Determining the optimal transmembrane gas pressure for nitrification in membrane-aerated biofilm reactors based on oxygen profile analysis

基于氧剖面分析確定膜曝氣生物膜反應器中硝化的最佳跨膜氣體壓力

來源：Applied Microbiology and Biotechnology, Volume 100, 2016, Pages 7699-7711

《應用微生物學與生物技術》第100卷，2016年，第7699-7711頁

 

摘要

本研究調查了跨膜氣體壓力（Pg）對膜曝氣生物膜反應器（MABR）中銨去除率的影響。實驗結果表明，當Pg從2 kPa增加到20 kPa時，特定銨去除率從4.98 gN m?2 day?1增加到9.26 gN m?2 day?1，但改進并非線性，存在一個閾值（Pg=10 kPa），超過該閾值后銨去除率改善不顯著。通過氧剖面分析，發現生物膜由銨氧化活性層和非活性層組成，氧滲透深度（dp）隨Pg增加而增加，但dp與Pg的比值在活性層和非活性層不同，從而可確定活性層厚度和最佳Pg。

 

研究目的

研究目的是探究跨膜氣體壓力（Pg）對MABR中硝化過程的影響，確定最佳Pg以最大化銨去除效率，并基于氧剖面分析開發一種優化MABR操作的方法，以實現高效氮去除。

 

研究思路

研究使用實驗室規模MABR，在生物膜厚度約600 μm條件下，操作Pg從2 kPa到20 kPa變化。通過測量銨去除率、氮化合物濃度（NH4+-N、NO2--N、NO3--N）、溶解氧（DO）剖面和pH值，結合Unisense微電極實時監測生物膜內氧分布，分析氧滲透深度與Pg的關系，并計算氧通量和銨去除動力學，以揭示Pg對硝化性能的影響機制。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了特定銨去除率（v）隨Pg（2-20 kPa）的變化。數據來自圖3。研究意義在于顯示銨去除率在Pg低于10 kPa時顯著增加，超過10 kPa后改善有限，表明存在最佳Pg閾值，為優化MABR能耗和效率提供依據。

 

2 測量了生物膜內溶解氧（DO）剖面，即DO濃度隨深度的變化。數據來自圖4。研究意義在于揭示氧在生物膜中的分布規律，區分活性層（近膜表面，氧快速消耗）和非活性層（遠離膜表面，氧擴散為主），幫助理解傳質和反應耦合過程。

 

3 測量了氧滲透深度（dp）與Pg的關系。數據來自圖6。研究意義在于發現dp隨Pg增加而增加，但斜率變化點對應活性層厚度（213 μm），可用于確定最佳Pg，避免過度曝氣。

 

4 測量了膜表面DO濃度（SO2,m）與Pg的關系。數據來自圖9。研究意義在于證實Pg增加導致膜表面DO升高，但銨去除率不線性增加，強調氧傳遞與微生物活性的平衡重要性。

 

 

結論

1 跨膜氣體壓力存在閾值（Pg=10 kPa），超過該值后銨去除率無法顯著提高，因此10 kPa為MABR中硝化過程的最佳操作壓力。

2 膜曝氣生物膜由銨氧化活性層（厚度約213 μm）和非活性層組成；氧滲透深度dp與Pg的比值在活性層較小（12.64 μm kPa?1），在非活性層較大（47.50 μm kPa?1），該變化可用于識別活性層厚度。

3 基于氧剖面分析的方法可有效確定最佳Pg和活性層特征，為MABR設計和優化提供理論支持。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量溶解氧數據的研究意義在于實現了生物膜內氧濃度的高空間分辨率實時監測。電極的微米級精度（10 μm直徑）和快速響應能力允許精確捕捉氧剖面（如圖4所示），從而量化氧滲透深度和活性層邊界。這些數據直接揭示了Pg對氧傳遞和微生物耗氧的影響，例如顯示氧在活性層內快速消耗（曲線下降），而在非活性層線性擴散。通過對比有/無銨喂養下的氧剖面（圖5），電極數據幫助區分反應和擴散主導區域，驗證了生物膜分層模型。此外，電極測量支持了dp與Pg的線性關系建模（圖6），為確定最佳Pg提供了實驗證據。這種高分辨率監測提升了MABR過程控制的可靠性，減少了傳統方法的不確定性，有助于優化曝氣策略和能耗。