Zeolite powder based polyurethane sponges as biocarriers in moving bed biofilm reactor for improving nitrogen removal of municipal wastewater

沸石粉末基聚氨酯海綿作為移動床生物膜反應器中的生物載體以提高城市污水脫氮效率

來源：Science of the Total Environment, Volume 651, 2019, Pages 1078-1086

《環境科學與技術》，第651卷，2019年，頁碼1078-1086

 

摘要

摘要指出本研究旨在通過開發一種新型沸石粉末基聚氨酯海綿生物載體（Z-MBBR）來提高移動床生物膜反應器（MBBR）的脫氮效率。與傳統海綿載體反應器（S-MBBR）相比，Z-MBBR的總氮（TN）去除效率和同步硝化反硝化（SND）性能提高了近10%，TN去除率達到84.2±4.8%，SND性能達到90.7±4.1%。新型載體上附著的生物量（0.470±0.131 g/g載體）是海綿載體的1.3倍。通過微電極測量和微生物群落分析，發現Z-MBBR系統中存在更多反硝化細菌，從而改善了SND性能。因此，Z-MBBR可作為混合處理系統的有前景選擇，以提高廢水脫氮效率。

 

研究目的

研究目的是通過開發新型沸石粉末基聚氨酯海綿生物載體來增強MBBR的脫氮效率，具體目標包括評估新型載體對氮去除性能、生物膜附著量、溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）分布以及微生物群落的影響，并通過與傳統海綿載體的比較驗證其優勢。

 

研究思路

研究思路首先制備沸石粉末基聚氨酯海綿生物載體，通過物理方法將沸石粉末嵌入海綿孔隙中以提高比表面積和生物附著能力。隨后建立兩個并行MBBR反應器（Z-MBBR和S-MBBR），在相同操作條件下（HRT 12小時，DO 5.0-6.5 mg/L，pH 7.0，溫度20±1°C）運行90天。通過監測TOC、NH4+-N、TN濃度和SND性能，比較兩系統的脫氮效率；使用微電極測量生物膜內部的DO和ORP剖面；分析微生物群落結構變化；并通過生物量測量和統計學分析驗證新型載體的效果。

 

測量的數據及研究意義

1 TOC、NH4+-N、TN濃度及去除效率數據：來自圖1，顯示Z-MBBR和S-MBBR的TOC和NH4+-N去除率均高于94%和97%，但Z-MBBR的TN去除率（84.2±4.8%）和SND性能（90.7±4.1%）顯著高于S-MBBR（75.1±6.8%和81.7±6.5%）。研究意義是證實新型載體通過增強反硝化能力提高脫氮效率，為優化載體設計提供依據。

 

2 生物膜附著量數據：來自表1和圖2，顯示Z-MBBR的附著生物量（0.470±0.131 g/g載體）比S-MBBR（0.355±0.099 g/g載體）高1.3倍，且生物量增長曲線表明Z-MBBR在快速生長期（10-45天）的增長率更高（0.0095 g/(載體·天)）。研究意義是表明新型載體提供更佳微生物附著環境，支持更高生物量和代謝活性，從而提升系統性能。

3 DO和ORP剖面數據：來自圖3和圖4，微電極測量顯示Z-MBBR生物膜內部DO濃度更低（如55天時在3800μm處降至零），ORP也更低（75天時中心ORP為9mV，低于S-MBBR的25mV）。研究意義是揭示新型載體創造更強缺氧環境，促進反硝化過程，直接解釋SND性能提升的原因。

 

 

4 微生物群落數據：來自圖5和圖6以及表2，高通量測序顯示Z-MBBR中反硝化細菌（如Thermomonas、Flavobacterium）豐度更高，且微生物多樣性更豐富（如75天時ACE指數為833，高于S-MBBR的566）。研究意義是從微生物角度驗證新型載體促進功能菌群富集，增強系統穩定性和脫氮能力。

 

 

 

結論

1 Z-MBBR的TN去除效率和SND性能顯著高于S-MBBR，分別提高近10%，表明沸石粉末改性載體有效增強脫氮能力。

2 新型載體提供更大比表面積和更優附著環境，生物膜附著量增加1.3倍，支持更高微生物活性和代謝率。

3 微電極測量證實Z-MBBR生物膜內部DO和ORP更低，創造更佳缺氧環境，利于反硝化進行。

4 微生物分析顯示Z-MBBR富含更多反硝化細菌（如Thermomonas、Flavobacterium），微生物多樣性更高，直接貢獻于脫氮性能提升。

5 新型Z-MBBR可作為高效混合處理系統組件，用于城市污水脫氮，具有應用潛力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其高精度原位監測能力，能夠實時量化生物膜內部的溶解氧（DO）和氧化還原電位（ORP）梯度分布。具體地，電極測量（如圖3和圖4所示）提供高分辨率數據（每100μm步長），揭示Z-MBBR載體內部DO濃度更快下降至零（如55天時在3800μm處），ORP顯著降低（75天時中心為9mV），表明更強缺氧環境形成。這種測量幫助直接驗證新型載體通過物理改性（沸石粉末增加孔隙阻塞）限制氧擴散，促進反硝化微環境創建，從而解釋SND性能提升的機制。研究意義是為載體優化和過程控制提供關鍵工具，通過精準環境參數監測指導操作策略（如DO控制），增強系統脫氮效率，并支持微生物群落變化的機理解釋。