Exploring the effects of intermittent aeration on the performance of nitrifying membrane-aerated biofilm reactors  

間歇曝氣對硝化膜曝氣生物膜反應器性能影響的探索  

來源：Science of the Total Environment, Volume 891, 2023, Article 164329  

《總體環境科學》，第891卷，2023年，文章編號164329  

 

摘要內容  

摘要指出，膜曝氣生物膜反應器（MABR）在脫氮效率與氧傳遞效率（OTE）之間存在平衡問題。本研究通過對比連續曝氣（Rc）和間歇曝氣（Ri1：8小時周期，Ri2：0.5小時周期）的MABR運行模式，發現間歇曝氣能在低氧分壓（停曝期降至0.05 atm）下維持高硝化速率（2.6–2.8 gN m?2 d?1），且N?O排放量（占轉化氨氮的17–22%）不受曝氣模式影響。高頻間歇曝氣（Ri2）顯著提升藥物阿替洛爾的去除率，但對磺胺甲惡唑去除無影響。宏基因組分析表明，間歇曝氣富集了低氧適應的Nitrosospira菌屬，并提高了微生物多樣性。  

 

研究目的  

解決MABR技術中硝化速率與氧傳遞效率的權衡問題，探索間歇曝氣對硝化性能、N?O排放及痕量有機物（TOrCs）去除的影響，為優化MABR能效提供依據。  

 

研究思路  

實驗設計：三組實驗室規模平板MABR（Rc連續曝氣、Ri1低頻間歇曝氣[4小時開/4小時關]、Ri2高頻間歇曝氣[15分鐘開/15分鐘關]），進水為無有機碳的合成污水（50 mg NH??-N L?1），添加9種痕量有機物（TOrCs）。  

 

長期運行監測：持續385天，監測硝化速率、氧分壓、N?O排放及TOrCs去除（圖1-2，表1）。  

 

 

 

 

批次實驗：評估TOrCs降解動力學（圖4，表2），并探究抑制劑（ATU）和缺氧條件對TOrCs去除的影響。  

 

 

微生物分析：通過16S rRNA測序解析生物膜群落結構（圖5）。  

 

機制關聯：結合氧傳遞效率（OTE）計算與微生物數據，揭示間歇曝氣的優化機制。  

 

測量數據及其研究意義  

硝化速率（NR）（圖2/表1）  

 

數據：Rc、Ri1、Ri2的NR分別為2.6、2.8、2.8 gN m?2 d?1。  

 

意義：證實間歇曝氣在停曝期氧分壓驟降（Ri1降至0.05 atm）下仍維持高硝化速率，突破OTE與NR的權衡限制。  

N?O排放通量（表1）  

 

數據：N?O排放占總轉化氨氮的17–22%，其中70%通過液相釋放。  

 

意義：停曝期N?O在膜內積累，復曝后集中釋放，異養反硝化（內源碳驅動）貢獻超50%排放量。  

TOrCs去除動力學（圖4/表2）  

 

數據：阿替洛爾生物降解速率常數（kbio）在Ri2最高（3.87 L gVSS?1 d?1），磺胺甲惡唑無差異。  

 

意義：高頻間歇曝氣提升阿替洛爾去除，異養菌主導降解而非硝化菌。  

微生物群落（圖5）  

 

數據：間歇曝氣富集Nitrosospira（Ri2占AOB的33%），連續曝氣以Nitrosomonas europaea為主（34%）。  

 

意義：Nitrosospira的低氧適應性支持停曝期的高效硝化，群落多樣性升高（Ri1/Ri2 > Rc）。  

氧傳遞效率（OTE）（計算值）  

 

數據：OTE僅0.2–0.4%（因高氣流量），但理論推算間歇曝氣可提至75%。  

 

意義：通過縮短曝氣時長（僅補充新鮮空氣），OTE和曝氣能效（gO? kWh?1）可倍增。  

 

丹麥Unisense微電極數據的意義  

研究中使用的Unisense N?O-R微電極（連接PA2000皮安計）實現液相N?O的高頻監測（每60秒記錄）。其核心價值在于：  

高時空分辨率：捕捉停曝期N?O在膜內積累動態，揭示70% N?O通過液相排放的關鍵機制（表1），挑戰“氣態主導排放”的傳統認知。  

 

量化異養貢獻：結合抑制劑實驗（ATU抑制硝化），證實液相N?O峰值與異養反硝化相關（內源碳驅動），非硝化菌主導。  

 

工藝優化依據：實時N?O數據指導曝氣周期設計（如Ri2高頻模式減少積累），為減排策略提供實證。  

 

結論  

氧傳遞效率突破：間歇曝氣使MABR在停曝期氧分壓降至0.05 atm時仍維持高硝化速率，OTE理論可提至75%（較傳統提2倍以上），顯著降低能耗。  

 

N?O排放機制：曝氣模式不影響總N?O排放量（占轉化氨氮17–22%），但70%通過液相釋放，異養反硝化（內源碳驅動）為主要貢獻者。  

 

TOrCs去除選擇性：高頻間歇曝氣（Ri2）顯著提升阿替洛爾去除率（kbio提高109%），磺胺甲惡唑不受影響，異養菌主導降解。  

 

微生物適應性：間歇曝氣富集低氧適應菌屬Nitrosospira（相對豐度33%），提高生物膜多樣性，支撐停曝期的功能穩定性。  

 

工程應用：通過優化曝氣周期（如Ri2的0.5小時循環），MABR可在維持脫氮性能的同時實現能效升級。