Factors affecting performance and functional stratification of membrane-aerated biofilms with a counter-diffusion configuration  

基于反擴散配置的膜曝氣生物膜性能影響因素及功能分層  

來源：RSC Advances, Volume 9, 2019, Pages 29337-29346

《RSC 進展》，第9卷，2019年，第29337-29346頁

 

摘要  

這篇論文研究了在反擴散配置的膜曝氣生物膜（MABs）中，生物膜厚度對功能活性和微生物群落結構的影響，同時處理乙腈降解、硝化和反硝化過程。結果表明，不同表面負荷率（SLRs）下形成的生物膜厚度導致微生物活動剖面顯著不同，厚MAB和薄MAB都實現了高乙腈去除率（>99%），但總氮（TN）去除效率差異大，厚MAB（85%）比薄MAB（36.3%）高1.3倍。比氨氧化速率（SAOR）和比乙腈降解速率（SADR）在薄和厚MAB中分別呈現下降和上升趨勢，而比反硝化速率（SDNR）在薄MAB中接近檢測限，在厚MAB中呈駝峰狀變化。微生物群落分析顯示群落組成中優勢細菌發生劇烈變化，多樣性低。  

 

研究目的  

本研究旨在探究生物膜厚度對膜曝氣生物膜性能的影響，包括乙腈降解、硝化和反硝化效率，并分析微生物群落結構和功能分層，以優化MABR設計和管理，提高復雜廢水處理效率。  

 

研究思路  

研究設置兩個膜曝氣生物膜反應器（MABRs），在不同表面負荷率（SLR1和SLR2）下培養薄和厚生物膜，測量生物膜厚度、揮發性懸浮固體（VSS）、溶解氧（DO）濃度、微生物活性（如SAOR、SDNR、SADR），并通過變性梯度凝膠電泳（DGGE）和16S rRNA測序分析微生物群落結構。使用丹麥Unisense電極測量DO濃度，以揭示生物膜內的氧分布和功能分區。  

 

測量的數據及研究意義  

1 生物膜厚度和VSS數據，來自Table 2。研究意義：SLR1下生物膜厚度為950μm（薄生物膜），SLR2下為1600μm（厚生物膜），VSS分別為47 g m?2和88 g m?2，表明SLR影響生物膜生長，厚生物膜具有更高生物量，從而支持更復雜的功能分層。  

 

2 溶解氧（DO）濃度數據，使用丹麥Unisense電極測量。研究意義：DO濃度在生物膜內隨深度變化，厚生物膜中氧滲透僅56%，形成好氧、缺氧和厭氧區，這解釋了功能分區的形成和微生物活動差異。  

3 微生物活性數據（SAOR、SDNR、SADR），來自Fig. 1和Fig. 2。研究意義：在薄生物膜中，SAOR從膜側向外遞減，SDNR幾乎為零；在厚生物膜中，SAOR在膜側最高，SDNR呈駝峰狀變化，SADR從內向外增加，顯示生物膜厚度導致活性分層，厚生物膜支持同時硝化和反硝化。  

 

 

4 微生物群落數據（DGGE和測序），來自Fig. 3、Fig. 4、Fig. 5和Table 3。研究意義：群落結構隨生物膜深度變化，好氧區以β-變形菌為主（如Uncultured Bacteroidetes和Hydrogenophaga），缺氧區以反硝化菌為主（如Alcaligenes和Denitrobacter），厭氧區以乙腈降解菌為主（如Comamonas和Flavobacterium），證實功能分層與微生物空間分布相關。  

 

 

 

 

結論  

1 生物膜厚度是影響MABs功能分層和性能的關鍵因素，厚生物膜在較高SLR下實現更高的TN去除率（85%）， due to 形成好氧、缺氧和厭氧區。  

2 微生物活動在厚生物膜中呈現明顯分層，SAOR在膜側最高，SDNR在中間區域最高，SADR在外層最高，支持同時處理乙腈、硝化和反硝化。  

3 微生物群落結構隨生物膜深度劇烈變化，優勢菌群不同，多樣性低，但功能協同。  

4 MABR技術可用于高效處理含氮有機廢水，通過控制SLR和生物膜厚度優化性能。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

在研究中，使用丹麥Unisense Clark型微電極（ tip diameter of 10 μm）測量生物膜內的溶解氧（DO）濃度。研究意義在于：該電極提供高分辨率、實時的DO測量，能夠精確捕捉生物膜內氧的滲透深度和分布 profile。數據顯示，在厚生物膜中，氧滲透僅56%，導致外層區域厭氧，從而促進反硝化過程；而在薄生物膜中，氧滲透近100%，整體好氧，限制反硝化。這些測量幫助量化了生物膜內的氧化還原條件，解釋了功能分層和微生物活動差異，為優化MABR操作參數（如氧供應和SLR）提供了關鍵數據支持，從而增強廢水處理效率。