铁集成膜曝气生物膜反应器中Feammox工艺与NDFO工艺的空间耦合

《ACS ES&T Engineering》：Spatial Coupling of Feammox and NDFO Processes in an Iron-Integrated Membrane-Aerated Biofilm Reactor

　　

摘要

铁还原与厌氧铵氧化（Feammox）过程常常与多种铁-氮转化途径共存，比如依赖硝酸盐的铁(II)氧化（NDFO）。然而，这些途径中铁的供应与消耗失衡会阻碍基于Feammox的稳定工艺的形成。在此，我们采用了一种铁-氧双驱动策略，利用含有Fe₂O₃的膜曝气生物膜反应器（MABR）来维持Feammox的活性。实验结果表明，无需泵的扩散曝气方式能有效降低界面处的氧气浓度，而Fe₂O₃则通过物理化学作用及生物调控提升了氧气传输率26.87%。这种协同机制限制了氧气的渗透深度，从而为厌氧菌提供了更广阔的生存空间。通过冷冻切片-16S rRNA测序结合微电极分析，证实了这种空间结构的变化：Feammox细菌迁移到中间外层区域，NDFO细菌在所有层次都有较多分布，而硝化菌则集中在内层的生物膜中。这种分层结构促进了由氧气驱动的铁(II)氧化以及硝化作用产生的硝酸盐生成，进而重新形成了铁(III)库，使得铁-氮-氧循环得以保持稳定。最终，该系统实现了0.67克氮/平方米·天的氮去除率，且氮气的选择性达到68.15%。这些发现有助于我们更深入地了解生物膜内的微生物相互作用，同时也推动了基于Feammox的废水处理中的氮去除技术的发展。