一种创新的MBBR-MBR集成序贯厌氧-好氧生物处理（A2/O2）系统，用于处理含有高浓度氨氮的废水

《Journal of Water Process Engineering》：An innovative MABR-MBR integrated sequential anoxic-oxic biological (A2/O2) system for treating high-ammoniacal nitrogen containing wastewater

该研究通过四阶段A2/O2生物反应器系统结合膜生物反应器（MABR-MBR）成功实现了高浓度氨氮（>90%）和总有机碳（97.2–100%）的高效去除，显著优于传统Bardenpho型控制反应器。MABR通过气膜供氧和MBR超滤技术优化了生物膜结构，促进同步硝化反硝化（SND）和异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）协同作用，微生物群落分析显示关键脱氮菌种（如Paracoccus denitrificans）丰度显著。

　　

阿林丹·辛哈罗伊（Arindam Sinharoy）| 崔敏钟（Chong Min Chung）

能源与环境工程系，顺天乡大学（Soonchunhyang University），韩国忠清南道牙山市新昌（Sinchang, Asan, Chungcheongnam），邮编31538

摘要

本研究采用四阶段生物反应器系统（A²/O²）去除氨氮，强调了膜曝气生物膜反应器（MABR）技术在处理高氨浓度废水方面的强大潜力。A²/O²系统结合MABR在中等（160 mg/L）和高（650 mg/L）氨浓度下均实现了接近完全的氨去除率（>90%），显著优于未使用MABR的对照反应器（160 mg/L时为73.5%；650 mg/L时低于73.1%）。这种优异的效率归因于A²/O²系统的交替氧化还原区域，以及MABR的反扩散曝气作用，这使得生物膜能够稳定生长并形成好氧-厌氧分层；同时，MABR的超滤功能使得系统无需传统沉淀池即可运行。这些条件促进了同步硝化-反硝化（SND）和异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）反应，从而比Bardenpho型对照系统多去除25–30%的NH₄⁺-N，并且占地面积更小。此外，两种反应器对总有机碳（97.2–100%）和总磷（>82%）的去除效果也非常显著，进一步证明了MABR在综合污染物去除方面的能力。微生物群落分析显示，该系统以变形菌门（Proteobacteria，占41.7–62.2%）和关键氮循环物种（如Paracoccus denitrificans和Nitrospira japonica）为主，这些微生物在不同条件下均有助于有效的氮去除。总体而言，这些结果表明基于MABR的A²/O²系统是处理复杂废水的可行升级方案。

引言

水是一种不可或缺的资源，既满足人类需求，又维持环境平衡[1]。快速的工业化和人口增长极大地增加了对水的需求，并导致天然水体受到工业废水的严重污染[2]。有效的废水管理已成为环境可持续性的关键组成部分，因为未经处理或处理不当的废水可能造成严重的生态破坏[3]。特别是含有高浓度氮化合物的工业废水，由于其复杂的成分和高毒性，给废水处理带来了独特挑战[4]。氨氮对水生生态系统和人类健康构成重大威胁，会导致富营养化、氧气耗尽以及有害氮副产物的形成，例如亚硝胺（与氯等消毒剂反应产生）和N₂O（一种强效温室气体）[5],[6]。

传统的废水处理技术往往无法满足高氨浓度下的严格去除要求[7]。传统方法（如活性污泥法）主要针对有机物的去除，可能无法有效处理工业废水中的多种氮化合物[8]。因此，迫切需要能够高效去除工业废水中氨氮和其他氮化合物的创新处理技术。近年来，膜曝气生物膜反应器（MABR）作为一种有前景的技术脱颖而出，用于提高废水中的氮去除效率[9],[10]。MABR利用透气膜实现高效氧气传递，促进硝化菌和反硝化菌的生长，从而将氨转化为危害较小的化合物[11]。通过结合生物处理和先进的膜技术，MABR不仅提高了氮化合物的去除效果，还降低了运营成本和能源消耗[12],[13]。

文献综述显示，大多数使用MABR处理含氮废水的研究集中在NH₄⁺-N浓度较低（<100 mg/L）的情况下，主要针对生活或市政废水[11],[13]。然而，也有许多工业废水含有不同水平的NH₄⁺-N，例如造纸业、纺织染料业和半导体行业的废水浓度分别为50–100 mg/L[14]、50–250 mg/L[15]和80–200 mg/L[16]。肥料行业（500–2000 mg/L）、钢铁行业（尤其是焦炭制造，300–1000 mg/L）、石化行业（100–800 mg/L）、渔业（400–600 mg/L）[17]、畜牧业（动物废水，200–1000 mg/L）[18]以及垃圾填埋场渗滤液（500–3000 mg/L）[19]的NH₄⁺-N浓度更高。使用MABR处理这类高氨氮废水面临诸多挑战，包括有效传递氧气以满足高浓度氨废水处理所需的氧气需求[20]。高浓度的氨氮（>300–500 mg/L NH₄⁺-N）会抑制MABR等生物膜系统中的硝化菌，因为硝酸盐积累和游离氨比例增加，导致生物活性降低和氨去除效率下降[21]。这可能导致硝化或反硝化不完全，进一步降低总氮去除效率[22]。

为克服高氨氮废水处理中的这些挑战，提出了一种新型的四阶段序贯厌氧-好氧生物系统（A²O²），该系统结合了MABR和MBR技术。这种技术整合旨在优化氨氧化、氮去除和系统整体性能。膜生物反应器（MBR）以其高效的固液分离能力而著称，特别适用于工业应用[9],[22]。在第四个反应器中加入MBR替代了传统的固液分离方式（如沉淀），既减少了占地面积，又通过超滤提供了高质量出水[23]。本研究旨在评估MABR-MBR集成A²/O²系统在模拟工业废水处理中的性能，并通过分析不同实验条件下的微生物群落来了解NH₄⁺-N去除机制。

实验设置和操作条件

实验装置为一个四阶段的A²/O²生物反应器系统，总容积为42升，由有机玻璃制成（图1）。系统包含两个厌氧区（第一和第三区）和两个好氧区（第二和第四区），通过交替的氧化还原条件实现氮去除。第一个厌氧区装有透气膜模块（MABR），通过空气供应泵以1升/小时的流速向生物膜供氧

低氨氮浓度（160 mg/L）

未使用MABR的对照反应器在氨氮浓度为160 mg/L的废水处理条件下，初始氨去除效率为65.7%，前10天内波动在50.9%至65.7%之间（图2a）。此后去除效率稳定在73.5%±3.2%，持续运行结束时提高到75%以上。总氮（TN）的去除率最初较高（约60%），但随后稳定在约40%。出水中的NH₄⁺-N浓度范围为27.5至

讨论

本研究评估了四阶段A²/O²生物反应器系统在交替厌氧和好氧条件下的氨氮去除性能，并比较了未使用MABR的对照反应器和使用MABR的实验反应器在两种氨氮浓度（160 mg/L和650 mg/L）下的表现。结果表明，两种系统在氨氮、总氮（TN）、总有机碳（TOC）和总磷（TP）去除效率方面存在显著差异。

结论

集成MABR-MBR的A²/O²反应器代表了废水处理厂的可行升级方案，相比传统多级系统具有更高的NH₄⁺-N/TN去除率和更紧凑的占地面积。MABR基系统在氨氮去除方面明显优于对照反应器，尤其是在160 mg/L浓度下，这得益于其高效的氧气传递和出色的生物量保留能力。在650 mg/L浓度下，A²/O²反应器仍能保持高氨去除效率；然而，在

CRediT作者贡献声明

阿林丹·辛哈罗伊（Arindam Sinharoy）：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。崔敏钟（Chong Min Chung）：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹集、概念构思。

资助

本研究得到了韩国中小企业及创业部（MSS）资助的技术发展计划（RS-2025-02315995）以及顺天乡大学研究基金的支持。此外，还获得了韩国基础科学研究院（国家研究设施与设备中心）通过教育部资助的项目（RS-2025-02317725）的额外支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。