基于抑制水平的载体选择及动力学分析，以优化MBBR工艺中含盐废水的反硝化效果

《Journal of Environmental Management》：Inhibition-level-based carrier selection and kinetic insights for optimised denitrification of saline wastewaters in MBBR

硝酸盐去除效率受生物膜载体类型和盐度显著影响。空心载体在低至7.5%盐度时因暴露面积大呈现更高去除率，而多孔载体在高盐9.5%时因盐扩散限制更稳定。两种载体均形成以Paracoccus、Methylovorus和Hyphomicrobium为主导的稳定微生物群落。通过引入盐抑制因子改进的Sumo模型能准确预测动力学，为高盐废水处理工艺优化提供理论依据。

　　该研究聚焦于盐度对生物膜反应器（MBBR）中硝酸盐去除性能的影响，特别是在工业废水中盐度较高的情况下。通过对比两种不同结构的生物膜载体——空心体和多孔体，研究人员系统分析了它们在盐度1%至9.5%范围内的表现，并评估了其在实际工业废水处理中的潜力。这项工作对于优化生物膜技术在高盐度环境下的应用具有重要意义。

在工业废水处理中，盐度常常成为生物处理过程中的一个主要挑战。高盐度不仅可能抑制微生物活性，还可能改变生物膜的结构和功能。在本研究中，研究人员使用了从市政污水处理厂获得的混合培养菌群，分别在两种不同类型的生物膜载体上进行实验。结果显示，在盐度1%至7.5%的范围内，两种MBBR均能实现超过90%的氮去除率，但空心体载体由于其暴露的生物膜面积更大，表现出更高的去除效率。然而，当盐度增加到9.5%时，情况发生了变化，多孔体载体内的生物膜表现出更高的稳定性，去除效率为89.5%±1.6%，而空心体载体的去除效率则下降至80.9%±6.5%。这表明，不同的生物膜载体在应对高盐度时表现不同，选择合适的载体对于提高处理效率至关重要。

为了进一步理解盐度对生物膜去除性能的影响，研究人员引入了一个抑制因子到现有的Sumo?22生物膜模型中，从而模拟了不同盐度条件下的去除动力学。通过这种方式，他们能够预测生物膜处理过程在不同盐度下的表现，并为实际工程应用提供理论依据。此外，研究还探讨了生物膜在不同盐度条件下的动态变化，包括生物膜厚度、附着生物量以及微生物群落的变化。这些因素共同影响了生物膜的去除能力，因此在优化生物膜处理系统时，需要综合考虑。

研究发现，在低盐度条件下，空心体载体的生物膜更易形成，且其去除速率较高，而随着盐度的增加，多孔体载体的优势逐渐显现。这种差异可能与生物膜的暴露程度有关。空心体载体的生物膜暴露于更多的液体环境中，这可能促进了更高的底物传递效率，但也增加了对抑制性离子的暴露，从而在高盐度条件下可能导致生物膜的脱落。相比之下，多孔体载体的生物膜生长在小孔内，受到的外部液体冲击较小，因此在高盐度条件下表现更为稳定。这种结构上的差异使得两种载体在不同盐度范围内的应用具有不同的优势。

此外，研究还涉及了实际工业废水的处理，特别是来自纸浆厂NOx-SO2洗涤器的高盐度废水。结果显示，这两种MBBR均能够有效去除硝酸盐，表明生物膜技术在处理高盐度废水方面具有良好的应用前景。在处理实际废水时，研究团队逐步增加盐度，以观察生物膜对盐度变化的适应能力。这种策略有助于提高生物膜对盐度的耐受性，并可能为实际工程中的启动策略提供参考。

微生物群落的分析也揭示了生物膜在盐度压力下的适应性。研究发现，尽管盐度增加导致微生物群落的多样性下降，但主要的硝化细菌群落仍然保持活跃。这些微生物在高盐度条件下仍能维持其功能，表明生物膜中的微生物群落具有一定的稳定性。这种稳定性可能与生物膜的保护机制有关，例如通过生物膜的胞外聚合物（EPS）减少盐离子的渗透，或者通过生物膜的结构特征提供一定的物理屏障。

在模型方面，研究团队通过引入抑制因子，改进了现有的Sumo?22生物膜模型，使其能够更准确地模拟不同盐度下的生物膜去除动力学。这种改进后的模型在预测生物膜处理过程中的表现方面表现出良好的适应性，尤其是在高盐度条件下。模型的建立和验证为未来的生物膜处理系统设计提供了理论支持，有助于优化处理过程并提高其效率。

研究还指出，尽管模型在一定程度上能够反映生物膜的去除性能，但在某些情况下仍存在局限性。例如，在低盐度条件下，模型未能完全区分生物膜和悬浮生物质的贡献，这可能影响其准确性。因此，未来的研究需要进一步完善模型，以更好地反映生物膜在不同盐度条件下的行为。此外，还需要考虑生物膜脱落对处理性能的影响，这在高盐度条件下尤为明显。

综上所述，这项研究为在高盐度条件下优化生物膜反应器的性能提供了重要的理论依据和实践指导。通过选择适合不同盐度范围的生物膜载体，可以显著提高处理效率和稳定性。同时，改进的生物膜模型有助于预测和优化处理过程，为实际应用提供支持。这些发现不仅适用于纸浆厂的NOx-SO2洗涤废水处理，也可能为其他高盐度工业废水的生物处理提供参考。