膜曝氣生物膜反應器（MABR）正被用于自養氮去除，但在MABR反擴散生物膜中控制氮周轉仍然具有挑戰性。在這項研究中，我們通過提供連續曝氣與間歇曝氣來調節兩個實驗室規模的MABR中的微生物活動。通過質量平衡方法通過體積測量來估計不同功能微生物組的氮消耗量。亞硝酸鹽氧化菌（NOB）在連續曝氣下增殖，間歇曝氣下受到顯著抑制，NOB抑制激活厭氧銨氧化。通過長期體積測量和溶解氧（DO）和pH的原位生物膜微譜研究了MABR中的硝化性能。在間歇曝氣期間，pH效應而不是溶解氧效應決定了硝化成功，特別是氨形態，它在硝化過程中充當底物和抑制劑。在曝氣開關上監測生物膜過渡階段。典型對應分析表明，缺氧和曝氣間歇后的相對轉變對生物膜性能的決定性小于相對曝氣持續時間。異養細菌在通氣控制下表現出輕微的反硝化速率，但有助于減輕一氧化二氮（N2O）排放。N2O在連續曝氣下，在缺氧生物膜區的頂部發現了生產熱點。相反，在間歇曝氣下，缺氧N2O設立減量區。我們的觀測結果支持MABR的間歇曝氣控制，這是一種低氮節能脫氮的簡單策略N2O排放。

簡介：生物膜工藝廣泛應用于環境生物技術，允許生物質積累和保留，而無需外部設備來分離和保留生物質。這些過程在保留生長緩慢的微生物（如硝化細菌）方面特別有用。膜曝氣生物膜反應器（MABR）是一種很有前途的生物膜技術，用于處理含氮（N）廢水，依賴于膜支持的生物膜中底物的反擴散。在硝化MABR中空氣通過膜模塊提供，并且由于生物膜中存在或不存在氧氣而發生氧化還原分層。分層允許發展獨特的微生物群落，可以實現硝化，硝化/反硝化或部分硝化/厭氧氨氧化。

在這項研究中，實驗室規模的MABR在連續曝氣與間歇曝氣策略下運行，以研究對長期氮轉化的影響。間歇曝氣模式是根據馬老師等人先前的研究選擇的。使用基于質量平衡的方法通過大量氮測量計算單個微生物活性。然后探討了間歇曝氣對微生物活性的調控。pH、DO和N2O的原位生物膜深度分布測量，并分析其具有曝氣控制的瞬態。最后，討論了MABR最佳性能的操作窗口。

丹麥Unisense微電極測定系統應用

生物膜pH值、溶解氧和N2O：原位顯微剖面和分析

溶解氧、pH和N2O微量傳感器（OX-10，pH-25，N2O-25，Unisense，丹麥）用于生物膜內的原位微剖面測量。在MABR性能達到從本體氮濃度推斷的偽穩態后，在不同的曝氣狀態下測量剖面（重復>3）。分析中使用平均顯微輪廓。膜-生物膜界面處的微傳感器測量進一步用于監測瞬態pH、DO和N2O曝氣開關上生物膜基座上的行為。過渡時間（ttrans）被定義為生物膜pH（ttrans,pH）或DO（ttrans DO）在空氣打開后達到穩定狀態。

微量剖面分析包括（1）連續和間歇曝氣之間生物膜pH和DO的比較（2）凈體積氮的計算N2O在不同生物膜深度下的反應速率，以及（3）ttrans用于pH值、溶氧和N2O間歇曝氣。生物膜溶氧比較中包括生物膜底部的氧穿透深度（μm）和溶解氧濃度。氧穿透深度定義為從膜-生物膜界面到生物膜層的距離，其中DO濃度達到0.01 mg/L（檢測限）。生物膜pH值比較中包括體積pH值和生物膜基底的pH值。與學生檢驗（95%CI）進行比較。凈容積N2O使用Fick第二擴散定律根據各自的濃度曲線估計每種曝氣控制下的反應速率。使用Microsoft Office Excel 2010進行統計分析，并應用了的加載項求解器N2O費率計算。ttrans使用曝氣循環期間記錄的濃度時間序列進行估計。

圖1.MABR曝氣控制期間的性能：（A）體積氮種和體積pH值的測量，（B）由活性比表示的微生物活性的相對變化（估計的氮活性顯示在條形圖中）和工作溫度。虛線表示MABR中的參考比率始終在連續曝氣下操作。

圖2.MABR中微觀輪廓的比較在連續曝氣（連續相）和間歇曝氣（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）溶解氧曲線，（B）pH曲線，（C）空氣開關上生物膜基底的溶解氧時間序列（大約深度=?30μm），以及（D）空氣開關時生物膜pH值的時間序列。估計生物膜中FA和FNA的濃度：FA=0.032–1.17 mg-N/L，FNA<0.025 mg-N/L（圖）。S6.A-B）。由于再循環速率保持不變，因此未顯示并假設不同曝氣之間的邊界層相同。

圖3.MABR中微觀輪廓的比較在連續曝氣（連續相）和間歇曝氣（Int6+6 air-on and air-off phases）：（A）N2O剖面，（B）凈體積氮的空間分布N2O生物膜內的生產/消費率。

總結：實驗室規模的MABR在連續和間歇曝氣狀態下運行，并監測氮轉化率。

在連續曝氣下，MABR中產生了硝化生物膜，而在間歇曝氣下，NOB活性受到抑制，AMX活性增強。NOB抑制可能是由于pH效應，因為在間歇曝氣下，AOB的底物和NOB抑制劑FA的存在更為顯著。在這項研究中，DO限制和溫度似乎沒有控制NOB抑制。

這是第一個記錄MABR中空氣開關上生物膜DO和pH曲線動態的實驗研究，并報告了間歇曝氣生物膜中的pH回收滯后于溶解氧恢復。

雖然反硝化活性在曝氣控制下保持低水平且保持不變，但異養細菌在N2O動力學為N2O反擴散生物膜中的生產者或消費者。

間歇曝氣調節MABR中的氮轉化率，相對曝氣持續時間是關鍵決定因素參數。曝氣控制是實現節能脫氮和減氮的可行方法N2O反擴散MABR生物膜的排放。

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