桂林理工李海翔团队WR：中空纤维布局对氢基质膜生物膜反应器脱硝性能及机理的影响——基于流体力学、生物生态学和生物动力学综合研究
图文摘要
膜生物膜反应器（MBfR）是一种极具潜力的水处理技术。它使用微孔或致密疏水中空纤维膜（HFM）作为无泡曝气以及生物膜附着的基材，能够精准地供给气态底物（H2、CH4和O2）。相比传统的活性污泥法，它能够节省约85%的能源成本。在MBfR中，流场是影响污染物去除性能和生物膜特性的重要因素。理想的MBfR流场应有合理的流速和均匀的流动分布，这样可以增强溶液的混合强度，并最大限度地减轻了生物膜与溶液界面的浓度极化问题，促进生物膜的生长和代谢。改变HFM的布局是解决这一问题最简单而有效的方法。在这项研究中，作者提出了一种可能的HFM膜组件布局。该布局不仅可以有效防止生物膜架桥现象，还可以实现液体流动的均匀分布。
成果简介
近日，桂林理工大学环境科学与工程学院李海翔团队联合桂林电子科技大学生命与环境科学学院郑君健团队在《Water Research》发表了题为“Hollow fiber layout matters the denitrification performance and mechanism of H2-based membrane biofilm reactor: A comprehensive study of hydrodynamics, bioecology and biokinetics”的重要研究成果。研究发现，将中空纤维膜（HFM）分散排布在反应器中，可显著改善反应器内的流场状态。在给定反应器尺寸条件下，最佳分散间距为4 mm。基于此间距构建的D-MBfR（分散式）在长期试验中表现出比传统B-MBfR（集束式）更高的反硝化通量（1.1 vs. 0.58 g N/m2⋅d）。短期试验也表明，D-MBfR的反硝化动力学速率更优。与B-MBfR相比，D-MBfR中的生物膜更薄，水动力边界层更窄。这使得氢自养脱氮细菌的数量和代谢活性更高，从而能够更有效地利用H2和NO3-。此外，D-MBfR中的生物膜由于多糖和蛋白质的均匀分布，尽管厚度较薄，但具有更强的抗水力剪切能力。这项研究的结果可为今后MBfR的设计和管理提供重要的科学依据。
图文导读
图1. 不同HFM间距下中央水力断面流速的三维等值线图：0 mm （a）、1 mm（b）、2 mm（c）、3 mm（d）、4 mm（e）和5 mm（f）；不同HFM间距下反应器的堆积密度、HFM模块的空隙率（g）、平均流速和均匀性指数（h）。
通过CFD分析了不同HFM间距下的流场分布，确定4 mm间距断面流速分布最为均匀，几乎不存在伪停滞区，并且存在最窄的水力边界层。这表明，4 mm间距可能是优化反应器性能的最佳选择，因为它能够提供更均匀的流速分布和更有效的物质传输。
图2. B-MBfR和D-MBfR在长期实验（a）和短期实验（b）中的反硝化性能；实验结束时测得的生物膜厚度（c）生物量和生物量密度（d）；原位（e）和非原位（f）试验NO3-去除动力学。
图3. B-MBfR（a）和D-MBfR（b）中心水力断面流速的三维等值线图；不同循环流速下反应器的平均流速、水动力边界层厚度（c）和出水COD浓度（d）的比较；循环流速为100 mL/min时环状生物膜（e）、外圈生物膜（f）、中间圈生物膜（g）和内圈生物膜（h）表面的剪应力。
通过长期、短期实验和原位/异位动力学分析，确定D-MBfR（4 mm间距）的反硝化通量和动力学速率明显高于B-MBfR。作者通过CFD模拟对两组反应器生物膜生长达到稳态阶段时进行分析，发现D-MBfR中的生物膜比B-MBfR中的环状生物膜具有更强的抗剪切性能，进一步支持了D-MBfR在提高生物膜稳定性方面的优势。
图4. 环状生物膜（a）、外圈生物膜（b）、中间圈生物膜（c）和内圈生物膜（d）中模拟和/或测量的H2和NO3-剖面；环状生物膜（e）、外圈生物膜（f）、中间圈生物膜（g）和内圈生物膜（h）中模拟的DNB代谢活性。
最后，作者利用多物种生物膜模型对生物膜中的底物分布和脱氮细菌（DNB）的代谢活性进行了模拟和实测。结果表明，更薄的生物膜和水力边界层促进了D-MBfR中DNB的生长代谢。
小结
在这项研究中，作者首次探索了通过合理的HFM布局改善了H2-MBfR反硝化性能的可行性，并从机理上揭示了这种性能提升背后的微生物演化和生长代谢过程。实验和建模结果表明：（1）最佳的HFM间距通过诱导均匀的流量分布，使D-MBfR中每个HFM上的生物膜发展相对均匀；（2）在大多数短期和长期实验中，D-MBfR的反硝化通量和动力学速率明显高于B-MBfR；（3）与D-MBfR相比，B-MBfR中的环状生物膜因PNPS分布不均而处于劣势，更容易受到流体动力剪切力的影响；（4）由于D-MBfR中的生物膜更薄且水动力边界层更窄，D-MBfR中氢自养型脱氮细菌（DNB）的数量和代谢活性相较于B-MBfR有所增加。这项工作的发现将为优化MBfR技术奠定坚实的基础，推进应用于实际废水处理。
