Alkalinity and pH effects on nitrification in a membrane aerated bioreactor: An experimental and model analysis

膜曝氣生物反應器中堿度和pH對硝化作用的影響：實驗和模型分析

來源：Water Research, Volume 74, 2015, Pages 10-22

《水研究》，第74卷，2015年，第10-22頁

 

摘要：

論文摘要闡述了在實驗室規模膜曝氣生物反應器（MABR）中培養硝化生物膜，用于校準和測試一個一維生物膜模型，該模型結合化學平衡計算局部pH值。通過屏蔽微電極測量了實際操作條件下生物膜及邊界層中的溶解氧、銨、硝酸鹽和pH濃度剖面。操作條件變化包括堿度（碳酸氫鹽負荷）、銨負荷和膜內氧分壓。硝化性能在測試范圍內隨銨和碳酸氫鹽負荷增加而改善，但隨膜內氧分壓增加而下降。模型預測與實驗結果基本一致，突出了在低堿度水中生物膜內pH變化的重要性，表明進水pH和緩沖能力可能顯著影響MABR的硝化性能。

 

研究目的：

研究目的是校準和測試一個改進的AQUASIM生物膜模型，該模型納入局部pH變化對硝化動力學的影響，以評估堿度、銨負荷和氧分壓等操作條件對膜曝氣生物膜性能的影響。目標是通過實驗和模型分析，提高對MABR中硝化過程的理解，并為廢水處理中的優化設計提供依據。

 

研究思路：

研究思路包括在實驗室規模MABR中培養硝化生物膜，使用平片微孔膜作為支持介質。通過改變進水碳酸氫鹽濃度（0.6、1.2和4.8 mM）、水力停留時間（24小時和12小時）和膜內氧分壓（0.21 atm和0.4 atm）來操作反應器。使用屏蔽微電極（包括丹麥Unisense的溶解氧微電極和自制的銨、硝酸鹽、pH微電極）測量生物膜內的濃度剖面。同時，開發并校準一個一維生物膜模型，該模型結合酸堿平衡和二氧化碳 stripping 效應，預測局部pH和物種濃度。模型與實驗數據比較，以驗證其準確性，并分析參數如生物膜密度和有效擴散系數。

 

測量的數據及研究意義：

1 溶解氧、銨、硝酸鹽和pH的濃度剖面數據，來自圖4、圖5、圖6、圖7和圖8。這些數據通過微電極在生物膜內不同位置測量，顯示氧滲透深度、銨消耗和硝酸鹽產生模式。研究意義在于直接驗證生物膜模型預測，揭示局部pH變化對硝化速率的抑制效應，例如在低堿度條件下pH降至3.8，導致硝化速率下降，強調了堿度在維持生物膜內中性pH的重要性。

 

 

 

 

 

2 反應器性能數據，包括銨和硝酸鹽的 effluent 濃度和通量，來自表2。這些數據通過質量平衡計算，顯示硝化效率隨堿度增加而提高（如堿度從0.6 mM增至4.8 mM時，硝化率從55%升至79%）。研究意義在于量化操作條件對整體反應器性能的影響，為MABR設計提供實踐指導，如優化堿度負荷以增強硝化。

 

3 有效擴散系數（De/D）數據，來自表3，通過濃度梯度計算。數據顯示在生物膜不同區域擴散系數變化，例如在外部區域De/D大于1，表明對流傳輸增強。研究意義在于揭示生物膜結構異質性對質量傳遞的影響，指出模型假設均勻擴散的局限性，并建議未來模型需納入空間變異。

 

 

結論：

1 堿度對MABR硝化性能有顯著影響，進水碳酸氫鹽濃度增加能緩解生物膜內pH下降，提高硝化速率，但超過化學計量比后無額外益處。

2 膜曝氣生物膜比傳統生物膜更易出現pH下降，因為硝化發生在生物膜深層，堿度擴散受阻，導致局部酸性條件抑制硝化。

3 模型預測與實驗數據基本一致，但低估低pH下的硝化速率，建議改進pH校正函數；增加銨負荷可提高硝化通量，但氧分壓增加可能導致生物膜增厚，反而降低性能。

4 生物膜結構非均勻性影響質量傳遞，有效擴散系數在外部區域因對流而增強，表明實際應用中需考慮流體動力學。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（如Model OX-10溶解氧微電極）測量溶解氧濃度剖面，結合自制微電極和Unisense微操縱器（Model MMS-M, MM33），提供了高精度、原位、實時監測生物膜內局部濃度的能力。研究意義在于：這些測量允許直接量化氧滲透深度和濃度梯度，關鍵于驗證生物膜模型的質量傳遞部分；例如，數據顯示氧通量隨硝化速率增加而增加（圖3），并揭示生物膜呼吸增強氧傳輸。Unisense電極的高分辨率和屏蔽設計最小化電噪聲，確保數據可靠性，使能檢測微小變化如氧分壓影響下的剖面差異（圖5）。此外，pH微電極測量與Unisense系統集成，提供了局部pH數據（圖6和7），直接鏈接pH變化與硝化動力學，證明低堿度下pH劇降的抑制作用。總體而言，Unisense電極技術使能了生物膜內過程的微觀洞察，為模型校準和過程優化提供了不可或缺的實驗基礎，強調了其在環境生物技術研究中的價值。