背景介绍:生物废水处理厂(WWTPs)排放的一氧化二氮(N2O)引起了相当大的关注，因为一氧化二氮具有极高的全球变暖潜力，并会破坏臭氧层。膜曝气生物膜反应器(MABR)可能是一种有前景的技术，能够加强N2O的缓解。该反应器采用固定膜生物处理技术，其中基质提供氧气输送和促进生物膜的形成。MABR的逆流基质扩散几何结构及其特殊的生物膜生态位，与无气泡曝气相结合，可以防止N2O耗尽，从而促进N2O缓解。MABR引入序贯曝气进行部分硝化(PN)-厌氧氨氧化已经证明了其缓解效果。尽管如此，还没有获得MABR生物膜中较高的N2O消耗活性的现场证据。本论文研究的目的是调查膜曝气生物膜反应器(MABR)（逆流底物扩散几何结构的代表）在减轻一氧化二氮(N2O)排放方面的有效性。操作两个具有相同尺寸但不同生物膜几何形状的实验室规模反应器，即MABR和采用并流底物扩散几何形状的传统生物膜反应器(CBR)，以确定溶解氧(DO)、一氧化二氮(N2O)、功能基因丰度和微生物群落结构。


Unisense微电极系统的应用


使用Clarktype微电极(Unisense，丹麦)测量整个生物膜深度内溶解N2O和溶解氧(DO)浓度剖面，并连接皮安表(Unisense，奥尔胡斯，丹麦)进行数据采集。氧气微电极和N2O微电极的尖端直径分别为50um和25um。在使用微电极测试生物膜之前，对每个微电极进行了校准。微操作器和微电极使用Sensor Trace Pro软件精确控制微电极插入生物膜的位置(Unisense，丹麦)。在反应器运行的第90天和第95天，在插入微电极的中间端口的10-15个点，获得了N2O和O2浓度的生物膜深度分布。在假定稳态条件下，利用菲克第二扩散定律，估算了各浓度分布下的平均N2O净容量消耗/生产速率。


实验结果


研究表明MABR中的表面氮去除率（11.0±0.80 gN/（m 2天）略高于CBR（9.71±0.94 gN/（m 2天），而总有机碳去除效率相当（MABR为96.9±1.0%，CBR为98.0±0.8%）。与此形成鲜明对比的是，MABR中溶解的N2O浓度(0.011±0.001 mg N 2 O-N/L)比CBR中的(1.38±0.25 mg N 2 ON/L)低两个数量级，导致明显的N2O排放因子（MABR中的0.0058±0.0005%与CBR中的0.72±0.13%）。对当地净N2O生产和消费率的分析揭示了N2O区域的产生和消耗在MABR生物膜中是相邻的。实时定量PCR表明MABR与CBR中反硝化基因的丰度更高，尤其是一氧化二氮还原酶(nosZ)基因。通过对16S rRNA基因扩增子测序对微生物群落组成的分析显示，Tauera属(31.2±11%)、根瘤菌(10.9±6.6%)、狭养单胞菌(6.8±2.7%)、鞘氨醇杆菌(3.2±1.1%)存在丰富和Brevundimonas(2.5±1.0%)作为MABR中潜在的N2O还原细菌。

图1、固定凝胶的N2O和O2浓度曲线(左)以及由曲线得到的Michaelis-Menten曲线(右)。(A)小型凝胶(f¼2.08 mm)，(B)中型凝胶(f¼3.26 mm)，和(C)大型凝胶(f¼4.03 mm)。垂直箭头表示N2O峰值的位置。

图2、由凝胶固定化的Azospira sp.应变I13细胞的相对一氧化二氮的消耗速率和O2浓度的函数。(B)由开发模型模拟结果和比较的表观动力学参数。(C)半饱和常数之间的一氧化二氮和(D)最大的一氧化二氮吸收速率实验(柱条)和模拟(圆)值。

图3、有或没有细菌细胞时气态N2O浓度的变化作为N2O还原活性的证明。将细菌细胞以悬浮液和固定化凝胶的形式接种于微呼吸瓶中。非细胞固定化凝胶和非细胞接种培养基作为对照。

图4、利用开发的模型模拟N2O(红色)和O2(蓝色)浓度随时间的变化。球形凝胶的直径设定为(A)1 mm，(B)2 mm，(C)3 mm，(D)4 mm，(E)6 mm。当N2O浓度低于0.00005 mol/m3(0.05µM)时，N2O浓度会自动增加到初始浓度(0.05 mol/m3)，实验条件下观察到的N2O峰值。这个过程重复了三次。

图5、凝胶中O2和N2O浓度动态随深度和时间的变化。轴上为零的位置表示凝胶的中心。


结论与展望


在本论文研究中，研究人员证明了SND的MABR可以减少N2O排放的概念。为此进行了反应器操作和原位生物膜深度研究此项研究揭示了(i)具有反扩散生物膜几何形状的MABR是否允许比具有共扩散生物膜几何形状的传统生物膜反应器(CBR)更低的N2O排放量;(ii)N2O还原菌丰度和活性的空间分布如何变化，在生物膜反扩散生物膜中的微生物群落结构是否不同取决于生物膜的深度。为了解决这些研究问题，研究人员将微电极技术（unisense）原位的测试出膜生物反应器中生物膜中的氧气及氧化亚氮的浓度，并与分子微生物学方法相结合。定量PCR和高通量测序技术16S rRNA基因扩增，比较反扩散和共扩散生物膜。本研究是第一次直接比较MABR和CBR在整体和空间分解的N2O产量/减少和作为生物膜深度功能的微生物群落组成方面的结果。2种生物膜分别采用逆流和共流基质扩散结构，在相同负荷率下，对低DOC/TDN为1.0的高含氮废水进行同时硝化反硝化。上述研究结果证明了MABRs有望成为一种小足迹技术，既能实现有效的同步硝化/反硝化，又能减缓N2O排放。