体(NO 3-)浓度梯度的微传感器测量单元以及用于碳源添加和pH控制的分离CO 2提供系统，并开发了实验证明，在HRT 80分钟、进水NO 3-浓度20 mg N/L、H 2压力5 psig和CO 2添加量50 mg/L时，具有最佳的反硝化性能和最小化不良过程。以下批次实验进一步证明了CO 2的优越性作为独特的碳源和pH调节剂。为了深入说明反硝化相关机制，提出了一个具有扩展的微生物代谢过程动力学和高保真度的模型，通过比较不同模拟场景下模拟和测量的系统性能和/或生物膜内的底物梯度来校准和验证，以及包括K m在内的参数的优化，KCO2DNB和KCO2SRB模拟结果揭示了随着关键影响因素变化的生物膜微环境演变。预计最佳生物膜厚度为650µm，这保证了较高的反硝化通量，同时避免了H2的排气。

图1、CO 2源H2-MBfR设置的示意图。该系统由三部分组成：(a)H 2-MBfR：绿线表示H2气管，而蓝色、红色和深红色线是水管。(b)组装在带有内置单HFM的水平玻璃流通池端口上的微传感器测量单元的细节。(c)CO2供给系统：青色线代表富含CO2的水，棕色线代表CO 2气管。

图2、(a)电子供体(H 2)和受体(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在颗粒成分中的分数和(d)DNB沿深度方向的生长速率的模型评估系统的生物膜作为HRT的函数，范围从20到180分钟（场景E2）。模拟条件：生物膜厚度=825μm，本体液体pH=7.5，H 2压力=5 psig，CO 2添加量=50 mg/L，进水NO 3-和SO4 2-浓度分别为20 mg N/L和20 mg分别为S/L。X轴的零点为膜侧，深度为离膜侧的距离。

图3、(a)电子供体(H 2)和受体(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在颗粒成分中的分数和(d)DNB沿深度方向的生长速率的模型评估系统的生物膜作为H 2压力的函数，范围为1至15 psig（方案E3）。模拟条件：生物膜厚度=825μm，本体液体pH=7.5，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，进水NO 3-和SO 4 2-浓度分别为20 mg N/L和20 mg S/L。X轴的零点为膜侧，深度为离膜侧的距离。

图4、(a)电子供体(H 2)和受体(NO3-)的分布、(b)CO 2分布、(c)DNB的生长速率和(d)DNB在颗粒组分中沿深度方向的分数的模型评估系统的生物膜作为进水NO3--N浓度的函数，范围为10至30 mg N/L（方案E4）。模拟条件：生物膜厚度=825μm，本体液体pH=7.5，H2压力=5 psig，HRT=80 min，CO2添加量=50 mg/L，进水SO4 2-浓度为20 mg S/L。X轴的零点为膜侧，深度为离膜侧的距离。

图5、(a)H 2和NO 3-和(b)CO 2曲线的模型评估，(c)DNB沿生物膜深度的生长速率，以及(d)NO3-系统的去除通量作为生物膜的函数厚度范围从200到1000µm。模拟条件：本体液体pH=7.5，H 2压力=5 psig，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，进水NO 3-和SO 4 2-浓度分别为20 mg N/L和20 mg S/L。X轴的零点为膜侧，深度为离膜侧的距离。图9d比较了不同生物膜厚度下的NO3-去除通量，结果显示生物膜厚度为600µm时的反硝化率最高。


结论与展望:基于H2的膜生物膜反应器（H 2-MBfR）是一种用于去除供水中硝酸盐（NO3-）的新兴技术。在这项研究中，研究人员开发了一种实验室规模的H2-MBfR，设置配置的优化设计是通过将H 2-MBfR连接到分离的CO 2提供系统以更精确地添加CO2以及连接到可以提供原位收集的数据的多功能微传感器测量单元（unisense微剖面分析系统）来实现的。使用原位检测系统（unisense）测试生物膜中的底物梯度来校准模型，通过使用微操作器、计算机和微传感器组成的微传感器测量单元通过微传感器接入端口连接到侧流通池，微传感器嵌入到微传感器中。该系统可以很好的应用于HFM附着生物膜生物膜内原位定量NO 3-和H 2的原位测试。然后使用校准的模型在最佳操作条件下揭示生物膜的微环境（例如化学梯度和微生物群落结构）。相关研究建立了一个更复杂的模型来捕捉CO2介导的氢营养反硝化过程中的微生物行为，通过考虑无机碳源和本体液体pH对微生物微生物代谢过程动力学的同步影响进行扩展，并通过比较校准微传感器测量单元的测量值（即，H 2-MBfR的生物膜中的底物梯度）和模型预测。由于涉及精确供应CO2的优势和生物膜微环境的在线监测，所开发的系统具有良好的可靠性和灵活性，可以作为从地下水中去除NO3-的有吸引力的候选者，并且所提出的模型为指导系统的维护和管理提供了有力的工具。