关键词：
硝酸盐污染
氢基质生物膜反应器
逆扩散
硫-氢双电子供体生物膜反应器
数学模型
摘要：
水体硝酸盐（NO3-）污染的高效、低成本处理一直是全球环境的热点难点问题。近年来,诞生的一种氢基质膜生物膜反应器（H2-MBfR）在处理NO3-污染上具有诸多优势,然而,H2-MBfR在运行过程中存在一个关键技术瓶颈,即逆扩散问题严重制约反应体系的反硝化效率。基于此,本研究提出了在H2-MBfR进水中额外添加硫代硫酸盐(S2O32-)作为补充电子供体的新型反应体系—硫氢基质膜生物膜反应器（H/S-MBfR）,使反应器形成双电子供体混合传质,重塑生物膜生态学环境,以解决H2-MBfR中逆扩散带来的负面影响,提升反应器的脱氮效率。主要研究成果如下:
当反应体系在H2-MBfR阶段时,原位监测生物膜内氢气（H2）浓度随着供气距离的增加而逐渐降低,导致供气远端的生物膜外层H2受限严重,说明逆扩散带来的负面影响随之增加,从而,生物膜厚度随供气距离的增加逐渐降低。提高H2供给压力可总体增加生物膜内H2可获得性,提升反应器的反硝化性能,但是,当H2压力超过0.02 MPa时,会导致大量H2从生物膜内溢出,造成H2浪费的同时产生易燃易爆运行风险,并且对反硝化性能的提升不明显。在0.02 MPa的H2压力下,将反应器进水中添加去除出水中剩余的15 mg N/L的S2O32-理论需求量时,使得反应体系（即:H/S-MBfR运行阶段）的反硝化性能效提高30%左右。此外,生物膜内传质实验结果表明,进水添加S2O32-后,生物膜内底物的传质效率并未受到明显影响。反应器原位与生物膜样品摇瓶动力学实验结果进一步证实了双电子供体提升反应体系降解NO3-的有效性。
通过对H2-MBfR与H/S-MBfR阶段生物膜的微观环境发现:H/S-MBfR阶段生物膜中蛋白质、多糖含量高于H2-MBfR阶段,说明H/S-MBfR阶段相对于H2-MBfR阶段生物膜稳定性更好且微生物活性更高。此外,两个阶段微生物群落结构产生了显著变化:在H2-MBfR阶段时由于逆扩散作用导致远端反硝化菌的相对丰度明显低于近端（50.36%VS 59.78%）;在H/S-MBfR阶段,由于反应体系中额外增加了电子供体S2O32-,使得近中远端生物膜内总体反硝化菌丰度有了明显地提升,尤其是供气远端提升最大,由H2-MBfR的50.36%增加至H/S-MBfR阶段的68.87%。两个阶段的优势反硝化菌属也产生了明显变化,在H2-MBfR阶段中独有的优势反硝化菌为氢噬胞菌属（Hydrogenophaga）,在H/S-MBfR阶段,脱氯单胞菌属（Dechloromonas）成为主要反硝化优势菌,而Hydrogenophaga丰度略有下降。因此,额外添加S2O32-作为补充电子供体会通过改善生物膜微环境,特别是提升远端生物膜内反硝化菌丰度,使得反应器性能明显提高。
基于微生物生长动力学和污染物/底物在生物膜内的扩散转运机制,就H2-MBfR和H/S-MBfR运行阶段建立了数学模型,并通过微探针原位监测的不同位置生物膜内H2浓度梯度与反应器长期运行性能数据对数学模型进行校准与验证,运用校准后的数学模型深度探究两种不同运行阶段下的生物膜内反硝化行为。结果表明:在H2-MBfR模型中,随着距离供气端距离的增加,从中空纤维膜扩散出来的H2逐渐降低,生物膜内H2有效性逐渐减少,生物膜厚度变薄,且近中远端生物膜内DNB（氢自养反硝化菌）活性逐渐下降,生物膜受逆扩散影响越严重;在H/S-MBfR模型中,随着距离供气端距离的增加,生物膜内利用S2O32-的量越来越多,说明S2O32-在外层进行了有效补充,对SDB（硫自养反硝化菌）的活性模拟的结果表明SDB的活性与H2供气距离成正比关系。因此,H/S-MBfR反应体系通过在进水中额外添加S2O32-作为补充电子供体,不仅可以改善生物膜总体微环境,克服传统H2-MBfR远端H2不足的劣势,而且有效激活远端生物膜内反硝化活性,为解决H2-MBfR内逆扩散带来的负面影响提供新思路和理论依据。
