用于高效去除主流自养氮的、以硫为营养源的试点规模振动膜生物反应器

《Bioresource Technology》：Pilot-scale sulfur-fed vibrating membrane bioreactor for efficient mainstream autotrophic nitrogen removal

硫自养反硝化耦合振动膜生物反应器（S-VMBR）处理低碳氮污水，通过间歇循环回流、高污泥浓度及长水力停留时间实现低能耗高效脱氮，最大氮去除率达0.32 kg N·m?3·d?1，膜污染有效控制。硫利用过程中生物腐蚀孔和硫附着的生物膜占主导（62.9%），长期运行导致菌群分化，硫附膜菌群以自养反硝化为主，悬浮污泥菌群支持异养反硝化，二者协同增效。

　　

郑周|田晓宇|王燕|张莉|陈宇|钟慧云|王炳铮|李吉

中国江南大学环境与生态学院厌氧生物技术江苏省重点实验室，无锡214122

摘要

硫自养反硝化（SADN）结合膜截留技术对于低碳氮（C/N）水处理具有很大潜力。然而，缺氧条件下膜污染控制及硫粉沉积的限制因素阻碍了该技术的规模化应用。本研究开发了一种中试规模的硫供料振动膜生物反应器（S-VMBR）。间歇式循环、提高污泥浓度以及延长水力停留时间（HRT）有效提升了反硝化效果，同时降低了能耗。最大氮去除率达到0.32 kg N m^?3 d^?1，但受到膜通量的限制。通过生物腐蚀孔隙和生物膜附着现象证实了硫的利用，其中Thiobacillus和Sulfurimonas的丰度增加了62.9%。长期运行导致了微生物群落的分化：硫生物膜以自养反硝化为主，同时存在混合营养策略；污泥群落则支持硫的跨营养级利用。这种组合表现出了稳定的处理效果，揭示了自养与异养微生物群落的共存机制。

引言

氮是生物生长、农业生产及工业制造的重要元素。然而，密集的日常生活、农业和工业活动显著增加了废水中的氮负荷（Munasinghe-Arachchige和Nirmalakhandan，2020）。生物氮去除（BNR）工艺已在污水处理厂（WWTPs）中得到广泛应用，以降低环境风险。传统BNR工艺基于自养硝化和异养反硝化（HD），但处理效果受进水碳氮比（C/N）的限制。日益严格的出水标准要求添加外部有机碳，延长处理时间（Gao等人，2025），从而导致运营成本和碳足迹增加（Song等人，2025）。随着碳中和成为全球共识，自养反硝化技术的发展和应用变得尤为重要（McCarty，2018）。

基于硫的自养反硝化（SADN）成为处理低碳氮废水的可行方法（Xu等人，2025）。与异养反硝化相比，SADN对外部有机碳的需求较低，产生的污泥量少（0.15–0.57 g VSS/g N），且氮氧化物（N₂O）排放量低（0.01%–0.8%）（Wang等人，2025；Zhang等人，2025）。元素硫是一种无毒且易于获取的电子供体，在常温下化学性质稳定（Soares，2002）。但其低溶解度（25°C时约5 μg/L）限制了其生物利用效率，微生物需在硫表面定殖，固液传质过程成为瓶颈（Koenig和Liu，2001）。此外，自养反硝化菌的生长速率较慢（0.04–0.27 h^?1）（Bao等人，2023），这也影响了SADN的性能。因此，SADN的成功依赖于足够的比表面积和有效的生物量截留。

填充床反应器（PBRs）因操作简便和良好的氮去除效果而广泛应用。但大颗粒硫（3–5 mm）会减少暴露的表面积，通常通过增大颗粒尺寸来降低流动阻力。然而，过度生长的生物膜会导致堵塞、气体滞留和通道效应，从而降低硫的利用效率（Wang等人，2021；Xu等人，2024）。因此，PBRs占地面积大且初始投资高。此外，在低硝酸盐负荷和高温条件下，电子供体供应的灵活性有限，可能促进硫化物积累，带来安全隐患（Sun等人，2024）。硫粉的流化可增加固液界面面积，降低外部传质阻力，使生物膜保持薄而活跃的状态（Xu等人，2024b）。流化操作还能提高硫粉的容积负荷率（Gu等人，2024）。当与膜生物反应器（MBRs）结合使用时，可有效保留功能生物量并减少硫粉流失，从而提升处理效率和出水质量。

实验室规模的研究证明了SADN-MBRs的可行性（Sahinkaya等人，2015）。然而，据我们所知，中试和实际应用案例尚缺乏，这凸显了以下科学和工程问题的研究空白：（i）膜污染是技术规模化的主要瓶颈。现有研究表明，硫自养细菌产生的硫粉和代谢物会加剧膜污染（Kim等人，2023；Siddiqui等人，2023）；但比较通常仅限于未采用污染控制措施的缺氧MBR与采用空气冲刷的有氧MBR（Kim等人，2023）；（ii）元素硫密度高（约2.1 g/cm³）且具有疏水性，给大规模流化带来困难；硫粉沉积会降低固液传质效率。虽然实验室规模下可通过机械搅拌实现均匀悬浮（Ucar等人，2020），但流化机制及其在大规模应用中的效果尚不明确；（iii）在复杂操作条件下，影响启动和稳定运行的关键因素尚不清楚；不同研究对污泥浓度的影响结果不一（Demir等人，2022；Gao等人，2025）；（iv）长期连续投硫的影响尚不明确，尤其是在复杂的中试条件下。需要验证SADN在长期运行中是否仍占主导地位，以及是否不会引发副反应；此外，持续投硫对悬浮污泥和硫附生生物膜中微生物群落演替的影响也需进一步研究。

近年来，振动膜生物反应器（VMBRs）受到广泛关注，通过机械振动代替曝气来减少污染（Wang等人，2021）。振动产生的剪切力可增强传质效果，保持混合相均匀性，并促进功能微生物的代谢活动（Wang等人，2022）。本研究建立了一个中试规模的硫供料VMBR（S-VMBR，处理能力50 m³/d），用于城市废水处理。具体研究目标包括：（i）评估S-VMBR在长期运行中的氮去除性能和稳定性；（ii）利用机器学习和统计方法分析启动和长期运行的关键驱动因素；（iii）明确长期运行过程中悬浮污泥和硫附生生物膜中的微生物群落组成及生物标志物，以及它们在系统中的生态作用；（iv）揭示两种群落之间的代谢差异及氮和硫转化机制。

中试反应器设置与运行

中试实验在中国无锡的一个城市污水处理厂进行。进水从曝气沉淀池下游的均衡池连续取出。在进入S-VMBR之前，原始废水经过化学强化的一级处理和移动床生物膜反应器处理，以降低C/N比（文本S1和图S1）。

S-VMBR由不锈钢制成，处理能力为50 m³/d

中试反应器的运行效果

图1和表S2展示了S-VMBR 300天的运行情况。在第一阶段（Phase I-1），进水中的NO₃^?–N浓度为17.11–26.80 mg/L，平均去除效率仅为14.3%±20.4%。第一阶段结束时，污泥料斗中观察到硫粉大量积累（图S4），这限制了固液接触和传质效果。

结论

本研究证明，中试规模的S-VMBR在长期运行中表现出稳定高效的反硝化性能，最大氮去除率为0.32 kg N m^?3 d^?1，膜污染得到有效控制。只有在污泥浓度过高（>8000 mg/L）和膜通量过大（≥20 LMH）时，污染才会加剧。通过结合机器学习和统计分析，明确了关键运行参数。间歇式循环有效改善了传质效果。

未引用参考文献

Wang等人，2021；Xu等人，2024a；Zhang等人，2025。

CRediT作者贡献声明

郑周：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，方法设计，实验设计，数据分析，概念构建。田晓宇：实验设计，数据管理。王燕：资源调配，方法设计。张莉：资源调配，数据管理。陈宇：实验设计，数据管理。钟慧云：方法设计。王炳铮：撰写 – 审稿与编辑，验证，资金申请，概念构建。李吉：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目统筹。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。