Suitable flow pattern increases the removal efficiency of nitrogen in gravity sewers: a suitable anoxic and aerobic environment in biofilms

合適的流動(dòng)模式提高重力下水道中氮的去除效率：生物膜中合適的缺氧和好氧環(huán)境

來(lái)源：Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, 2018, Pages 15743-15753

《環(huán)境科學(xué)與污染研究》，第25卷，2018年，第15743-15753頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了下水道具有碳去除功能，但如果能在碳去除的同時(shí)增強(qiáng)氮去除效果，可以為實(shí)現(xiàn)“下水道作為反應(yīng)器”奠定基礎(chǔ)。論文研究了剪切應(yīng)力和C/N比對(duì)下水道內(nèi)壁生物膜上氮去除和氮轉(zhuǎn)移的影響。主要結(jié)論包括：氮可以通過(guò)一系列反應(yīng)部分去除；生物膜中存在厭氧、缺氧、好氧環(huán)境和一些與氮代謝相關(guān)的細(xì)菌，促進(jìn)硝化和反硝化；在C/N比為10、剪切應(yīng)力為1.4 Pa的生物膜中檢測(cè)到722個(gè)與氮代謝相關(guān)的功能基因，占所有基因的0.67%，其中與反硝化相關(guān)的功能基因占主導(dǎo)。

 

研究目的

研究目的是探究剪切應(yīng)力和C/N比對(duì)下水道生物膜中氮去除和轉(zhuǎn)移的影響，探索氮在生物膜中的轉(zhuǎn)化機(jī)制，為增強(qiáng)下水道氮去除提供基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳和氮的同步去除，減少后續(xù)處理廠的負(fù)荷。

 

研究思路

研究思路首先使用模擬下水道的反應(yīng)器，設(shè)置不同剪切應(yīng)力（1.15 Pa、1.4 Pa、2.0 Pa）和C/N比（2、5、10）條件，培養(yǎng)生物膜。通過(guò)微電極技術(shù)測(cè)量生物膜中溶解氧（DO）、銨氮（NH4+）、亞硝酸鹽氮（NO2-）、硝酸鹽氮（NO3-）等濃度的分布，分析氮去除效率。同時(shí)，進(jìn)行宏基因組測(cè)序，分析微生物群落和功能基因，以揭示氮代謝途徑。實(shí)驗(yàn)還包括對(duì)不同DO濃度（1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L）下氮轉(zhuǎn)化的研究。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了生物膜厚度在不同剪切應(yīng)力和C/N比下的變化，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2a。研究意義：生物膜厚度影響物質(zhì)擴(kuò)散和反應(yīng)環(huán)境，剪切應(yīng)力增加導(dǎo)致厚度減小（從2.3 mm到1.6 mm），C/N比增加導(dǎo)致厚度增加（從1.7 mm到2.0 mm），這有助于優(yōu)化水力條件以增強(qiáng)氮去除。

 

2 測(cè)量了進(jìn)水和出水中的COD、NH4+、NO2-、NO3-、TN濃度，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2b和Fig. 4a。研究意義：評(píng)估氮去除效率，剪切應(yīng)力為1.4 Pa時(shí)TN去除效率較高（62%），C/N比為10時(shí)COD去除效率較高（87.67%），表明剪切應(yīng)力是主導(dǎo)因素，有利于物質(zhì)擴(kuò)散。

 

3 測(cè)量了生物膜中DO、NH4+、NO2-、NO3-濃度的分布，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 3、Fig. 4b-e、Fig. 5。研究意義：揭示生物膜內(nèi)好氧、缺氧、厭氧環(huán)境的形成（例如，DO濃度隨深度增加而減少），促進(jìn)同時(shí)硝化和反硝化，優(yōu)化氮轉(zhuǎn)化過(guò)程。

 

 

4 測(cè)量了功能基因通過(guò)宏基因組測(cè)序，檢測(cè)到722個(gè)氮代謝基因，數(shù)據(jù)來(lái)自文本描述（無(wú)具體圖）。研究意義：了解微生物氮代謝途徑，反硝化基因占主導(dǎo)（350個(gè)序列），證實(shí)生物膜在氮去除中的關(guān)鍵作用。

 

結(jié)論

1 氮可以在下水道中部分去除，通過(guò)生物膜中的微生物活動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2 生物膜中的厭氧、缺氧、好氧環(huán)境和相關(guān)細(xì)菌（如Proteobacteria）促進(jìn)硝化和反硝化反應(yīng)。

3 檢測(cè)到豐富的氮代謝功能基因，反硝化相關(guān)基因占主導(dǎo)，支持下水道作為反應(yīng)器的潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于精確量化生物膜中溶解氧（DO）、銨氮（NH4+）、亞硝酸鹽氮（NO2-）、硝酸鹽氮（NO3-）等濃度的梯度分布，從而深入理解生物膜內(nèi)微環(huán)境的變化。這些測(cè)量顯示DO濃度隨生物膜深度增加而減少，形成好氧、缺氧和厭氧的分層環(huán)境（例如，在剪切應(yīng)力1.4 Pa下，DO從1.96 mg/L減少到0.09 mg/L），這促進(jìn)了同時(shí)硝化和反硝化過(guò)程，優(yōu)化氮去除效率。此外，電極數(shù)據(jù)幫助識(shí)別N2O等溫室氣體的產(chǎn)生條件（如低DO濃度下N2O積累），評(píng)估環(huán)境 impact，并為調(diào)節(jié)水力條件（如剪切應(yīng)力）提供依據(jù)，以增強(qiáng)氮去除同時(shí)減少溫室氣體排放。這種高精度測(cè)量為下水道作為生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和管理提供了關(guān)鍵參數(shù)。