北極星水處理網訊:本文我們將向大家介紹美國亞利桑那州立大學的Bruce Rittmann教授2018年在《Water Research》上最新發表的《Biofilms, active substrata, and me》。
關於Bruce Rittmann教授
Bruce E. Rittmann教授是美國亞利桑那州立大學生物設計研究所Swette環境生物技術中心的主任、可持續工程與建設環境學院的傑出董事教授(Regents' Professor)。他是MBfR(Membrane Biofilm Reactor，基於膜傳導的生物膜反應器)的發明者，在這項技術上擁有5項專利。他開發了活性汙泥法的相關計算方法，也是最早提出微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)的學者之一。作為微生物研究的國際領導者，目前他專注於可再生生物能源的創新研究，包括運用厭氧微生物將生物質轉化成甲烷、氫氣或者電能，另一大方向就是運用光合細菌生產液態燃料。除了環境技術之外，Rittmann教授還是位熱愛跨界的科學家，他與著名的梅奧醫療中心合作研究了腸道微生物與糖尿病的關係。
Rittmann教授在華盛頓大學修得土木工程學士和碩士學位，然後在史丹福大學攻讀環境工程博士，他的導師是著名的Perry McCarty。 Rittmann教授在他的職業生涯裡獲譽無數。由其主導撰寫的《Environmental Biotechnology: Principles and Applications》一書是世界上最著名的環境微生物學教材。Rittmann教授曾獲得亞利桑那生物產業協會頒發的優秀研究獎、美國土木工程師學會頒發的Huber Civil Engineering Research Prize、美國National Water Research Institute頒發的Clarke Prize、ISME和IWA國際水協會聯頒的2014微生物生態學和水/汙水處理大獎(ISME/IWA Bio Cluster Award)。此前，他還剛剛斬獲了2018年的斯德哥爾摩水獎，可見其在水科學和技術方面的突出成就。
生物膜與活性基質
在綜述開頭，Rittmann教授首先表達了他對生物膜的熱情：「自從20世紀70年代開始從事生物膜的研究以來，我就開始認識到它在自然界無處不在，對水技術意義重大，在科學上令人如此著迷。它們用自然的方式去除BOD，轉化氮，生產甲烷和生物降解微汙染物。另外我還發現，如果我們再給生物膜多那麼一點的幫助，它們可為我們回饋更多。」
Rittmann教授這裡指的那一點幫助，主要是使用活性基質，使生物膜能夠完成一些在過去被認為是不可能完成的任務。在這篇綜述裡，他深入研究了三個例子：
去除氧化鈦汙染物的氫基質MBfR反應器
微生物電化學電池(MxC)
光催化耦合微生物同步降解汙染物(ICPB)
生物膜有諸多優點，但它目前仍不能自發完成人為設定的任務，例如對於低水溶性的底物和內在生物降解性差的有機化合物等，傳統的惰性生物膜媒介，例如砂、陶瓷或者塑料等對此無能為力。對於這種情況，Rittmann教授提出了「活性基質(active substrata)」的概念，他認為其中一種可能的解決方式是引入低水溶性底物，包括a)氫氣 -- 一種低溶解度的電子供體，b)電化學電池的陽極--當它與生物膜恰當作用的時候，它能成為電子受體;而第二種解決方案是提供一個能將頑固分子轉化成可降解物質的表面來處理難降解有機物。
生物膜的傳質降解原理
還原氧化態汙染物的氫基質MBfR反應器
什麼是氧化態汙染物?它主要指一些無機含氧陰離子，但也包含外源替代性的有機物，包括硝酸鹽、高氯酸鹽、砷酸鹽、鉻酸鹽、氯化溶劑等。Rittmann教授對水汙染中常見的氧化態汙染物總結成下表：
重要氧化態汙染物的來源、危害和還原產物
從上表可以看出這些汙染物來源各異，危害也不盡相同。但幸運的是，它們都可以通過微生物的呼吸作用得到還原降解，變為無害形態，甚至成為富有價值的還原產品，如硒和鈀等元素。顯然，這些氧化態汙染物都是電子受體，而氫氣就是一種理想的電子供體。
這裡所說的活性底物是一種氣體傳送膜，如下圖所示，它將氫氣以特定的壓力輸送到無孔中空纖維膜的內腔，然後擴散至MBfR反應器中的生物膜，它能夠以100%效率將低溶解度氣體底物進行擴散，另一側的氧化態汙染物從液態擴散到生物膜中，電子供體和受體就在生物膜進行反應。
氫基質的MBfR傳質原理圖
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