《Water Research》：Exploring efficient mainstream nitrogen removal by partial nitrification/anammox under limited COD condition in a pilot-scale membrane aerated biofilm reactor
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该研究首次验证了膜生物反应器（MABR）与AnAOB载体单元结合在低COD条件下的氮去除可行性，通过FNA增强策略有效抑制NOB，总氮去除率达78%，其中PN/A贡献55%。优化了水力停留时间（12h）和FNA策略，提出控制生物膜厚度与氧分布的协同操作方案。
王立生|张聪聪|康晓峰|刘彦辰|邱勇|万岩德清|刘佳音|程刚|林鹏飞|黄霞
清华大学环境学院环境系区域环境与可持续性国家重点实验室，中国北京
摘要
将部分硝化/反硝化（PN/A）工艺整合到膜曝气生物膜反应器（MABR）中，是一种具有良好能源效率和高效氮去除效果的技术。本研究首次探讨了在有限COD条件下，这种组合工艺在试验规模MABR装置和厌氧铵氧化菌（AnAOB）载体装置中的可行性和稳定性。在未接种AnAOB之前，当进水流量为2.4 m3/d（即水力停留时间为12小时）时，MABR系统通过硝化作用实现了约83%的NH??-N去除率。自由亚硝酸（FNA）增强策略显著抑制了NOB的生长，并保持了PN/A过程的稳定性。接种AnAOB后，当进水流量为1.2 m3/d时，总氮去除率为78%，其中PN/A工艺的氮去除占比达到55%。优化运行条件表明，为了有效平衡水质和MABR的氮去除效率，建议采用适当的生物膜厚度控制策略。这些结果将进一步丰富我们对试验规模MABR系统中NOB抑制机制的理解，并为PN/A技术在废水处理中的实际应用提供参考。
引言
从废水中去除氮是防止富营养化的重要措施。低能耗和低碳源消耗正成为未来废水处理厂的发展趋势（Lackner等人，2010年；Mehrabi等人，2020年）。膜曝气生物膜反应器（MABR）作为一种低能耗、高氧气传递率的氮去除技术，在废水处理领域受到了越来越多的关注。它也被认为是实现生活污水碳中和的最可行策略之一（Li等人，2022年；Syron和Casey，2008a年；Werkneh，2022年）。
部分硝化/反硝化（PN/A）与MABR的结合将大大扩展其应用范围，这一技术在某些实验室规模的MABR中已用于主流氮去除（Lu等人，2023年；Yin等人，2025年）。然而，亚硝酸盐氧化菌（NOB）在膜上的生长被认为是PN/A过程稳定运行的最大挑战（Chen等人，2022年；Chen和Zhou，2022年；Li等人，2016年）。大多数研究采用极低的气压或低氧气供应来抑制NOB（Bunse等人，2024年；Ma等人，2022年；Perez-Calleja等人，2017年；Wang等人，2024年；Li等人，2023年）。然而，仅靠低氧气浓度无法完全抑制NOB，而且氧气分布不均（例如外层生物膜氧气不足，内层生物膜氧气过多）会再次促进NOB的生长（Augusto等人，2018年；Lu等人，2023年）。进水中铵负荷的波动也会导致氧气过量，进一步促进NOB的生长。此外，采用低溶解氧（DO）浓度和低NO??-N浓度的替代策略也无法快速减少NOB的数量（Augusto等人，2018年；Bunse等人，2020年）。因此，根据目前的认知，尚未有试验规模MABR系统中成功的PN/A案例报道。自由亚硝酸（FNA）策略被证明可以有效抑制NOB并增强系统的抗干扰能力，从而实现长期稳定的PN/A过程（Ren等人，2021年；Statiris等人，2022年；Zuo等人，2024年）。在我们之前的研究中（Wang等人，2023年），自由氨（FA）和FNA策略在低NH??-N浓度的序批式MABR系统中表现出对NOB生长的更强抑制作用和稳定的氮去除效果。
剩余的NH??-N浓度在液体中是抑制NOB的关键因素（Poot等人，2016年；Zheng等人，2023年）。足够的剩余NH??-N可以确保AOB/AnAOB有效竞争底物，AOB和NOB竞争氧气，同时AnAOB和NOB竞争亚硝酸盐。此外，足够的剩余NH??-N还可以生成自由氨（FA），从而抑制NOB（Poot等人，2016年；Yang等人，2023年；Zheng等人，2023年）。然而，出水排放要求NH??-N浓度较低。解决这一问题的策略可能包括：通过采用塞流或多级反应器改变溶液浓度分布，以及通过优化生物膜厚度和氧气供应策略，在低NH??-N浓度下降低NOB抑制所需的阈值（Wang等人，2025年）。适当的硝化生物膜厚度也有助于保持足够的AOB活性和为AnAOB提供高的底物传递速率（Syron和Casey，2008b年）。我们之前的研究提出了富含AnAOB的部分硝化MABR生物膜和载体，以提高氮去除率和出水质量，并展示了AOB和AnAOB分离布置的特殊优势（Wang等人，2025年）。在试验规模系统中，如果MABR装置和AnAOB载体装置能够空间分离并通过循环连接，那么在AOB和AnAOB分离的情况下，可以保持较高的硝化活性，进一步提高PN/A效率。
总之，本研究建立了一个试验规模的PN/A系统，该系统结合了硝化MABR装置和AnAOB载体装置，以评估其处理来自厌氧膜生物反应器（AnMBR）的低COD废水的可行性和运行稳定性。这种集成配置通过充分利用这些装置的互补功能提高了能源和空间效率。研究了启动过程中的PN性能，以及同时进行硝化和反硝化以实现氮去除。此外，为了探索试验规模MABR系统中PN/A的可行性，我们实施了FNA策略来抑制NOB，随后接种AnAOB并优化了PN/A的运行条件。这些结果将拓宽我们对试验规模MABR系统中NOB抑制机制的理解，并为PN/A技术在废水处理中的应用提供解决方案。
系统构建
试验规模的MABR系统设计用于处理5 m3/d的进水，该进水经过AnMBR预处理。进水特征如下：NH??-N浓度为40–60 mg-N/L，可溶性COD浓度低于30 mg/L，S2?浓度为12 mg-S/L。其中的硫化物可能来自含硫有机物的分解或AnMBR中的硫酸盐还原，这些物质在低氧条件下可作为反硝化的电子供体。
硝化和反硝化性能
在启动阶段进行污泥接种后，MABR系统采用间歇进料培养方式运行。向膜单元添加合成NH??-N以促进AOB的生长。氮去除性能如图S2所示。可以看出，在第13天，膜单元中的NO??-N浓度从1.8 mg-N/L增加到52.1 mg-N/L，表明膜生物膜上AOB的生长得到了显著促进。从第13天到第16天，TIN浓度从84.4 mg-N/L
结论
本研究提出了结合试验规模MABR和CEBR装置的处理实际废水的方法，以实现主流氮的去除。研究了进水流量（即HRT）对氮去除性能的影响，以及FNA增强策略对NOB抑制的效果，并提出了PN/A的优化方案。主要结论如下：
(1)该装置的硝化性能受进水流量和氧气供应的影响。
作者贡献声明
王立生：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。张聪聪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析。康晓峰：研究、数据分析。刘彦辰：资源协调、项目管理、数据分析。邱勇：资源协调、项目管理、数据分析。万岩德清：资源协调、数据分析。刘佳音：资源协调、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国科技部国际计划（项目编号2022YFE0119000）的支持。
