固定床生物反应器在多种生物膜载体条件下的反硝化性能

《Journal of Water Process Engineering》：Denitrification performance of fixed bed bioreactor under multiple biofilm carriers

固定床生物反应器中不同HDPE与PVA生物珠比例对脱氮效率及微生物群落的影响研究。通过对比R1（100% HDPE）、R2（80% HDPE+20% PVA）和R3（60% HDPE+40% PVA）反应器的脱氮性能，发现R3在45分钟水力停留时间下达到86%±1%的最高脱氮效率，主要归因于PVA珠的三倍以上比表面积。所有反应器均维持缺氧状态，将出水硝酸盐浓度降至30±5 mg/L，溶解有机碳8±2 mg/L，均低于监管标准。微生物分析表明固体生物膜载体（尤其是PVA珠）的菌群多样性显著高于液相样本，Proteobacteria（86%）主导脱氮过程，Bacteroidota和Firmicutes协同分解复杂有机物。

　　本研究围绕固定床生物反应器（FBBR）在不同生物载体组合下的脱氮性能展开，重点探讨了高密度聚乙烯（HDPE）塑料生物珠与聚乙烯醇（PVA）生物珠的配比对反应器运行效果的影响。研究团队通过设置三种不同的反应器配置，R1（100%塑料珠）、R2（80%塑料珠+20%PVA珠）和R3（60%塑料珠+40%PVA珠），对脱氮效率、微生物群落结构以及生物膜分布情况进行了系统分析。研究结果表明，随着PVA珠比例的增加，反应器的脱氮效率显著提升，其中R3在45分钟的水力停留时间（HRT）下表现出最高的脱氮效率，达到86±1%。这一结果不仅反映了PVA珠对脱氮性能的促进作用，也揭示了不同生物载体对微生物群落动态的深远影响。

脱氮过程在水处理领域具有重要的意义，尤其是在应对农业活动和城市生活污水导致的高硝酸盐污染问题方面。硝酸盐作为氮循环中的重要组成部分，是植物生长所需的关键营养元素之一。然而，过量的硝酸盐会对生态环境和人类健康造成严重威胁。例如，硝酸盐污染的水体可能导致水体富营养化，进而引发藻类大量繁殖，造成水中溶解氧含量下降，形成缺氧或无氧环境，对水生生物产生不利影响。此外，硝酸盐在人体内的积累可能引发甲基血红蛋白血症（即“蓝婴症”），这是一种影响婴幼儿健康的疾病，同时，硝酸盐还可能通过化学反应生成致癌物质——亚硝胺。因此，有效去除水体中的硝酸盐对于保障饮用水安全和维持生态平衡至关重要。

农业活动是硝酸盐污染的主要来源之一。在农业生产中，为了提高作物产量，通常会施用大量的氮肥。这些肥料在土壤中经过硝化作用转化为硝酸盐，随后可能通过地表径流或地下水渗透进入水体。此外，畜禽养殖业和城市生活污水排放也是硝酸盐污染的重要因素。在集约化养殖过程中，动物排泄物中含有大量的有机氮，这些氮在分解过程中可能转化为硝酸盐。而城市生活污水中则可能包含来自家庭、工业和商业活动的硝酸盐。因此，硝酸盐污染的治理需要综合考虑多种污染源，并采取相应的处理技术。

目前，针对硝酸盐污染的治理技术主要包括物理、化学和生物三种类型。物理方法如吸附、离子交换和膜分离等，虽然能够有效去除硝酸盐，但通常需要较高的设备投资和运行成本，且对水质的适应性较差。化学方法如化学还原和沉淀等，虽然操作简单，但可能产生二次污染，如生成有毒的氮氧化物或污泥处理问题。相比之下，生物方法，尤其是生物脱氮技术，因其环境友好、处理效率高以及运行成本较低而受到广泛关注。生物脱氮依赖于特定的脱氮微生物，在缺氧条件下将硝酸盐还原为氮气，从而实现氮的去除。

在生物脱氮过程中，脱氮微生物的活性和群落结构是影响处理效率的关键因素。脱氮微生物通常需要碳源作为能量来源，同时硝酸盐作为最终的电子受体。因此，保持适当的碳氮比（C/N）对于脱氮反应的顺利进行至关重要。如果碳源过量，可能会导致反应器中的环境从缺氧状态转变为厌氧状态，从而激活一些非目标微生物，如发酵型微生物，这些微生物可能部分还原硝酸盐为亚硝酸盐，影响最终的脱氮效果。因此，优化碳氮比是提高脱氮效率的重要手段。

为了提高脱氮效率，研究人员尝试通过改进反应器设计和生物载体选择来增强硝酸盐与微生物之间的接触和传质过程。其中，固定床生物反应器（FBBR）因其能够提供较大的生物膜表面积、促进微生物附着和生长，以及减少生物量流失而成为一种高效的脱氮系统。FBBR通常采用生物载体，如塑料珠和PVA珠，作为微生物附着的支撑结构。这些生物载体的物理特性，如比表面积、孔隙率和机械强度，都会影响微生物的生长和脱氮性能。

在本研究中，塑料珠和PVA珠的组合被用来评估其对脱氮性能的影响。PVA珠因其高度的孔隙性和亲水性，能够为微生物提供更多的附着位点和更高效的传质环境，从而促进脱氮反应的进行。相比之下，塑料珠的比表面积较小，可能限制了微生物的附着和生长。研究结果显示，随着PVA珠比例的增加，反应器的脱氮效率也随之提高。例如，R3在45分钟的HRT下表现出最高的脱氮效率，达到86±1%。这一结果表明，PVA珠的引入能够显著提升FBBR的脱氮能力，主要得益于其较大的比表面积和更优越的传质性能。

除了脱氮效率，研究还关注了反应器中生物量的分布情况。监测结果显示，R3中的生物量分布呈现出明显的垂直梯度，底部的生物量浓度最高，达到5.9 g/m2，而顶部的生物量浓度相对较低。这种分布模式与不同生物载体提供的碳源和营养物质的可用性密切相关。由于PVA珠的高比表面积和良好的传质性能，其能够为微生物提供更多的生长空间和营养物质，从而促进生物膜的形成和积累。相比之下，塑料珠的比表面积较小，导致其在反应器中提供的微生物附着位点较少，因此生物量分布较为稀疏。

此外，研究还对反应器中的微生物群落结构进行了分析。通过稀释曲线和α多样性分析，研究人员发现，固态生物膜载体中的微生物种类比液体样本更加丰富。特别是PVA珠，其微生物群落的多样性显著高于塑料珠。这一结果表明，PVA珠不仅能够促进脱氮效率的提升，还能够支持更丰富的微生物群落，从而增强反应器的稳定性和适应性。研究进一步指出，微生物群落的结构主要由几个主要的细菌门类决定，包括变形菌门（Proteobacteria）、螺旋体门（Spirocheta）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）。其中，变形菌门在R3中占据了主导地位，其比例达到86%，而拟杆菌门和厚壁菌门则在硝酸盐的分解和复杂有机物的水解过程中发挥了重要作用。

微生物群落的多样性不仅影响脱氮效率，还决定了反应器的运行稳定性。在脱氮过程中，微生物群落的组成和功能可能会随着环境条件的变化而发生动态调整。例如，当硝酸盐浓度较高时，某些优势菌种可能会占据主导地位，从而影响整个群落的代谢活动和脱氮性能。因此，了解微生物群落的动态变化对于优化反应器设计和运行管理具有重要意义。

研究还发现，不同生物载体的组合会影响微生物群落的分布和功能。例如，R3中由于PVA珠的比例较高，其微生物群落的结构更加复杂，能够支持更广泛的代谢途径。这不仅有助于提高脱氮效率，还可能增强反应器对不同水质条件的适应能力。相比之下，R1中由于塑料珠的比例较高，其微生物群落的结构相对单一，可能在面对复杂水质条件时表现出较低的稳定性。

从实际应用的角度来看，FBBR的运行效率不仅取决于生物载体的选择，还受到反应器设计、水力条件和操作参数的影响。例如，水力停留时间（HRT）是影响脱氮效率的重要因素之一。HRT过短可能导致硝酸盐与微生物的接触时间不足，从而降低脱氮效果；而HRT过长则可能增加运行成本和能耗。因此，在实际工程应用中，需要根据具体的水质条件和处理需求，合理设计反应器的HRT和其他运行参数，以实现最佳的脱氮效果。

此外，反应器的填充比例也是影响脱氮性能的关键因素之一。在本研究中，R3的填充比例为60%塑料珠和40%PVA珠，这种组合在提供足够生物膜表面积的同时，也保持了良好的水力条件。而R1和R2的填充比例则相对较低，导致其脱氮效率不如R3。这表明，在设计FBBR时，需要在生物载体的表面积和水力条件之间进行权衡，以确保反应器既能提供足够的微生物附着位点，又能维持良好的水力流动，从而提高整体的脱氮效率。

在实际应用中，FBBR的运行还受到其他因素的影响，如温度、pH值、溶解氧浓度和营养物质的供应情况。这些因素都会影响脱氮微生物的活性和群落结构。例如，温度过高或过低可能抑制微生物的代谢活动，而pH值的波动可能影响硝酸盐的还原反应速率。因此，在运行FBBR时，需要对这些环境参数进行严格控制，以确保反应器的稳定运行和高效的脱氮效果。

从长远来看，FBBR的运行效率和稳定性还与微生物群落的适应性和耐受性密切相关。在长期运行过程中，微生物群落可能会经历适应性进化，从而形成更加稳定的代谢网络和功能结构。这种适应性进化不仅有助于提高脱氮效率，还能够增强反应器对环境变化的响应能力。因此，在设计和运行FBBR时，需要充分考虑微生物群落的长期适应性和稳定性，以确保其在不同环境条件下的持续高效运行。

总的来说，本研究通过对比不同生物载体组合下的FBBR运行效果，揭示了PVA珠在提升脱氮效率和微生物多样性方面的优势。研究结果不仅为FBBR的设计和优化提供了理论依据，也为实际工程应用中的微生物群落管理和运行调控提供了参考。在未来的研究中，可以进一步探索不同生物载体的组合对微生物群落结构和功能的影响，以及如何通过优化反应器设计和运行参数来提高脱氮效率。此外，还可以结合其他先进的监测技术，如高通量测序和代谢组学分析，以更全面地了解微生物群落的动态变化和功能特性，从而推动FBBR技术在水处理领域的广泛应用和持续改进。