Mass transfer of nanobubble aeration and its effect on biofilm growth: Microbial activity and structural properties

納米氣泡曝氣的傳質及其對生物膜生長的影響：微生物活性與結構特性  

來源：Science of the Total Environment, Volume 703, 2020, Article 134976

《總體環境科學》第703卷，2020年，文章編號134976

 

摘要

摘要指出，提高性能并降低曝氣成本是好氧生物膜系統廢水處理的必要目標。納米氣泡（NB）曝氣被認為是一種有前景的方法。與粗氣泡（CB）相比，溶解氧剖面顯示納米氣泡為生物膜提供了更多氧氣，具有優越的氧供應能力和1.5倍更高的氧傳遞效率。納米氣泡曝氣加速了生物膜的生長，實現了更好的化學需氧量（COD）和氨氮去除效率，脫氫酶活性最高提高6倍，胞外聚合物（EPS）含量也更高，這歸因于微生物代謝和增殖的增強。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）成像證實，納米氣泡曝氣通過改變微生物群落和生物膜代謝途徑（如碳水化合物合成）影響了生物膜的組成。納米氣泡曝氣節能約80%。對納米氣泡曝氣生物膜生長的評估表明，該技術可為廢水處理中的好氧生物膜系統提供快速啟動、高效和低成本的策略。  

 

研究目的

評估納米氣泡曝氣在生物膜系統中的氧傳遞效率，探究其對生物膜生長、微生物活性、結構特性及污染物去除性能的影響，并與傳統粗氣泡曝氣進行對比，以驗證納米氣泡曝氣在節能和高效處理方面的可行性。  

 

研究思路

1 實驗設置：在實驗室規模的連續生物濾池中培養生物膜，分別采用納米氣泡（NB）和粗氣泡（CB）曝氣，使用混合纖維素膜作為生物膜載體。  

2 傳質性能評估：通過微電極（Unisense）測量生物膜內溶解氧（DO）剖面，計算氧傳遞系數（KLa）和擴散系數（fD），比較兩種曝氣方式的氧供應能力和效率。  

3 微生物活性分析：監測COD和氨氮去除效率，測定脫氫酶（DHA）活性和EPS（蛋白質PN、多糖PS）含量，評估微生物代謝活性。  

4 結構特性表征：使用CLSM和原子力顯微鏡（AFM）分析生物膜厚度、空間分布、表面形貌和疏水性，量化生物膜組分（核酸、蛋白質、多糖）。  

5 能耗計算：基于實驗條件計算納米氣泡與粗氣泡曝氣的能耗對比。  

6 數據整合：結合傳質、活性及結構數據，揭示納米氣泡曝氣的優勢機制。  

 

測量的數據及研究意義

1 氧傳質參數：溶解氧濃度隨時間變化（圖2a）、生物膜內DO實時記錄（圖2b）、擴散系數（fD）（表1）。研究意義：量化NB曝氣的氧供應能力和傳遞效率，證明NB具有持續釋氧和高傳質效率的特性。  

 

 

2 污染物去除效率：COD和氨氮去除率。研究意義：證實NB曝氣提升生物膜的處理性能，尤其在培養前期（15天內）優勢顯著。  

3 微生物酶活性：脫氫酶（DHA）活性（圖3）。研究意義：反映微生物代謝強度，NB曝氣使DHA活性提高12倍，表明氧供應增強促進了微生物呼吸作用。  

 

4 EPS組成：蛋白質（PN）和多糖（PS）濃度（圖4）。研究意義：EPS是生物膜結構關鍵組分，NB曝氣下PN和PS積累更快且含量更高，表明生物膜結構更穩固且代謝活躍。  

 

5 生物膜生長參數：厚度和好氧層比例隨時間變化（圖5a-b）。研究意義：NB曝氣加速生物膜同步增厚（最大厚度1188μm），好氧層比例更高（64.4%），說明氧滲透深度大，微生物活性分布均勻。  

 

6 形態特性：CLSM圖像顯示的生物膜組分空間分布（Table 2）、AFM表面形貌。研究意義：NB曝氣生物膜邊緣區域核酸和α-多糖含量高，表明微生物群落和代謝途徑改變；表面疏水性變化影響生物膜形成和更新。  

 

7 能耗數據：能耗對比。研究意義：NB曝氣能耗僅為CB的20%，證實其節能優勢。  

 

結論

1 納米氣泡曝氣具有 superior 氧傳遞效率（fD提高1.5倍）和持續釋氧能力，為生物膜提供更高效穩定的氧供應。  

2 NB曝氣加速生物膜生長，提高污染物去除效率（COD和氨氮去除率更高），并顯著增強微生物代謝活性（DHA活性最高提升12倍）。  

3 NB曝氣促進EPS合成（PN和PS含量增加），改變生物膜結構（好氧層比例高、厚度均勻），并通過影響微生物群落優化代謝途徑。  

4 NB曝氣節能80%，是一種高效、低成本的生物膜系統曝氣策略，尤其適用于快速啟動和持續運行。  

 

使用丹麥Unisense電極測量出來數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的溶解氧數據（圖2a-b、DO剖面）提供了高精度、實時的氧傳質信息，研究意義包括：  

1 精準量化氧動態：實時記錄NB和CB曝氣下DO濃度變化（圖2a），顯示NB曝氣能使進水DO維持更高水平（>5.35 mg/L）且持續時間更長（80分鐘），直接證明NB的氧儲存和持續釋放能力。  

2 揭示傳質機制：通過生物膜內DO深度剖面（未直接顯示圖，但基于剖面計算fD）和一次注射測試（圖2b），發現NB注水后出現第二波DO峰值（9.379–9.824 mg/L），證實NB在生物膜內部分解釋氧，縮短氧擴散距離，增強傳質效率。  

3 計算關鍵參數：基于DO剖面斜率計算擴散系數（fD）（表1），NB曝氣下fD達1.523（CB為1.006），量化了NB曝氣對傳質的增強效果（1.5倍），為模型建立提供數據支撐。  

4 驗證氧傳遞模型：DO數據用于校準傳質模型（如兩膜理論），驗證NB曝氣在生物膜內的氧通量更高，證實其克服傳質限制的能力。  

5 關聯生物活性：DO剖面與DHA活性（圖3）和生物膜厚度（圖5a）結合，證明NB曝氣通過提升氧供應深度（好氧層比例64.4%）直接促進微生物代謝，避免深層缺氧。  

總之，Unisense數據是核心證據，將NB曝氣的物理傳質特性與生物響應（生長、活性）直接關聯，為NB的工程應用提供了可靠依據。