Coupling of membrane-based bubbleless micro-aeration for 2,4-dinitro-phenol degradation in a hydrolysis acidification reactor  

膜基無泡微曝氣耦合水解酸化反應器降解2,4-二硝基苯酚  

來源：Water Research 212 (2022) 118119

《水研究》第212卷，2022年，文章編號118119

 

摘要核心內容：  

本研究開發了膜基無泡微曝氣耦合水解酸化（MBL-MHA）工藝，用于高效降解有毒難降解污染物2,4-二硝基苯酚（2,4-DNP）。通過對比傳統氣泡微曝氣（MHA）和厭氧水解酸化（HA），發現MBL-MHA在微曝氣速率0.5-5.0 mL空氣/min下，2,4-DNP降解率（84.43-97.28%）顯著高于MHA（82.41-94.71%）。MBL-MHA中反擴散傳質形成的氧化還原微環境（生物膜內部微好氧/外部厭氧）促進功能菌富集（如脫氮單胞菌Brevundimonas 7.53%、亞硝化單胞菌Nitrosomonas 2.95%），上調氧化還原蛋白表達，實現2,4-DNP的硝基還原→脫氨基→芳環裂解→發酵降解路徑。  

 

研究目的：  

解決傳統微曝氣水解酸化工藝中溶解氧控制精度低、氧傳遞效率差的問題，開發膜基無泡曝氣技術以優化2,4-DNP降解性能，闡明其微生物機制與代謝路徑。  

 

研究思路：  

1. 系統構建：設計三組對比反應器（MBL-MHA、MHA、厭氧HA），MBL-MHA采用PVDF中空纖維膜實現無泡曝氣（圖1）  

 

2. 條件優化：分三階段（I:0.5 mL/min, II:3.0 mL/min, III:5.0 mL/min）測試不同曝氣速率下2,4-DNP降解性能（圖2）  

 

3. 機制解析：  

   ? 微環境表征：Unisense微電極測量生物膜DO/ORP梯度（圖3）  

 

   ? 微生物分析：16S rRNA測序揭示菌群結構差異（圖6）  

 

   ? 代謝路徑：LC-MS鑒定降解中間產物（圖4），蛋白質組學分析功能蛋白表達（圖7）  

 

 

4. 性能對比：綜合評估降解效率、酸化度（AD）、氧利用率等指標  

 

測量數據及研究意義：  

1. 降解效率（圖2）  

   ? 數據：MBL-MHA在3.0 mL/min曝氣下2,4-DNP降解率97.28% vs MHA 94.71%  

 

   ? 意義：證實膜基無泡曝氣通過反擴散傳質提升氧利用率，降解效率優于氣泡曝氣  

 

2. 生物膜微環境（圖3）  

   ? 數據：MBL-MHA生物膜表層DO=0 mg/L（厭氧），膜界面處DO=0.28 mg/L（微好氧）  

 

   ? 意義：反擴散形成從厭氧到微好氧的梯度結構，支持分區降解（厭氧區硝基還原+微好氧區芳環裂解）  

 

3. 微生物群落（圖6）  

   ? 數據：MBL-MHA富集脫氮功能菌（Brevundimonas 7.53% vs MHA 0.01%）  

 

   ? 意義：反擴散微環境促進功能菌空間分選，提升協同降解能力  

 

4. 胞外聚合物（EPS）特性（圖5）  

 

   ? 數據：MBL-MHA的TB-EPS蛋白質含量較MHA高1.8倍  

 

   ? 意義：高蛋白EPS增強生物膜吸附能力，提供電子傳遞介質  

 

結論：  

1. 膜基無泡曝氣（MBL-MHA）通過反擴散形成DO梯度微環境（膜界面0.28 mg DO/L→生物膜表層0 mg DO/L），優化菌群空間分布  

2. 關鍵降解路徑：2,4-DNP→2,4-二氨基苯酚（硝基還原）→酚（脫氨基）→琥珀酸（芳環裂解）→乙酸（發酵），中間產物毒性顯著降低  

3. 最佳操作參數：曝氣速率3.0 mL/min，此時氧通量0.0372 μmol cm?2 h?1（表1），較氣泡曝氣（0.0350 μmol cm?2 h?1）提升6.3%  

 

4. 微生物機制：反擴散微環境富集脫氮單胞菌（Brevundimonas）和亞硝化單胞菌（Nitrosomonas），上調NADH醌氧化還原酶等關鍵蛋白表達  

 

丹麥Unisense電極測量數據的核心研究意義：  

采用Unisense DO/ORP微電極（尖端直徑<10 μm）實現生物膜內部微環境原位解析：  

1. 空間分辨率優勢（圖3）  

   ? 數據：精確測量生物膜不同深度（0-1500 μm）的DO/ORP梯度（步進精度20 μm）  

 

   ? 意義：首次量化MBL-MHA的反擴散微環境（DO從膜面向外遞減），揭示其優于MHA的共擴散結構  

 

2. 氧傳遞效率量化（表1）  

   ? 數據：MBL-MHA在3.0 mL/min曝氣下氧通量0.0372 μmol cm?2 h?1，較MHA高6.3%  

 

   ? 意義：直接證明無泡曝氣提升氧傳遞效率，解釋降解性能差異  

 

3. 工藝優化指導  

   ? 數據：曝氣>5.0 mL/min時生物膜內部DO>0.4 mg/L，抑制厭氧菌活性（降解率下降至82.2%）  

 

   ? 意義：確定最佳曝氣閾值（3.0 mL/min），避免過度曝氣破壞厭氧/好氧菌平衡  

 

4. 技術獨特性  

   ? 非侵入式測量：避免破壞生物膜結構，獲取真實微環境數據  

 

   ? 實時動態監測：秒級響應捕捉DO/ORP瞬變，揭示微生物響應機制