《Water Research》：Mechanistic drivers of high-rate nitrification and N
2O emission in thin membrane-aerated biofilms: Insights from integrated micro-scale characterization
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硝化膜生物反应器中齿轮膜结构调控生物膜厚度与N?O排放机制研究。通过OCT成像、微传感器分析、FISH和16S rRNA测序发现，68μm生物膜厚度下硝化率达4.45g-N/m2·d，凹面结构促进AOB高密度定植（转录活性79%），N?O排放与硝酸盐浓度（Spearman相关系数0.51）及缺氧区反硝化微环境相关，齿轮膜通过物理锚定减少生物膜脱落。
三浦宏人（Hiroto Miura）、吉古允杰（Yunje Kigo）、寺田昭彦（Akihiko Terada）
东京农工大学应用物理与化学工程系，日本东京小金井中町2-24-16，邮编184-8588
摘要
膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种具有显著节能潜力的技术，其氮氧化物（N?O）排放量较低。然而，即使在最简单的硝化型MABR配置中，最大化硝化性能的生物膜厚度及其影响N?O排放的因素仍不明确。此外，要实现理想的硝化效果，需要通过增强生物膜的形成，在靠近膜的有氧区域保持氨氧化菌（AOB）的存活。为了解决这些研究空白，我们采用了一种综合的微观尺度方法——结合非侵入式光学相干断层扫描（OCT）成像技术、新开发的图像分析流程、微传感器分析、荧光原位杂交（FISH）以及16S rRNA基因扩增子测序——来研究配备齿轮状膜的硝化型MABR。在生物膜厚度为68微米时，达到了接近最大值的硝化速率（4.45克氮/平方米/天；与平均运行速率4.35 ± 0.49克氮/平方米/天相当）。这一性能得益于在齿轮膜凹形区域内密集的AOB定植以及高转录活性（转录互补DNA的丰度约为79%）。N?O排放速率与整体亚硝酸盐浓度之间存在显著正相关（Spearman’s ρ = 0.51，p = 0.0011），同时N?O/O?的微浓度分布表明N?O是通过缺氧区域的反硝化作用产生的，并随后扩散到膜内腔。此外，通过新的图像分析流程定量检测到了生物膜脱落现象；值得注意的是，对硝化过程至关重要的基底层被膜的齿轮结构牢牢固定，从而防止了性能的严重下降。总体而言，本研究表明齿轮结构能够有效维持一层薄而高度活跃的硝化生物膜，并确定亚硝酸盐的反硝化作用是N?O排放的主要驱动因素。
引言
过去二十年来，减少污水处理厂（WWTP）的温室气体（GHG）排放引起了全球越来越多的关注（Maktabifard等人，2018年；Wang等人，2022年；Borzooei等人，2019年）。污水处理厂的GHG排放主要来源于间接产生的二氧化碳（CO?，主要来自曝气过程）以及直接产生的甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）（Rosso等人，2008年；Kampschreur等人，2009年）。根据最新评估，基于能源消耗的CO?、CH?和N?O排放分别占美国污水处理厂总GHG排放量的26%、41%和24%（El Abbadi等人，2025年）。传统活性污泥（CAS）系统中常用的空气扩散器氧转移效率（OTE）仅为10–20%（Metcalf & Eddy等人，2014年），这占能源消耗的45–75%（Rosso等人，2008年）。此外，具有273全球变暖潜能值（GWP-100）的N?O排放也需要在污水处理厂得到减少。欧洲实施了严格的氮素排放标准，例如丹麦要求对规模超过30,000人口处理能力的污水处理厂实施强制性的N?O监测，以实现至少50%的N?O减排（丹麦环境保护局，2025年）。因此，开发能够降低N?O排放的节能型污水处理技术迫在眉睫。
膜曝气生物膜反应器（MABR）作为一种低碳技术受到了关注。MABR采用无气泡曝气方式，空气通过中空纤维或平板膜腔供给，氧气扩散到膜外壁的生物膜上（Martin和Nerenberg，2012年）。与CAS相比，MABR的曝气能耗可降低86%（Aybar等人，2014年），这归因于其较高的氧转移效率（OTE，取决于运行模式，范围为25–100%）和较低的空气压力要求（20–40千帕（kPa）（He等人，2021年；Perez-Calleja等人，2017年；Syron等人，2015年）。
与氧气从膜表面向生物膜内部的扩散不同，铵离子和有机碳从液体主体向生物膜内部扩散，形成了逆流式的物质扩散几何结构（Li等人，2023年）。这种逆扩散结构使得硝化菌（如氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）能够在膜表面附近占主导地位，而异养反硝化菌则在外层缺氧区域生长（Kinh等人，2017a）。这种分层条件促进了同时硝化和反硝化（SND）的过程，从而有可能减少N?O排放（Kinh等人，2017b）。然而，铵离子负荷、亚硝酸盐浓度和COD/N比值的波动会增加N?O排放（Uri-Carre?o等人，2024年；Ni和Yuan，2013年；Nemeth和Casey，2025年），因此需要明确MABR系统中N?O的产生和消耗机制，以实现N?O的有效减少。
生物膜的物理性质，特别是厚度，是决定MABR氮去除性能的关键因素（Terada等人，2007年；Lu等人，2021年）。过薄的生物膜由于氨氧化菌不足而影响氮去除效果；而过厚的生物膜则会限制铵离子向膜表面附近的生物膜内部扩散，从而阻碍硝化过程（He等人，2021年；Yang等人，2022年）。尽管维持最佳生物膜厚度至关重要，但尚不清楚哪种厚度能够最大化MABR的硝化或SND性能。鉴于AOB通常分布在距离膜表面几百微米的范围内（Terada等人，2010年；Clements等人，2024年），我们推测有利于硝化的生物膜厚度可能低至约100微米。这种薄的生物膜容易发生脱落——大规模的生物膜脱落事件可能导致硝化过程不稳定（Xavier等人，2005年）。为降低这一风险，需要对膜表面进行物理或化学改性以促进生物膜的稳健生长。由于生物膜的稳健性受到表面异质性和厚度的影响（Picioreanu等人，2001年），因此需要针对膜结合的生物膜开发先进的图像分析技术，以全面量化其形态。
因此，本研究聚焦于一种配备特殊齿轮状透气膜的硝化型MABR——即MABR系统的基本配置。具体目标包括：（i）确定最大化硝化性能的最佳生物膜厚度；（ii）阐明N?O排放的机制驱动因素；（iii）评估生物膜形态的微观变化对反应器性能的影响。为此，我们采用了一种综合的微观尺度分析框架，结合了微传感器分析、微生物群落分析以及通过光学相干断层扫描（OCT）进行的非侵入式生物膜形态表征，并结合了新的图像处理流程。这种方法为齿轮状膜上生物膜的结构-功能关系提供了新的详细见解。
反应器配置与操作
实验室规模的MABR配置参考了Aybar等人（2019年）的研究，如图1所示。该反应器体积为38立方厘米，配备了四到五层水平排列的透气膜，具体表面积分别为42.3平方米/立方厘米和32.2平方米/立方厘米，顶部盖子上有六个用于观察生物膜和微传感器应用的测量端口。膜由非多孔聚乙烯制成，表面具有六个50微米高的凹槽，旨在稳定生物膜结构。
反应器性能
图2显示了第5天至第126天内硝化速率和生物膜厚度的时间变化情况。硝化速率与NH??负荷率以及整个运行期间生物膜厚度的关系分别见图S2和S3。生物膜厚度总体上有所增加，第25天、第126天和第168天时分别达到了68微米、175微米和212微米。另一方面，硝化速率在第25天时增加到4.45克氮/平方米/天，之后保持稳定。
高硝化性能和氮去除效率的机制
诸如生物膜厚度等物理性质以及生长在透气膜上的生物膜内部的化学成分被认为是影响微生物活性和MABR性能（包括氮去除和N?O排放）的关键因素（Sabba等人，2018年；Nerenberg，2016年）。然而，关于生物膜生长的时间延迟分析和详细物理特性的研究仍较为有限。为了解开这些长期存在的谜题，本研究进行了深入研究。
结论
本研究建立了一个综合的微观尺度框架，用于全面表征硝化型MABR。通过结合非侵入式原位技术（OCT观察和微传感器分析）与FISH可视化及16S rRNA基因扩增子测序，该方法实现了对生物膜性质的多维评估。这一框架为新型齿轮状膜上生物膜的结构-功能-稳定性关系提供了独特的见解。
未引用参考文献
Lakshminarasimman等人，2025a；Miura等人，2024
CRediT作者贡献声明
三浦宏人（Hiroto Miura）：负责撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。吉古允杰（Yunje Kigo）：负责撰写、审稿与编辑、资源协调、方法论设计、实验研究。寺田昭彦（Akihiko Terada）：负责撰写、审稿与编辑、验证、项目监督、资源管理、资金获取、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们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。
致谢
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）的支持（项目编号25KJ1212和23K28255）。
