用于处理低C/N比废水的浸没式MABR-EGSB耦合反应器的氮去除性能

《Journal of Water Process Engineering》：Nitrogen removal performance of a submerged MABR-EGSB coupled reactor treating low C/N ratio wastewater

　　

张丽媛|刘波|董明岐|秦哲|赵春霞|卢达

河北大学生态环境学院，保定，071000，中国

摘要

为克服低碳氮比（C/N）废水处理过程中膜曝气生物膜反应器（MABR）在碳源利用和物质传递方面的局限性，构建了一个结合膨胀颗粒污泥床（EGSB）和MABR的集成系统。本研究探讨了在不同C/N比（1、2.5、3.5和5）下MABR-EGSB系统的反硝化性能及其背后的微生物机制。当C/N比为3.5时，系统表现出最佳性能，总氮去除效率（TNRE）达到80.47%，氨氮去除率（ANR）达到85.70%，使出水中的总氮含量降至10.52 mg/L。这归因于同步硝化和反硝化（SND）的协同作用。机制分析表明，最优C/N比增强了胞外聚合物物质（EPS）的特性，较高的蛋白质与多糖（PN/PS）比值与污泥稳定性的提高相关。同时，特定氨氧化速率（SAOR）和特定反硝化速率（SDNR）分别达到53.36 mg N/(g VSS·h)，表明硝化菌和反硝化菌之间存在平衡的协同作用。微生物群落分析显示，Pseudomonadota在两种反应器中均占主导地位（相对丰度>50%），MABR生物膜中的功能分层支持了SND的发展。本研究表明，耦合的MABR-EGSB系统通过碳氮共代谢实现了高效的氮去除，为低C/N比废水的处理提供了一种可行且节能的策略。

引言

膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种先进的废水处理技术，它将透气膜与附着的生物膜系统相结合[1]。MABR具有极高的氧气传递效率，在几乎无气泡损失的情况下实现近完全的氧气利用[2]。与传统的好氧工艺相比，其曝气能耗可降低50%至70%[3]、[4]。在生物膜内部形成了一个对流浓度梯度，在该梯度中，氧气和底物（如NH?⁺和COD）从相反方向扩散[5]、[6]。这种分层促进了多种功能微生物群落的共存，从而在单一生物膜层内实现了同步硝化和反硝化（SND）[7]。

然而，在以往的研究中，MABR系统通常需要超过5的C/N比才能实现完全的氮去除，从而增加了运营成本[8]、[9]。此外，MABR的总氮去除率（TNRE）受到物质传递限制[10]、[11]、[12]。M. Castrillo等人的一项研究改进了MABR与主体液体之间的物质传递效率，使体积硝化速率（VNR）达到了575.84 g NH?⁺-N m^?3 d^?1，与现有工艺相当[11]。为了克服MABR的物质传递瓶颈，本研究引入了厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器作为辅助处理单元。

MABR经常与厌氧反应器串联使用，以提高TNRE并降低废水中的悬浮固体浓度。然而，这种配置会导致占地面积相对较大[13]。因此，迫切需要开发一种兼具高效性和紧凑性的新型耦合工艺。作为第三代厌氧反应器，EGSB保持颗粒污泥床处于膨胀和流化状态，通过高上升流速度增强物质传递并降解复杂有机物[14]。在严格的厌氧条件下，EGSB微生物群将有机物代谢为甲烷、二氧化碳和短链脂肪酸（SCFAs）等最终产物[15]。浸没式EGSB-MABR系统具有两个核心优势：首先，进入MABR的有机负荷减少，减轻了异养细菌与硝化菌之间的氧气竞争，确保了硝化过程的稳定运行；其次，EGSB产生的水力剪切力对MABR生物膜表面有冲刷作用，促进生物膜更新，控制生物膜厚度，并提高氧气传递效率，从而显著改善了系统在低C/N比条件下的氮去除性能[16]。

目前，关于耦合MABR-EGSB系统协同反硝化机制的系统研究仍较少。因此，本研究旨在探讨不同C/N比（1、2.5、3.5和5）下MABR-EGSB系统的反硝化性能及其背后的微生物机制（见图S1）。具体目标包括：（1）评估不同C/N条件下的氮转化和去除效率；（2）分析胞外聚合物物质（EPS）的动态变化以及关键微生物群落对C/N比变化的响应；（3）阐明EGSB和MABR单元之间的碳氮共代谢和微生物协同机制。

部分摘要

实验装置

一个EGSB反应器与浸没式MABR耦合，通过蠕动泵维持反应器之间的外部循环，以确保颗粒污泥与底物充分接触。反应器装置图示见图1。MABR的曝气压力设定为11 kPa。通过调节蠕动泵的流量来控制EGSB中的上升流速度，保持在2.4 m/h。详细设备尺寸和操作参数见...

C/N比对系统氮去除性能的影响

在启动SND过程之前，将MABR的中空纤维膜浸入反应器中，以确保与活性污泥充分接触。连续曝气三周以促进生物膜快速形成。膜适应后，NH?⁺-N、NO?^?-N和NO?^?-N的平均出水浓度分别为4.67 mg/L、0.22 mg/L和9.04 mg/L，氨氮去除率（ANR）和TNRE为92.24%...

结论

系统地研究了新型MABR-EGSB系统的协同氮去除性能及其背后的机制。主要结果如下：

• (1)
  C/N比对系统性能具有决定性影响。当C/N比为3.5时，系统达到最佳ANR和TNRE。当C/N比为1时，碳源限制了反硝化作用；当C/N比为5时，异养细菌过度繁殖，严重抑制了硝化作用

优势与局限性

本研究构建的集成MABR-EGSB系统在处理低C/N比废水方面展示了显著的技术优势，并阐明了其背后的微生物协同机制。然而，也发现了一些局限性。明确了解这些优缺点对于指导未来研究方向至关重要。

CRediT作者贡献声明

张丽媛：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，数据分析，概念构思。刘波：验证，数据分析，数据分析。董明岐：项目管理，资源协调。秦哲：项目管理，方法论设计。赵春霞：方法论设计，资金筹集，概念构思。卢达：撰写——审稿与编辑，指导，资源协调，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。