Suitable flow pattern increases the removal efficiency of nitrogen in gravity sewers: a suitable anoxic and aerobic environment in biofilms

適宜的流動(dòng)模式可提高重力污水中氮的去除效率生物膜中適宜的缺氧好氧環(huán)境

來源：Environmental Science and Pollution Research（2018年，卷25，頁15743-15753）

 

論文概述

研究了重力污水管道中生物膜對(duì)氮去除的增強(qiáng)潛力。通過控制剪切應(yīng)力和C/N比，論文探討了生物膜內(nèi)氮轉(zhuǎn)化機(jī)制，重點(diǎn)分析了溶解氧（DO）梯度如何創(chuàng)造厭氧、缺氧和好氧環(huán)境，促進(jìn)硝化和反硝化過程。研究結(jié)合微電極測(cè)量和宏基因組分析，證實(shí)了管道作為反應(yīng)器（"sewer as a reactor"）的可行性，為降低污水處理廠負(fù)荷提供了新思路。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，污水管道已證實(shí)具有碳去除功能，但如果能同步增強(qiáng)氮去除，將為實(shí)現(xiàn)“管道作為反應(yīng)器”的概念奠定基礎(chǔ)。本研究通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

 

氮可部分去除：在管道中，氮通過一系列生物反應(yīng)被部分去除。

生物膜環(huán)境關(guān)鍵：生物膜內(nèi)存在的厭氧、缺氧和好氧環(huán)境，以及氮代謝相關(guān)細(xì)菌（如硝化菌和反硝化菌），共同促進(jìn)硝化和反硝化過程。

 

基因證據(jù)：在C/N=10、剪切應(yīng)力1.4 Pa的條件下，生物膜中檢測(cè)到722個(gè)氮代謝功能基因（占全部基因的0.67%），其中反硝化相關(guān)基因占主導(dǎo)。

摘要強(qiáng)調(diào)，調(diào)控水力條件（如剪切應(yīng)力）可優(yōu)化生物膜內(nèi)DO擴(kuò)散，從而增強(qiáng)氮去除效率，支持管道-植物聯(lián)合處理模式。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

評(píng)估氮去除潛力：驗(yàn)證污水管道生物膜在碳去除的同時(shí)能否高效去除氮，推動(dòng)“管道作為反應(yīng)器”概念的應(yīng)用。

識(shí)別關(guān)鍵控制因子：探究剪切應(yīng)力和C/N比對(duì)生物膜內(nèi)氮轉(zhuǎn)化途徑（如硝化、反硝化）的影響。

揭示機(jī)制：通過微電極技術(shù)量化生物膜內(nèi)DO和氮形態(tài)（NH??、NO??、NO??、NO、N?O）的垂直分布，闡明環(huán)境梯度與微生物活動(dòng)的耦合關(guān)系。

 

提供管理啟示：為減少污水處理廠負(fù)荷、降低投資和運(yùn)營成本提供科學(xué)依據(jù)。

 

3. 研究思路

研究采用了實(shí)驗(yàn)?zāi)M與多尺度測(cè)量相結(jié)合的方法：

 

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：使用有機(jī)玻璃反應(yīng)器模擬污水管道（圖1），通過磁力攪拌器控制剪切應(yīng)力（1.15、1.4、2.0 Pa），合成廢水調(diào)控C/N比（2、5、10）。

 

生物膜培養(yǎng)與測(cè)量：在25°C下培養(yǎng)生物膜至成熟（約45天），定期測(cè)量厚度使用微電極平臺(tái)。

微電極原位測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX-10 DO電極、自制NH??、NO??、NO??離子選擇電極）測(cè)量生物膜內(nèi)DO和氮形態(tài)的垂直剖面（分辨率~1mm），數(shù)據(jù)通過Sensor Trace Pro軟件采集（圖3、4、5）。

 

 

 

宏基因組分析：對(duì)生物膜樣本進(jìn)行高通量測(cè)序（Illumina平臺(tái)），鑒定氮代謝功能基因和微生物群落結(jié)構(gòu)（圖6、7）。

 

 

水質(zhì)分析：按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量進(jìn)出水COD、NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN濃度（圖2b、4a）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

本研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來源和科學(xué)意義如下：

 

生物膜厚度動(dòng)態(tài)（來自 圖2a）：

 

數(shù)據(jù)：厚度隨剪切應(yīng)力增加而減小（1.15 Pa: 2.3±0.1 mm; 1.4 Pa: 1.9±0.1 mm; 2.0 Pa: 1.6±0.1 mm）；隨C/N比增加而增大（C/N=2: 1.7 mm; C/N=5: 1.9 mm; C/N=10: 2.0 mm）。

 

研究意義：量化水力條件對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的影響。剪切應(yīng)力增強(qiáng)導(dǎo)致膜變薄，利于物質(zhì)擴(kuò)散；C/N比提高促進(jìn)異養(yǎng)菌生長，增加膜厚。這為優(yōu)化生物膜棲息地提供參數(shù)。

 

氮去除效率數(shù)據(jù)（來自 圖2b、4a）：

 

數(shù)據(jù)：TN去除率隨剪切應(yīng)力變化（1.15 Pa: 55.1%; 1.4 Pa: 62%; 2.0 Pa: 43.67%）；COD去除率隨C/N比提高而增加（C/N=2: 43.33%; C/N=5: 78.67%; C/N=10: 87.67%）。

 

研究意義：證實(shí)剪切應(yīng)力是氮去除主導(dǎo)因子。適度剪切（1.4 Pa）實(shí)現(xiàn)最高TN去除，而過高剪切（2.0 Pa）因全好氧環(huán)境抑制反硝化。C/N比影響碳源可用性，調(diào)控微生物競爭。

 

生物膜內(nèi)化學(xué)梯度數(shù)據(jù)（來自 圖3、4、5）：

 

數(shù)據(jù)：DO隨生物膜深度增加而降低（如1.4 Pa下，表層1.96 mg/L降至底層0.09 mg/L）；NH??濃度遞減；NO??在低剪切下遞減，但在2.0 Pa下遞增；NO??在深層積累。

 

研究意義：揭示分層環(huán)境驅(qū)動(dòng)氮轉(zhuǎn)化。DO梯度創(chuàng)造好氧（表層，硝化主導(dǎo)）、缺氧（中層，反硝化）和厭氧（底層）區(qū)，支持同步硝化反硝化（SND）。數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證了環(huán)境異質(zhì)性對(duì)氮循環(huán)的調(diào)控。

 

宏基因組數(shù)據(jù)（來自 圖6、7）：

 

數(shù)據(jù)：檢測(cè)到722個(gè)氮代謝基因（占0.67%），以反硝化基因?yàn)橹鳎?50個(gè)）；優(yōu)勢(shì)菌門為Proteobacteria和Bacteroidetes。

 

研究意義：從分子層面證實(shí)生物膜氮代謝潛力。反硝化基因優(yōu)勢(shì)解釋了下層NO??還原現(xiàn)象，宏基因組數(shù)據(jù)將生理觀測(cè)與微生物功能鏈接，增強(qiáng)了機(jī)制解釋的可靠性。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

管道可實(shí)現(xiàn)氮去除：生物膜通過硝化-反硝化途徑去除部分氮（TN去除率最高62%），支持管道作為反應(yīng)器的概念。

剪切應(yīng)力是關(guān)鍵調(diào)控因子：適度剪切（1.4 Pa）優(yōu)化DO擴(kuò)散，創(chuàng)造好氧/缺氧分層環(huán)境，促進(jìn)氮去除；過高剪切（2.0 Pa）導(dǎo)致全好氧，抑制反硝化。

C/N比影響碳源競爭：高C/N比（10）增強(qiáng)COD去除，但可能稀釋氮濃度，需平衡碳氮比。

微生物功能驅(qū)動(dòng)過程：生物膜富含氮代謝基因（尤其是反硝化基因），微生物群落結(jié)構(gòu)適應(yīng)環(huán)境梯度。

 

管理啟示：調(diào)控管道水力條件（如流速）可增強(qiáng)氮去除，降低污水處理廠負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

 

6. 詳細(xì)解讀：使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于關(guān)鍵的原位測(cè)量，這些數(shù)據(jù)在方法部分（2.2節(jié)）描述并生成圖3、4、5的化學(xué)剖面。

測(cè)量數(shù)據(jù)：Unisense微電極包括DO電極（OX-10，尖端直徑10μm）和自制離子選擇電極（NH??、NO??、NO??），以高空間分辨率（微米級(jí)）測(cè)量了生物膜內(nèi)DO和氮形態(tài)的垂直分布。電極響應(yīng)時(shí)間短（DO<3秒，離子電極<10秒），確保實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕獲。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供高分辨率原位化學(xué)梯度數(shù)據(jù)：Unisense微電極的毫米級(jí)分辨率使能精確解析生物膜內(nèi)的化學(xué)分層。例如，圖3a顯示DO從表層~2 mg/L降至底層近0 mg/L，直接證實(shí)了好氧-缺氧-厭氧微環(huán)境的形成。這種原位實(shí)時(shí)測(cè)量避免了取樣擾動(dòng)，提供了真實(shí)的生物膜生理狀態(tài)，是理解氮轉(zhuǎn)化機(jī)制的基礎(chǔ)。

量化物質(zhì)擴(kuò)散與反應(yīng)耦合：通過剖面數(shù)據(jù)，計(jì)算了DO和氮物種的擴(kuò)散-反應(yīng)通量。例如，NO??在2.0 Pa下隨深度增加（圖3c），表明高剪切促進(jìn)DO滲透，抑制反硝化。微電極數(shù)據(jù)使能應(yīng)用菲克定律量化傳輸速率，鏈接物理（剪切）與生物過程。

驗(yàn)證環(huán)境梯度驅(qū)動(dòng)氮轉(zhuǎn)化：數(shù)據(jù)直接顯示NH??消耗和NO??/NO??生成與DO梯度同步（圖4、5）。在缺氧區(qū)（DO<0.5 mg/L），NO??積累表明部分反硝化，而好氧區(qū)硝化活躍。這證實(shí)了生物膜內(nèi)同步硝化反硝化（SND）的可行性，為優(yōu)化管道運(yùn)行提供理論依據(jù)。

支持剪切應(yīng)力效應(yīng)機(jī)制：微電極數(shù)據(jù)顯示，剪切應(yīng)力增加提升DO滲透深度（2.0 Pa時(shí)DO可達(dá)底層），但過高的DO消除缺氧區(qū)，反而不利反硝化（圖3a）。這揭示了剪切應(yīng)力通過調(diào)控DO擴(kuò)散間接影響氮去除的機(jī)制，而非直接作用于微生物。

校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型：高分辨率剖面用于校準(zhǔn)反應(yīng)-擴(kuò)散模型（如雷諾類比方程），幫助預(yù)測(cè)不同水力條件下氮去除潛力。例如，數(shù)據(jù)驗(yàn)證了DO濃度與反硝化率的負(fù)相關(guān)，支持管理策略模擬。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值：Unisense電極的高靈敏度、快速響應(yīng)和低擾動(dòng)性使其適合生物膜這種脆弱環(huán)境。研究展示了在模擬管道中成功部署的能力，為實(shí)際管道監(jiān)測(cè)提供了方法論范例。這突出了原位傳感技術(shù)在環(huán)境工程研究中的關(guān)鍵作用。

 

局限性與補(bǔ)充：微電極測(cè)量點(diǎn)有限，需結(jié)合宏基因組（圖6、7）全面理解微生物功能。但若無微電極數(shù)據(jù)，宏基因組結(jié)果無法與具體環(huán)境條件關(guān)聯(lián)，機(jī)制解釋將缺乏空間維度。

 

綜上所述，Unisense微電極在本研究中扮演了 “生物膜化學(xué)顯微鏡”的角色。其提供的高分辨率DO和氮剖面不僅是描述性參數(shù)，更是量化梯度、揭示SND機(jī)制、驗(yàn)證剪切應(yīng)力效應(yīng)和校準(zhǔn)模型的核心證據(jù)。沒有這些數(shù)據(jù)，研究無法建立水力條件-化學(xué)環(huán)境-微生物活動(dòng)的因果鏈，結(jié)論的深度和說服力將顯著降低。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了原位微電極技術(shù)在城市水系統(tǒng)生物地球化學(xué)研究中的不可替代性，尤其對(duì)于優(yōu)化管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)資源回收。