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

使用可生物降解聚合物作為碳源的地下水反硝化：長(zhǎng)期性能和微生物多樣性

來(lái)源：RSC Advances, Volume 7, 2017, Pages 53454-53462

《RSC進(jìn)展》，第7卷，2017年，頁(yè)碼53454-53462

 

摘要

這篇論文研究了使用可生物降解聚合物聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作為生物膜介質(zhì)和碳源，在填充床生物反應(yīng)器中連續(xù)運(yùn)行近2年，去除地下水中硝酸鹽的性能。摘要指出，出水硝酸鹽濃度達(dá)到3.3-8.8 mg/L，硝酸鹽去除率為88-97%。反硝化速率在20-29°C時(shí)為0.25-0.35 g N/L/d，在10-18°C時(shí)降至0.12 g N/L/d。微電極分析顯示硝酸鹽消耗速率（1069±103 μmol/cm/h）遠(yuǎn)高于銨生產(chǎn)速率（74±7 μmol/cm/h），證明反硝化是主要作用。出水中溶解性有機(jī)碳（DOC）和銨濃度較低（DOC 1.7±0.6 mg/L，銨0.5±0.3 mg/L），有利于實(shí)際應(yīng)用。PBS消耗速率為2.75±0.72 g PBS/g NO3-N。微生物群落分析顯示，附著生物膜中主要菌門(mén)為變形菌門(mén)（75.6%），屬水平中Simplicispira等反硝化菌占16%。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估使用PBS作為碳源的地下水反硝化系統(tǒng)的長(zhǎng)期性能，包括硝酸鹽去除效率、反硝化速率、出水水質(zhì)，并分析PBS降解特性、生物膜附著情況和微生物群落結(jié)構(gòu)，為地下水硝酸鹽污染治理提供實(shí)踐參考。

 

研究思路

研究思路首先建立PBS填充床生物反應(yīng)器，連續(xù)運(yùn)行近2年，模擬地下水處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)進(jìn)水出水硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨濃度、DOC等參數(shù)，評(píng)估反硝化性能。利用微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部硝酸鹽和銨的濃度剖面，計(jì)算凈消耗速率。通過(guò)掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜分析PBS降解特性，并通過(guò)高通量測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)，從宏觀(guān)和微觀(guān)角度全面評(píng)估系統(tǒng)性能。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 硝酸鹽去除效率和反硝化速率數(shù)據(jù)：測(cè)量了不同溫度下出水硝酸鹽濃度和反硝化速率，來(lái)自圖2和表1。研究意義是證實(shí)PBS反硝化系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持高去除率（88-97%），但溫度降低時(shí)性能下降，突出溫度控制的重要性，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

 

 

2 PBS降解速率和消耗量數(shù)據(jù)：通過(guò)重量變化測(cè)量PBS降解速率，計(jì)算PBS消耗量，來(lái)自圖4。研究意義是顯示PBS降解線(xiàn)性進(jìn)行（約0.04 mg/天），消耗量略高于理論值，表明需定期補(bǔ)充碳源，為經(jīng)濟(jì)性評(píng)估提供數(shù)據(jù)。

 

 

3 生物膜內(nèi)部氮轉(zhuǎn)化微剖面數(shù)據(jù)：使用微電極測(cè)量硝酸鹽和銨在生物膜內(nèi)的空間濃度分布，來(lái)自圖3。研究意義是直接揭示硝酸鹽消耗主要發(fā)生在生物膜外層，銨生產(chǎn)速率低，證明反硝化主導(dǎo)，微觀(guān)驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)制。

 

 

4 微生物群落組成數(shù)據(jù)：通過(guò)高通量測(cè)序分析生物膜中菌門(mén)、綱、屬水平分布，來(lái)自圖8和表2。研究意義是發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)為主（75.6%），反硝化菌如Simplicispira豐度高（16%），闡明微生物驅(qū)動(dòng)反硝化過(guò)程，為群落調(diào)控提供基礎(chǔ)。

 

 

 

結(jié)論

PBS反硝化系統(tǒng)能長(zhǎng)期有效去除地下水硝酸鹽，去除率達(dá)88-97%，但溫度低于20°C時(shí)性能下降。反硝化是主要途徑，出水水質(zhì)良好。微生物群落以反硝化菌為主，系統(tǒng)需定期補(bǔ)充PBS以維持運(yùn)行。

 

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)量硝酸鹽和銨濃度剖面的研究意義在于實(shí)現(xiàn)了生物膜內(nèi)部空間的高分辨率原位監(jiān)測(cè)。微電極系統(tǒng)（如硝酸鹽和銨微電極）具有微小尖端（5-15μm），能穿透生物膜測(cè)量不同深度的濃度梯度，從而計(jì)算凈消耗速率（如硝酸鹽消耗速率1069±103 μmol/cm/h）。這提供了直接證據(jù)證明反硝化是主要過(guò)程，而非其他氮轉(zhuǎn)化途徑。通過(guò)揭示生物膜外層為活性反硝化區(qū)，該技術(shù)彌補(bǔ)了宏觀(guān)測(cè)量的不足，為理解反應(yīng)機(jī)制和優(yōu)化生物膜工藝提供了微觀(guān)依據(jù)，最終支持地下水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)控。