膜曝气生物膜反应器（MABR）正被用于自养氮去除，但在MABR反扩散生物膜中控制氮周转仍然具有挑战性。在这项研究中，我们通过提供连续曝气与间歇曝气来调节两个实验室规模的MABR中的微生物活动。通过质量平衡方法通过体积测量来估计不同功能微生物组的氮消耗量。亚硝酸盐氧化菌（NOB）在连续曝气下增殖，间歇曝气下受到显著抑制，NOB抑制激活厌氧铵氧化。通过长期体积测量和溶解氧（DO）和pH的原位生物膜微谱研究了MABR中的硝化性能。在间歇曝气期间，pH效应而不是溶解氧效应决定了硝化成功，特别是氨形态，它在硝化过程中充当底物和抑制剂。在曝气开关上监测生物膜过渡阶段。典型对应分析表明，缺氧和曝气间歇后的相对转变对生物膜性能的决定性小于相对曝气持续时间。异养细菌在通气控制下表现出轻微的反硝化速率，但有助于减轻一氧化二氮（N2O）排放。N2O在连续曝气下，在缺氧生物膜区的顶部发现了生产热点。相反，在间歇曝气下，缺氧N2O设立减量区。我们的观测结果支持MABR的间歇曝气控制，这是一种低氮节能脱氮的简单策略N2O排放。


简介：生物膜工艺广泛应用于环境生物技术，允许生物质积累和保留，而无需外部设备来分离和保留生物质。这些过程在保留生长缓慢的微生物（如硝化细菌）方面特别有用。膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种很有前途的生物膜技术，用于处理含氮（N）废水，依赖于膜支持的生物膜中底物的反扩散。在硝化MABR中空气通过膜模块提供，并且由于生物膜中存在或不存在氧气而发生氧化还原分层。分层允许发展独特的微生物群落，可以实现硝化，硝化/反硝化或部分硝化/厌氧氨氧化。


在这项研究中，实验室规模的MABR在连续曝气与间歇曝气策略下运行，以研究对长期氮转化的影响。间歇曝气模式是根据马老师等人先前的研究选择的。使用基于质量平衡的方法通过大量氮测量计算单个微生物活性。然后探讨了间歇曝气对微生物活性的调控。pH、DO和N2O的原位生物膜深度分布测量，并分析其具有曝气控制的瞬态。最后，讨论了MABR最佳性能的操作窗口。


丹麦Unisense微电极测定系统应用


生物膜pH值、溶解氧和N2O：原位显微剖面和分析


溶解氧、pH和N2O微量传感器（OX-10，pH-25，N2O-25，Unisense，丹麦）用于生物膜内的原位微剖面测量。在MABR性能达到从本体氮浓度推断的伪稳态后，在不同的曝气状态下测量剖面（重复>3）。分析中使用平均显微轮廓。膜-生物膜界面处的微传感器测量进一步用于监测瞬态pH、DO和N2O曝气开关上生物膜基座上的行为。过渡时间（ttrans）被定义为生物膜pH（ttrans,pH）或DO（ttrans DO）在空气打开后达到稳定状态。


微量剖面分析包括（1）连续和间歇曝气之间生物膜pH和DO的比较（2）净体积氮的计算N2O在不同生物膜深度下的反应速率，以及（3）ttrans用于pH值、溶氧和N2O间歇曝气。生物膜溶氧比较中包括生物膜底部的氧穿透深度（μm）和溶解氧浓度。氧穿透深度定义为从膜-生物膜界面到生物膜层的距离，其中DO浓度达到0.01 mg/L（检测限）。生物膜pH值比较中包括体积pH值和生物膜基底的pH值。与学生检验（95%CI）进行比较。净容积N2O使用Fick第二扩散定律根据各自的浓度曲线估计每种曝气控制下的反应速率。使用Microsoft Office Excel 2010进行统计分析，并应用了的加载项求解器N2O费率计算。ttrans使用曝气循环期间记录的浓度时间序列进行估计。

图1.MABR曝气控制期间的性能：（A）体积氮种和体积pH值的测量，（B）由活性比表示的微生物活性的相对变化（估计的氮活性显示在条形图中）和工作温度。虚线表示MABR中的参考比率始终在连续曝气下操作。

图2.MABR中微观轮廓的比较在连续曝气（连续相）和间歇曝气（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）溶解氧曲线，（B）pH曲线，（C）空气开关上生物膜基底的溶解氧时间序列（大约深度=−30μm），以及（D）空气开关时生物膜pH值的时间序列。估计生物膜中FA和FNA的浓度：FA=0.032–1.17 mg-N/L，FNA<0.025 mg-N/L（图）。S6.A-B）。由于再循环速率保持不变，因此未显示并假设不同曝气之间的边界层相同。

图3.MABR中微观轮廓的比较在连续曝气（连续相）和间歇曝气（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）N2O剖面，（B）净体积氮的空间分布N2O生物膜内的生产/消费率。


总结：实验室规模的MABR在连续和间歇曝气状态下运行，并监测氮转化率。


在连续曝气下，MABR中产生了硝化生物膜，而在间歇曝气下，NOB活性受到抑制，AMX活性增强。NOB抑制可能是由于pH效应，因为在间歇曝气下，AOB的底物和NOB抑制剂FA的存在更为显着。在这项研究中，DO限制和温度似乎没有控制NOB抑制。


这是第一个记录MABR中空气开关上生物膜DO和pH曲线动态的实验研究，并报告了间歇曝气生物膜中的pH回收滞后于溶解氧恢复。


虽然反硝化活性在曝气控制下保持低水平且保持不变，但异养细菌在N2O动力学为N2O反扩散生物膜中的生产者或消费者。


间歇曝气调节MABR中的氮转化率，相对曝气持续时间是关键决定因素参数。曝气控制是实现节能脱氮和减氮的可行方法N2O反扩散MABR生物膜的排放。


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