《Journal of Cleaner Production》：Can membrane aerated biofilm reactor (MABR) realize more efficient simultaneous partial nitrification and denitrification than conventional biofilm under low COD/N?
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采用氧亲和性PP-PDMS膜构建的膜曝气生物膜反应器（MABR）在低COD/N（2-4）条件下实现了稳定同步部分硝化与反硝化（SPND），TN去除率达73.8%-79.8%，优于传统共扩散生物膜。低曝气压力（0.6 kPa）抑制了NOB活性，但膜界面高氧渗透导致碳源浪费和硝酸盐积累，存在理论值与实际应用的差距。
颜子轩|韩旭森|何海阳|林玉清|金燕|姜伟|张涵|宋行福
生态环境部化学过程环境风险评估与控制重点实验室，华东科技大学，梅龙路130号，上海，200237，中国
摘要
同步硝化反硝化（SND）是一种高效的氮去除工艺，但由于碳源浪费和微生物竞争，在传统共扩散生物膜中，其在低COD/N废水中的应用受到限制。膜曝气生物膜反应器（MABR）理论上可以通过采用逆扩散生物膜来分离氧气和碳源，从而实现更高效的SND。然而，先前的研究中的SND效率并不令人满意，可能是因为过度曝气和未受控制的亚硝酸盐氧化菌（NOB）生长增加了对碳源的需求。在本研究中，使用具有氧亲和性的PP-PDMS膜的三个MABR在极低的曝气压力（0.6 kPa）下运行，以在高浓度氮废水（200 mg/L NH4+-N）和低COD/N条件下启动SND（R1：2；R2：3；R3：4）。R2和R3中建立了稳定的同步部分硝化反硝化（SPND），TN去除率分别达到73.8%和79.8%，高于传统共扩散生物膜的效果。一旦SPND建立，增加COD/N并未显著提高氮去除率。微生物分析表明，氨氧化菌（AOB）和古菌（AOA）都对硝化过程有贡献，而NOB并未被完全抑制。荧光原位杂交（FISH）和传质计算显示，碳源通过增加氧气浓度梯度抑制了NOB并促进了氧气传递。然而，由于膜-生物膜界面不可避免的高氧气浓度，仍然存在硝酸盐积累和COD浪费的问题，导致MABR与单一反硝化过程之间存在差距。总体而言，逆扩散生物膜在TN去除方面优于共扩散生物膜，但完全实现SPND仍然具有挑战性。
引言
传统的活性污泥系统对于处理高浓度氨氮（NH4+-N>100 mg/L）和低碳氮比（COD/N，范围为2至5）的废水效果不佳，例如煤气化废水（Shi等人，2022年）、纺织废水（Sarayu和Sandhya，2012年）以及反渗透浓缩液（Wang等人，2016年）。这一限制主要是由于好氧区域中的碳源浪费以及污泥回流导致的微生物生态不理想，从而需要外部碳源来促进彻底的反硝化。同步硝化反硝化（SND）被认为是一种更有效的一步氮去除方法，因为它减少了结构复杂性，消除了内部循环，降低了氧气需求，并且具有多样的微生物群落（Yan等人，2025年）。通常使用具有分层结构的微生物聚集体（如生物膜和好氧颗粒污泥）来实现SND，因为它们可以同时提供好氧和缺氧环境（Yan等人，2024年）。然而，SND在处理低COD/N废水（COD/N < 4）时的总氮（TN）去除效率较低（32.2%-72.5%）（Chao等人，2020年；James和Vijayanandan，2023年；Jia等人，2020年；Phanwilai等人，2020年）。这一瓶颈主要归因于传统生物膜的结构。氧气和碳源从液体向生物膜的共扩散通常会导致外层（靠近液相）异养细菌的失控生长，这限制了内层（靠近载体）自养硝化细菌的生长，并减少了反硝化细菌可用的碳源。此外，气泡曝气产生的高氧气浓度通常会促进亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长和完全硝化，从而增加了对碳源的需求。相比之下，膜曝气生物膜反应器（MABR）通过其逆扩散生物膜结构理论上可以克服这些瓶颈（Zhang等人，2025年）。
在MABR系统中，气体渗透膜同时作为生物膜载体和氧气传递介质。这种配置使氧气从膜扩散到生物膜中，而营养物质从液体扩散到生物膜中，从而形成用于硝化的好氧内层和用于反硝化的缺氧外层（Chen等人，2020年；Wei等人，2012年）。与传统共扩散生物膜不同，MABR中的逆扩散生物膜将碳源导向缺氧外层，有利于缺氧反硝化的充分利用（Wang等人，2025年）。同时，逆扩散生物膜消除了好氧异养细菌和内层硝化细菌之间的竞争（James和Vijayanandan，2023年）。由于氧气通过膜附着在生物膜上的分子扩散进行，因此可以通过曝气压力精确控制氧气扩散，有利于抑制NOB和实现部分硝化。因此，MABR理论上可以高效处理低COD/N废水。
在理想条件下，亚硝酸盐反硝化的最低COD/N比为1.71。由于微生物生长和代谢，实际所需的COD/N比约为3（Lahdhiri等人，2017年；Lou等人，2023年）。因此，如果能够有效建立同步部分硝化反硝化（SPND），MABR理论上可以高效处理低COD/N废水（COD/N = 2-4）。然而，报道的SND-MABR仅在COD/N高于4时成功建立，而在低COD/N废水中的氮去除效果仍然不理想（Landes等人，2021年；Liu等人，2024年；Ravishankar等人，2022年）。具体来说，当COD/N低于5时，TN去除效率仅为36.5%-67.0%（Abdelfattah等人，2024年；Landes等人，2021年；Li等人，2018年；Liu等人，2022年；Sun等人，2023年；Xing等人，2013年）。这与实际单一反硝化（COD/N为3时TN去除率为100%）相比存在显著差距。尽管MABR在理论上具有优势，但其TN去除效率仅略高于传统共扩散生物膜（Wang等人，2018年；Zou等人，2016年）。值得注意的是，这些研究中的碳源几乎被完全消耗，表明MABR中COD的浪费仍然不可避免（Anh-Vu等人，2022年；Lin等人，2015年；Ravishankar等人，2022年；Sun等人，2023年）。造成这一问题的一个关键因素可能是高氧气供应。通常，高氧气供应（>10 kPa）是必要的，以克服膜传质阻力和膜污染（Ji和Zhou，2006年）。此外，它还促进了具有更好分层结构的厚生物膜的形成（Casey等人，2000年）。高氧气供应可以为硝化提供足够的氧气并提高硝化速率，克服氮去除的限速步骤（R. Wang等人，2016年）。然而，在这种高氧气供应下，NOB容易生长并导致硝酸盐积累，从而增加了反硝化的碳源需求。通常，在启动期间，由于膜表面高氧气浓度和碳源浓度，异养细菌容易占据生物膜的内层，导致适应期延长。此外，氧气容易穿透生物膜，破坏低COD/N废水的缺氧区，因为低碳源浓度限制了生物膜的厚度。实际上，氧气供应与膜材料密切相关。随着氧亲和性膜的发展，MABR中基于部分硝化的NOB抑制已经采用了有限的氧气供应（Wang等人，2023年；Yan等人，2025年）。这是因为这些膜能够在表面保持高氧气浓度，从而减少了额外曝气的需求。然而，很少有研究在低曝气压力下成功运行基于MABR的SND，且限制高效MABR基SPND的固有机制尚未明确。
在我们之前的研究中，成功实现了MABR中的部分硝化，并发现极低的曝气压力（0.6 kPa）适合该系统（Yan等人，2025年）。因此，在本研究中，三个MABR在0.6 kPa下运行以建立基于MABR的SPND。同时，根据反硝化的理论COD需求（COD/NO3?-N和COD/NO2?-N分别为2.86和1.71）以及NO2?-N的单一反硝化实际COD/N（3.0）（Lou等人，2023年），分别在COD/N为2、3和4的条件下设置了三个MABR。本研究的主要目标是：（1）利用具有氧亲和性的PP-PDMS膜，在MABR中建立高效SPND，以处理高浓度氨氮废水（NH4+-N = 200 mg/L）；（2）研究COD/N对SPND效率和TN去除效率的影响，并提出优于传统共扩散生物膜的MABR的最佳操作参数；（3）确保低COD/N废水处理的逆扩散生物膜的最大氮去除效率，并确定其与理论单一反硝化值的差距；（4）通过研究MABR基SPND生物膜中的生物膜结构、微生物群落、细菌分布和氧气传递来分析氮去除机制。本研究为MABR基SPND过程提供了新的见解和实际指导。
反应器设置和合成废水
MABR的示意图如图S1所示（Yan等人，2025年）。使用厚度为10 μm的聚丙烯（PP）微孔膜作为曝气膜。在PP膜表面涂覆了一层1 μm厚的致密聚二甲基硅氧烷（PDMS）层，以防止膜堵塞。连续空气流量为2.2 L/min，以实现低曝气压力（0.6 kPa）。空气出口连接到大气中。
COD对MABR SPND的影响
图1显示了MABR在不同COD/N比下的NH4?-N去除、TN去除和SPND性能。
在启动期（第0-20天），微生物逐渐在膜上积累，形成生物膜。在前5天，接种的活性污泥无法适应高氨浓度和低COD/N，导致氨去除效率下降（图1A和B）。在接下来的15天（第6-20天），生物膜逐渐
结论
本研究在相对较低的曝气压力（0.6 kPa）下，成功建立了用于高浓度氮废水（COD/N为3）的基于MABR的SPND。COD不足（COD/N = 2）导致MABR系统不稳定，氮去除效果较差。当COD/N达到3时，氨氮和TN去除效率分别达到约91.7%和约73.8%，而当COD/N为4时，这些效率略微降至约87.2%和约79.8%。因此，一旦硝化过程稳定
CRediT作者贡献声明
颜子轩：撰写——初稿、可视化、软件、方法学、数据分析、概念化。韩旭森：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据分析、概念化。何海阳：数据分析。林玉清：资源管理。金燕：资源管理。姜伟：资源管理。张涵：撰写——审稿与编辑。宋行福：验证
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所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52300085）的资助。
