Denitrification of groundwater using a biodegradable polymer as a carbon source: long-term performance and microbial diversity

利用生物可降解聚合物作為地下水反硝化的碳源

來(lái)源：RSC Adv., 2017, 7, 53454

 

論文摘要

本論文摘要指出，硝酸鹽污染是一個(gè)全球性的地下水問(wèn)題。本研究報(bào)道了使用可生物降解聚合物聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作為生物膜載體和碳源，在一個(gè)填充床生物反應(yīng)器中連續(xù)運(yùn)行近2年，用于去除地下水中硝酸鹽的反硝化性能。結(jié)果表明，出水硝酸鹽濃度達(dá)到3.3-8.8 mg L?1，硝酸鹽去除率達(dá)到88-97%。在20-29°C時(shí)，反硝化速率為0.25-0.35 g N L?1 d?1，在10-18°C時(shí)降至0.12 g N L?1 d?1。根據(jù)微電極分析，硝酸鹽消耗速率遠(yuǎn)高于銨鹽產(chǎn)生速率，證明反硝化是系統(tǒng)中的主要過(guò)程。出水中檢測(cè)到低水平的溶解性有機(jī)碳（DOC）和銨鹽，有利于實(shí)際應(yīng)用。附著生物膜中的主要菌門包括變形菌門等。在排名前20的屬中，有9個(gè)屬于反硝化菌群。研究表明，PBS固相反硝化技術(shù)對(duì)于從地下水中去除硝酸鹽具有良好的應(yīng)用前景。

研究目的

本研究的主要目的在于：

 

評(píng)估長(zhǎng)期性能：在一個(gè)近兩年的長(zhǎng)時(shí)間尺度上，評(píng)估以PBS作為碳源和生物膜載體的填充床生物反應(yīng)器對(duì)地下水中硝酸鹽的持續(xù)去除性能，包括去除效率、反硝化速率以及出水水質(zhì)。

探究關(guān)鍵影響因素：研究溫度和水力停留時(shí)間（HRT）等關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)反硝化過(guò)程的影響，特別是在季節(jié)性溫度變化下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

分析PBS降解與微生物群落：表征PBS載體在長(zhǎng)期運(yùn)行中的降解特性，以及附著在其上的生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，闡明系統(tǒng)內(nèi)功能菌群的存在與作用。

 

驗(yàn)證主導(dǎo)反應(yīng)途徑：利用微電極等技術(shù)，驗(yàn)證在PBS固相反硝化系統(tǒng)中，反硝化（生成氮?dú)猓┦欠袷侵鲗?dǎo)的硝酸鹽去除途徑，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）等其他途徑。

 

研究思路

本研究采用了“長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行 - 多指標(biāo)監(jiān)測(cè) - 機(jī)理深入解析”的系統(tǒng)思路：

 

反應(yīng)器建立與長(zhǎng)期運(yùn)行：構(gòu)建一個(gè)PBS填充床反應(yīng)器，以實(shí)際硝酸鹽污染的地下水為進(jìn)水，在接近自然條件下連續(xù)運(yùn)行近2年（620天）。通過(guò)人為添加硝酸鈉，將進(jìn)水硝酸鹽濃度維持在68±2 mg L?1。

參數(shù)控制與過(guò)程監(jiān)測(cè)：在運(yùn)行期間，系統(tǒng)地調(diào)整水力停留時(shí)間（HRT）并記錄自然溫度變化，將整個(gè)運(yùn)行期劃分為不同階段（表1）。定期采集進(jìn)出水樣品，分析硝酸鹽（NO??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）、銨鹽（NH??-N）和溶解性有機(jī)碳（DOC）的濃度，計(jì)算去除率和反硝化速率。

 

 

載體與生物膜表征：通過(guò)掃描電鏡（SEM）觀察新鮮和使用后PBS顆粒的表面形貌變化；通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析PBS的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化；定期測(cè)量PBS顆粒的重量損失以計(jì)算消耗速率；分析附著生物膜的生物量（VSS）和胞外聚合物（EPS）含量。

 

微生物群落分析：在運(yùn)行約500天后，采集生物膜樣品，通過(guò)高通量測(cè)序（454焦磷酸測(cè)序）分析微生物群落在門、綱、目、科、屬水平的組成和相對(duì)豐度。

 

機(jī)理驗(yàn)證：使用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部的硝酸根離子（NO??）和銨根離子（NH??）的濃度剖面，直觀展示并定量計(jì)算兩者的產(chǎn)生/消耗速率，為“反硝化為主導(dǎo)過(guò)程”提供直接證據(jù)。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測(cè)量了多個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表和表格）：

 

反應(yīng)器長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)（評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率）

 

測(cè)量指標(biāo)：進(jìn)出水硝酸鹽（NO??-N）、亞硝酸鹽（NO??-N）、銨鹽（NH??-N）濃度、硝酸鹽去除率、反硝化速率。這些數(shù)據(jù)隨運(yùn)行時(shí)間的變化展示在圖2中，各階段的平均值總結(jié)在表1中。

研究意義：這些核心數(shù)據(jù)直接證明了PBS固相反硝化系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效性。圖2和表1清晰顯示，在大部分運(yùn)行時(shí)間（尤其在適宜溫度下），系統(tǒng)能保持高達(dá)95%以上的硝酸鹽去除率。數(shù)據(jù)還揭示了溫度是關(guān)鍵控制因素，低溫（10-18°C）下反硝化速率顯著降低（約降低65%），并伴有亞硝酸鹽積累，這為實(shí)際工程應(yīng)用中的參數(shù)調(diào)控提供了重要依據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2， 表1。

 

出水水質(zhì)指標(biāo)（評(píng)估系統(tǒng)副產(chǎn)物及后續(xù)處理需求）

 

測(cè)量指標(biāo)：出水溶解性有機(jī)碳（DOC）和銨鹽（NH??-N）濃度。

研究意義：數(shù)據(jù)顯示出水中DOC增量極低（1.7 ± 0.6 mg L?1），銨鹽濃度也保持在低水平（0.5 ± 0.3 mg L?1）。這表明PBS作為固態(tài)碳源，緩慢釋放降解產(chǎn)物，避免了傳統(tǒng)液態(tài)碳源（如甲醇）可能引起的二次有機(jī)污染問(wèn)題，出水水質(zhì)良好，減輕了后續(xù)處理負(fù)擔(dān)，是其一大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：正文結(jié)果部分。

 

PBS載體降解特性數(shù)據(jù)（評(píng)估碳源消耗與經(jīng)濟(jì)性）

 

測(cè)量指標(biāo)：PBS顆粒的重量隨時(shí)間的損失（圖4）、SEM圖像（圖5a, b）、FT-IR光譜（圖6）。

研究意義：圖4顯示PBS重量線性下降，降解速率約為0.04 mg d?1，估算其有效使用壽命約1年。圖5a, b的SEM對(duì)比直觀展示了微生物對(duì)PBS表面的腐蝕。圖6的FT-IR光譜表明PBS降解后羥基峰增強(qiáng)，說(shuō)明發(fā)生了水解。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了PBS的可生物降解性，并為其消耗速率的計(jì)算提供了依據(jù)。實(shí)際PBS消耗量為2.75 ± 0.72 g PBS/g NO??-N，略高于理論值，可能部分碳源被好氧呼吸消耗。

 

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4， 圖5a, b， 圖6。

 

生物膜微生物群落數(shù)據(jù)（揭示系統(tǒng)功能的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)者）

 

測(cè)量指標(biāo)：通過(guò)高通量測(cè)序獲得的微生物在各分類水平（門、綱、目、科、屬）的相對(duì)豐度（圖8 和 表2）。

研究意義：數(shù)據(jù)表明，生物膜群落由具有特定功能的菌群構(gòu)成。在門水平，變形菌門（Proteobacteria）占主導(dǎo)（75.6%）。在屬水平，表2顯示前20個(gè)OTU中有9個(gè)是已知的反硝化菌屬（如Simplicispira， 總豐度約16%），這從生物學(xué)角度直接解釋了系統(tǒng)高效脫氮的原因。同時(shí)，也檢測(cè)到一些具有有機(jī)物降解和酸化功能的菌屬（如Veillonellaceae），它們可能負(fù)責(zé)將PBS大分子降解為小分子，供反硝化菌利用，形成了功能協(xié)同的微生物群落。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖8， 表2。

 

微電極剖面數(shù)據(jù)（定量解析反應(yīng)機(jī)理的關(guān)鍵證據(jù)）

 

測(cè)量指標(biāo)：使用Unisense微電極測(cè)得的生物膜內(nèi)硝酸鹽（NO??）和銨鹽（NH??）的濃度垂直分布剖面（圖3），并據(jù)此計(jì)算的硝酸鹽消耗速率和銨鹽產(chǎn)生速率。

研究意義：圖3的剖面顯示，硝酸鹽濃度從生物膜-水體界面向內(nèi)部逐漸降低，而銨鹽在載體界面處有微量產(chǎn)生并向水體擴(kuò)散。計(jì)算得出的硝酸鹽消耗速率（1069 ± 103 μmol cm?1 h?1）遠(yuǎn)高于銨鹽產(chǎn)生速率（74 ± 7 μmol cm?1 h?1）。這提供了最直接的證據(jù)，表明硝酸鹽主要通過(guò)反硝化途徑（生成N?）被去除，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于確認(rèn)該技術(shù)的處理效能和環(huán)境友好性（避免NH??積累）至關(guān)重要。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3。

 

研究結(jié)論

 

PBS固相反硝化系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定高效：近兩年的運(yùn)行表明，以PBS為碳源和載體的系統(tǒng)能夠持續(xù)高效地去除地下水中的硝酸鹽，平均去除率超過(guò)90%，出水硝酸鹽濃度滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)（<10 mg N L?1）要求。

溫度是主要影響因素：系統(tǒng)性能表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性。在常溫（20-29°C）下反硝化速率高，而在低溫（10-18°C）下速率顯著下降。在實(shí)際應(yīng)用中需考慮溫度補(bǔ)償或保溫措施。

出水水質(zhì)優(yōu)良，副產(chǎn)物少：系統(tǒng)出水的溶解性有機(jī)碳（DOC）和銨鹽（NH??-N）濃度極低，表明PBS作為固態(tài)碳源能有效控制二次污染，減少了后續(xù)處理難度。

微生物群落功能明確：生物膜中形成了以反硝化菌為核心（如Simplicispira等），并伴有PBS降解菌的功能性群落結(jié)構(gòu)，各菌群協(xié)同作用，共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

反硝化是主導(dǎo)途徑：微電極測(cè)量數(shù)據(jù)確鑿地證明，在該系統(tǒng)中，反硝化（Denitrification）是硝酸鹽去除的絕對(duì)主導(dǎo)途徑，而非異化硝酸鹽還原為銨（DNRA），這保證了脫氮的徹底性（生成N?）。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense微電極是闡明生物膜內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理、定量區(qū)分競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)途徑的決定性工具，其研究意義非常突出：

 

實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物膜微環(huán)境的原位、高分辨率探測(cè)：傳統(tǒng)的水樣化學(xué)分析只能獲得反應(yīng)器進(jìn)出口的濃度變化，無(wú)法知曉反應(yīng)發(fā)生在哪里、以多快的速率進(jìn)行。Unisense微電極的尖端極細(xì)（NO??電極5μm，NH??電極15μm），能夠無(wú)損地刺入生物膜內(nèi)部，以高空間分辨率測(cè)量NO??和NH??的濃度梯度（圖3）。這種原位測(cè)量避免了破壞生物膜結(jié)構(gòu)，能真實(shí)反映反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)環(huán)境。

提供了區(qū)分反硝化與DNRA途徑的直接證據(jù)：地下水脫氮技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：硝酸鹽究竟是被還原為氮?dú)猓ǚ聪趸硐胪緩剑┻€是被還原為銨（DNRA，不理想途徑）？?jī)H憑進(jìn)出水濃度變化難以準(zhǔn)確區(qū)分。Unisense微電極通過(guò)同步測(cè)定NO??和NH??的剖面，并利用菲克第二定律計(jì)算消耗/產(chǎn)生速率，直接對(duì)比了兩種途徑的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)顯示NO??消耗速率是NH??產(chǎn)生速率的14倍以上，這為“反硝化是主導(dǎo)過(guò)程”的結(jié)論提供了無(wú)可辯駁的、定量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

揭示了反應(yīng)的空間位置：圖3的剖面顯示，NO??濃度從生物膜表面向內(nèi)部持續(xù)下降，表明反硝化反應(yīng)在整個(gè)生物膜透氧區(qū)間內(nèi)都在發(fā)生。而NH??在靠近PBS載體的界面處濃度最高，表明DNRA活動(dòng)可能與該區(qū)域的特定微生物或環(huán)境條件（如更嚴(yán)格的厭氧條件）相關(guān)。這為了解反應(yīng)的熱點(diǎn)區(qū)域提供了空間信息。

支撐了系統(tǒng)的環(huán)境友好性評(píng)價(jià)：由于Unisense電極的數(shù)據(jù)證實(shí)了NH??產(chǎn)生量極低，這有力地支持了“PBS固相反硝化系統(tǒng)出水水質(zhì)好，銨鹽殘留風(fēng)險(xiǎn)小”這一重要優(yōu)勢(shì)。這對(duì)于該技術(shù)能否應(yīng)用于飲用水源預(yù)處理等敏感領(lǐng)域至關(guān)重要。

 

展示了其在生物工藝機(jī)理研究中的獨(dú)特價(jià)值：這項(xiàng)研究是Unisense微電極應(yīng)用于固相反硝化這一特定生物處理工藝機(jī)理研究的良好范例。它證明了該技術(shù)不僅是測(cè)量工具，更是連接宏觀性能與微觀過(guò)程的橋梁，對(duì)于開發(fā)和優(yōu)化新型廢水生物處理工藝具有重要的方法論意義。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了“機(jī)理裁判官”的角色。它提供的高分辨率原位化學(xué)剖面，將研究從“發(fā)生了什么”（高性能）推進(jìn)到了“為什么發(fā)生”（反硝化主導(dǎo)）的深度理解層面。沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，關(guān)于反應(yīng)主導(dǎo)途徑的結(jié)論將停留在推測(cè)層面，而無(wú)法獲得如此直接和令人信服的定量證據(jù)。因此，該技術(shù)的應(yīng)用是本研究能夠深入揭示PBS固相反硝化內(nèi)在機(jī)理的關(guān)鍵所在。