背景介紹:地下水的硝酸鹽(NO3-)污染，主要來自人類活動，如集約化農(nóng)業(yè)實(shí)踐、現(xiàn)場廢水處理和牲畜糞便管理，已成為全球關(guān)注的問題?；贖 2的膜生物膜反應(yīng)器（H2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術(shù)。在中國70%的人口從地下水源獲得飲用水，其中90%的淺層地下水受到污染，其中NO3-是主要污染物之一，典型濃度為10-100 mg N/L。H2基膜生物膜反應(yīng)器（H2-MBfR）是一種基于自養(yǎng)反硝化的新興生物系統(tǒng)，它優(yōu)于異養(yǎng)反硝化，因?yàn)樗褂脽o毒且廉價的H2作為電子供體和無機(jī)碳作為碳源。它提供高NO3-去除通量、低殘留有機(jī)物和生物質(zhì)以及流出物中的最小H2損失，并減少同時出現(xiàn)的氧化污染物轉(zhuǎn)化為無害的形式。H2-MBfR最顯著的特征之一是氫營養(yǎng)反硝化作用會導(dǎo)致大量液體堿化并增加生物膜內(nèi)的pH值。有研究人員提出了一種新的H2-MBfR，其中兩束中空纖維膜（HFMs）被放置在一個流通池中，用于無氣泡的H2和CO2供應(yīng)，并根據(jù)HFM的擴(kuò)散系數(shù)計算推導(dǎo)出CO 2劑量。然而如果將這種集成系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的地下水處理，則存在一些實(shí)際限制。本研究報道了一種創(chuàng)新的H 2-MBfR膜生物反應(yīng)器，它連接到一個分離的CO2提供系統(tǒng)，用于精確添加CO2，并配備了一個微傳感器測量單元(unisense微剖面分析系統(tǒng))，用于原位監(jiān)測生物膜內(nèi)的H 2和NO3-濃度。通過實(shí)驗(yàn)和建模評估，系統(tǒng)地研究和模擬了NO3-去除的有效性和微生物活性。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用:使用unisense微剖面系統(tǒng)測定了生物膜內(nèi)的NO3-和H2梯度剖面，在微傳感器測量單元中使用了兩種類型的微傳感器其中一種是與微探針組裝的H2-25微傳感器（尖端直徑=20–30μm)用于H 2檢測；而對于NO3-的測量，另一個電位LIX（液體離子交換）微傳感器與微探針（尖端直徑=20-50μm）結(jié)合。通過pH/mV計（Unisense A/S,Dennmark）監(jiān)測微傳感器產(chǎn)生的電位差。配備立體變焦光學(xué)顯微鏡和光源(Dolan-Jenner MI-150,Cole-Palmer,USA)的自動顯微操作器(MM33-2型,Unisense A/S,Denmark)用于控制和可視化微傳感器的運(yùn)動。NO3-和H 2剖面測量是在整個生物膜上以25μm的空間間隔進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:一種新型H2-MBfR集成了用于原位檢測生物膜內(nèi)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)濃度梯度的微傳感器測量單元以及用于碳源添加和pH控制的分離CO 2提供系統(tǒng)，并開發(fā)了實(shí)驗(yàn)證明，在HRT 80分鐘、進(jìn)水NO 3-濃度20 mg N/L、H 2壓力5 psig和CO 2添加量50 mg/L時，具有最佳的反硝化性能和最小化不良過程。以下批次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了CO 2的優(yōu)越性作為獨(dú)特的碳源和pH調(diào)節(jié)劑。為了深入說明反硝化相關(guān)機(jī)制，提出了一個具有擴(kuò)展的微生物代謝過程動力學(xué)和高保真度的模型，通過比較不同模擬場景下模擬和測量的系統(tǒng)性能和/或生物膜內(nèi)的底物梯度來校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以及包括K m在內(nèi)的參數(shù)的優(yōu)化，KCO2DNB和KCO2SRB模擬結(jié)果揭示了隨著關(guān)鍵影響因素變化的生物膜微環(huán)境演變。預(yù)計最佳生物膜厚度為650μm，這保證了較高的反硝化通量，同時避免了H2的排氣。

圖1、CO 2源H2-MBfR設(shè)置的示意圖。該系統(tǒng)由三部分組成：(a)H 2-MBfR：綠線表示H2氣管，而藍(lán)色、紅色和深紅色線是水管。(b)組裝在帶有內(nèi)置單HFM的水平玻璃流通池端口上的微傳感器測量單元的細(xì)節(jié)。(c)CO2供給系統(tǒng)：青色線代表富含CO2的水，棕色線代表CO 2氣管。

圖2、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分?jǐn)?shù)和(d)DNB沿深度方向的生長速率的模型評估系統(tǒng)的生物膜作為HRT的函數(shù)，范圍從20到180分鐘（場景E2）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，H 2壓力=5 psig，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg分別為S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖3、(a)電子供體(H 2)和受體(NO 3-)分布、(b)CO 2分布、(c)DNB在顆粒成分中的分?jǐn)?shù)和(d)DNB沿深度方向的生長速率的模型評估系統(tǒng)的生物膜作為H 2壓力的函數(shù)，范圍為1至15 psig（方案E3）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖4、(a)電子供體(H 2)和受體(NO3-)的分布、(b)CO 2分布、(c)DNB的生長速率和(d)DNB在顆粒組分中沿深度方向的分?jǐn)?shù)的模型評估系統(tǒng)的生物膜作為進(jìn)水NO3--N濃度的函數(shù)，范圍為10至30 mg N/L（方案E4）。模擬條件：生物膜厚度=825μm，本體液體pH=7.5，H2壓力=5 psig，HRT=80 min，CO2添加量=50 mg/L，進(jìn)水SO4 2-濃度為20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。

圖5、(a)H 2和NO 3-和(b)CO 2曲線的模型評估，(c)DNB沿生物膜深度的生長速率，以及(d)NO3-系統(tǒng)的去除通量作為生物膜的函數(shù)厚度范圍從200到1000μm。模擬條件：本體液體pH=7.5，H 2壓力=5 psig，HRT=80 min，CO 2添加量=50 mg/L，進(jìn)水NO 3-和SO 4 2-濃度分別為20 mg N/L和20 mg S/L。X軸的零點(diǎn)為膜側(cè)，深度為離膜側(cè)的距離。圖9d比較了不同生物膜厚度下的NO3-去除通量，結(jié)果顯示生物膜厚度為600μm時的反硝化率最高。

結(jié)論與展望:基于H2的膜生物膜反應(yīng)器（H 2-MBfR）是一種用于去除供水中硝酸鹽（NO3-）的新興技術(shù)。在這項研究中，研究人員開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的H2-MBfR，設(shè)置配置的優(yōu)化設(shè)計是通過將H 2-MBfR連接到分離的CO 2提供系統(tǒng)以更精確地添加CO2以及連接到可以提供原位收集的數(shù)據(jù)的多功能微傳感器測量單元（unisense微剖面分析系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)的。使用原位檢測系統(tǒng)（unisense）測試生物膜中的底物梯度來校準(zhǔn)模型，通過使用微操作器、計算機(jī)和微傳感器組成的微傳感器測量單元通過微傳感器接入端口連接到側(cè)流通池，微傳感器嵌入到微傳感器中。該系統(tǒng)可以很好的應(yīng)用于HFM附著生物膜生物膜內(nèi)原位定量NO 3-和H 2的原位測試。然后使用校準(zhǔn)的模型在最佳操作條件下揭示生物膜的微環(huán)境（例如化學(xué)梯度和微生物群落結(jié)構(gòu)）。相關(guān)研究建立了一個更復(fù)雜的模型來捕捉CO2介導(dǎo)的氫營養(yǎng)反硝化過程中的微生物行為，通過考慮無機(jī)碳源和本體液體pH對微生物微生物代謝過程動力學(xué)的同步影響進(jìn)行擴(kuò)展，并通過比較校準(zhǔn)微傳感器測量單元的測量值（即，H 2-MBfR的生物膜中的底物梯度）和模型預(yù)測。由于涉及精確供應(yīng)CO2的優(yōu)勢和生物膜微環(huán)境的在線監(jiān)測，所開發(fā)的系統(tǒng)具有良好的可靠性和靈活性，可以作為從地下水中去除NO3-的有吸引力的候選者，并且所提出的模型為指導(dǎo)系統(tǒng)的維護(hù)和管理提供了有力的工具。