Enhancement of anammox performance in a novel non-woven fabric membrane bioreactor(nMBR)

新型無紡布膜生物反應(yīng)器（nMBR）中厭氧氨氧化性能的增強(qiáng)

來源：RSC Advances, 2015, Volume 5, pages 86875-86884

《RSC進(jìn)展》，2015年，第5卷，86875-86884頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了為了減少傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器（cMBR）的操作成本和膜污染，本研究構(gòu)建了一種新型無紡布膜生物反應(yīng)器（nMBR），并比較了兩種MBR在厭氧氨氧化（anammox）培養(yǎng)中的性能。結(jié)果表明，nMBR的啟動(dòng)時(shí)間（44天）顯著短于cMBR（56天），且nMBR的氮去除率（231.5 mg N/L/d）是cMBR（112.3 mg N/L/d）的兩倍。通過Illumina MiSeq測(cè)序、FISH和qPCR分析，發(fā)現(xiàn)nMBR中富集了更多的anammox細(xì)菌（如Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia），且N2O排放分析顯示nMBR在減少溫室氣體排放方面具有優(yōu)勢(shì)。這些結(jié)果證明nMBR是anammox啟動(dòng)和性能增強(qiáng)的潛在選擇。

 

研究目的

研究目的是比較新型無紡布膜生物反應(yīng)器（nMBR）和傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器（cMBR）在厭氧氨氧化過程啟動(dòng)和性能方面的差異，重點(diǎn)評(píng)估nMBR在減少膜污染、降低操作成本、提高氮去除效率及減少N2O排放方面的潛力，以推動(dòng)anammox技術(shù)在廢水處理中的實(shí)際應(yīng)用。

 

研究思路

研究思路包括構(gòu)建兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的MBR（cMBR使用中空纖維膜，nMBR使用無紡布膜），接種相同混合污泥（1/4 anammox污泥和3/4厭氧顆粒污泥），在相同條件下（溫度33°C，HRT從96h逐步縮短）運(yùn)行130天。通過監(jiān)測(cè)氮去除性能、生物量保留、微生物群落結(jié)構(gòu)（使用Illumina MiSeq測(cè)序、FISH和qPCR）、N2O排放（使用丹麥Unisense電極）和膜污染（TMP）等指標(biāo)，系統(tǒng)比較兩種反應(yīng)器的性能。數(shù)據(jù)分析結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)方法，以揭示nMBR的優(yōu)勢(shì)機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氮去除性能數(shù)據(jù)（來自圖2和圖3）：測(cè)量了銨離子（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）的濃度變化、氮去除率（NRR）和去除效率。研究意義是評(píng)估nMBR和cMBR的anammox活性，nMBR顯示更快的啟動(dòng)和更高的NRR，表明無紡布膜能增強(qiáng)氮去除能力，為高效廢水處理提供依據(jù)。

 

 

2. 生物量保留數(shù)據(jù)：測(cè)量了混合液懸浮固體（MLSS）和出水懸浮固體（SS）。研究意義是證明nMBR通過無紡布膜促進(jìn)生物膜形成，減少生物量流失，提高生物質(zhì)保留，這對(duì)于慢速生長(zhǎng)的anammox細(xì)菌富集至關(guān)重要。

3. 微生物群落數(shù)據(jù)（來自圖4、圖5和FISH/qPCR結(jié)果）：通過Illumina MiSeq測(cè)序分析了細(xì)菌群落組成（如Planctomycetes、Proteobacteria等），F(xiàn)ISH半定量分析anammox細(xì)菌比例，qPCR定量anammox細(xì)菌拷貝數(shù)（如nMBR在120天達(dá)1.07×10^9 copies/mL）。研究意義是揭示nMBR富集更多anammox細(xì)菌，解釋其性能優(yōu)勢(shì)，并為微生物生態(tài)研究提供數(shù)據(jù)。

 

 

4. N2O排放數(shù)據(jù)（來自圖6）：使用丹麥Unisense電極測(cè)量液體中N2O濃度（μmol/L）和N2O/NRR比值。研究意義是評(píng)估anammox過程中溫室氣體排放，nMBR顯示更低的N2O排放指數(shù)，表明其在減少環(huán)境影響方面的優(yōu)勢(shì)，支持綠色廢水處理技術(shù)開發(fā)。

 

5. 膜污染數(shù)據(jù)（來自圖7）：測(cè)量了跨膜壓力（TMP）變化。研究意義是證明nMBR的TMP發(fā)展更慢（最高25kPa vs cMBR的45kPa），表明無紡布膜減輕膜污染，降低維護(hù)成本，提升工程可行性。

 

 

結(jié)論

1. nMBR比cMBR能更快啟動(dòng)anammox過程（44天 vs 56天），并獲得更高氮去除率（245.4 mg N/L/d vs 122.6 mg N/L/d），顯示無紡布膜在增強(qiáng)性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

2. nMBR促進(jìn)生物膜形成，富集更多anammox細(xì)菌（qPCR顯示拷貝數(shù)更高），微生物群落分析證實(shí)Planctomycetes等關(guān)鍵菌群富集，支持其高效氮去除。

3. nMBR減少N2O排放，表明其在溫室氣體減排方面的潛力，同時(shí)膜污染更輕，TMP更低，降低了操作成本，使nMBR成為anammox技術(shù)應(yīng)用的理想選擇。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量N2O排放數(shù)據(jù)的研究意義在于，它提供了高精度的原位溶解N2O濃度監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤anammox過程中溫室氣體的動(dòng)態(tài)變化。在本文中，電極測(cè)量顯示nMBR的N2O排放低于cMBR（如圖6所示），這有助于識(shí)別N2O產(chǎn)生機(jī)制（如反硝化或硝化副產(chǎn)物），并驗(yàn)證anammox過程的純凈性。通過量化N2O/NRR比值，電極數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)到處理效率和環(huán)境影響，證明nMBR在減少碳足跡方面的優(yōu)勢(shì)。此外，這種測(cè)量方法克服了傳統(tǒng)抓取采樣的局限性，為在線監(jiān)測(cè)和過程控制提供了可靠工具，支持廢水處理廠的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。