聚氨酯泡沫的显微镜图像，在细菌生物膜形成后立即拍摄； 这张快照的上半部分，较暗的一半富含氧气，与较亮的底部明显不同，后者缺乏氧气。 图片来源：Bruno Garcia Silva 根据《环境技术》上的一篇文章，一种适应巴西条件并使用聚氨酯泡沫降低成本的新型生物膜反应器可以将废水中的氮化合物含量减少多达 70%。 进行这项研究的研究人员开发了一个数学模型来分析和预测除氮机制。 生物膜包含将氮化合物转化为对环境无害的氮气的细菌。
这项研究由 Bruno Garcia Silva 在巴西圣保罗大学 (USP) 从事水利工程和卫生方面的博士研究期间领导，Eugenio Foresti 担任论文顾问。 Foresti 是圣卡洛斯工程学院 (EESC-USP) 的教授。 该研究得到 FAPESP 的支持。 圣卡洛斯联邦大学 (UFSCar) 和莫阿理工学院 (IMT) 的研究人员进行了合作。
加西亚告诉Agência FAPESP：“在巴西，除氮仍然只有少数几个污水处理厂可以实现，而在欧洲和美国却经常进行。” “这个想法是适应 [the necessary infrastructure] 到我们的现实。 这里常用的方法是基于厌氧反应器，其产生的流出物有机物含量低，使脱氮困难。”
从生活污水和工业废水中去除氮化合物（亚硝酸盐、硝酸盐和氨等）是必不可少的，因为它们会污染地表水（湖泊、水库和溪流）以及含水层和其他地下水，让细菌生长，藻类和植物在被称为富营养化的过程中失控。
此外，饮用被硝酸盐污染的水会导致婴儿高铁血红蛋白血症（蓝色婴儿综合征）等疾病，导致头痛、头晕、疲劳、嗜睡、呼吸困难，严重时还会出现癫痫和昏迷等神经系统改变。
“例如，当藻类大量繁殖时，如比林斯（圣保罗的主要水源之一）等水库中所见，水中缺氧会导致鱼类死亡、供水和休闲区的损失。很难从水库中清除藻类，”该小组的负责人 Foresti 说。
差异化因素
这种新反应器模型的主要区别之一是生物膜由生物过程形成，其中细菌在聚氨酯泡沫上形成膜。 另一个是允许研究人员所谓的反扩散的设备配置，其中氧气被引入到污染物的另一侧。
“氧气被输送到泡沫中，因为这样可以确保它只停留在发生反应所需的地方，”加西亚解释说。 “我们不希望氧气一直与有机物接触。如果这样做，细菌会用尽所有氧气来分解它，而不会留下任何东西来消耗亚硝酸盐和硝酸盐。所以我们插入生物膜另一侧的氧气。目标是使到达另一侧生物膜的有机物不仅被氧气氧化，还被亚硝酸盐和硝酸盐氧化。
当氧气不进入反应器时，氨保持不变。 然而，当氨以氧气输入进入反应器现场时，它会转化为亚硝酸盐和硝酸盐。 “唯一的出路是通过生物膜，化合物通过与有机物质相反的方向扩散穿过这个屏障。它们在逆流中与有机物质的碰撞为亚硝酸盐和硝酸盐的去除创造了最佳条件，因为不再有任何氧气并且有有足够的有机物进行反硝化，”加西亚说。
Foresti 解释说，在巴西，由于主要气候比北半球温暖，厌氧反应器（利用不需要氧气生存的细菌分解有机物）越来越多地被市政污水处理公司使用。 在温暖的天气里，细菌会更快地分解有机物。 在平均温度较低的欧洲和美国，这个过程是不同的。 污泥去除后存在于液相中的有机物被好氧氧化（通过氧气）。
然而，在巴西，由于成本原因，氮化合物并未完全去除，而是直接释放到大自然中。 研究人员开发的新型反应器旨在为废水处理增加第二个、更简单、更便宜的阶段，以便与未来的技术和合作伙伴一起开发。
美国研究奖学金
在美国圣母大学教授 Robert Nerenberg 实验室工作的研究人员与 Garcia 合作，后者在 FAPESP 的支持下于 2019-20 年作为访问研究员在那里工作。
“我的项目和他们的项目之间的区别在于，他们使用的是半透膜而不是聚氨酯泡沫，这种膜类似于充满空气的吸管。当这个毛细管与水接触时，它会通过氧气而不是水，因此生物膜粘附在表面并在其上生长。换句话说，氧气通过这个细管的壁提供给细菌。氧气出来，水提供氨和有机物。它与反扩散系统相同，除了我们使用的材料更简单、更便宜，”加西亚说。
“细菌在表面生长形成生物膜，但它不是正确的过滤器，因为它不提供对颗粒通过的机械阻力。反应器实际上是作为细菌生长的支持和消耗可溶性有机物和氮化合物。”
下一步
Foresti 表示，反应堆的新配置激发了该小组的进一步研究。 在圣保罗州基本卫生公司 (SABESP) 和 FAPESP 之间的一项合作计划中，研究人员计划用真实的污水测试新模型，这些污水已通过 SAAE 运营的处理厂中的好氧反应器圣卡洛斯。 UFSCar 和 IMT 的研究人员也是该计划的一部分，并将开发其他要测试的系统。
“Bruno 的研究是第一个在巴西以这种方式使用反扩散的研究，”Foresti 说。 “这是合成废水的概念证明。在这种反应器配置中发现的效率大大优于先前研究中观察到的效率，但我们仍然需要评估几个因素。”
新配置已在实验室进行了测试。 效率将在进一步的项目中进行衡量，因为无法预测设备在处理大量污水时的表现，并且系统需要用实际的生活污水和工业废水进行测试。 迄今为止，它只在研究人员自己准备的合成废物样本上进行了测试。
“我们可能必须改进设计和几何形状，”加西亚说。 “如何优化设计以获得每个反应器体积的最大最佳表面积，从而降低成本？这项研究提供了基础，我们可以在此基础上继续思考过程和数学工具。”
更多信息：Bruno Garcia Silva 等人，泡沫充气生物膜反应器 (FABR) 中独特的生物膜结构和传质机制，环境技术 (2022)。 DOI：10.1080/09593330.2022.2058422
引文：新型污水处理系统可去除高达 70% 的氮，否则这些氮会被丢弃到自然界中（2022 年 6 月 27 日），2022 年 6 月 28 日从 https://techxplore.com/news/2022-06-sewage-treatment-nitrogen 检索-discarded-nature.html