常规活性污泥+超滤与动态膜生物反应器(EBSF-DMBR)：综合对比研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Conventional Activated Sludge with Ultrafiltration vs Dynamic Membrane Bioreactor: a comprehensive comparison

　　

本研究对处理生活污水的两条整合固定生物膜活性污泥(Integrated Fixed-Film Activated Sludge, IFAS)工艺路线进行了综合对比。线路1(Line 1)由带二沉池和超滤(Ultrafiltration, UF)的IFAS组成；线路2(Line 2)则采用创新型膜生物反应器——封装生物膜自成型动态膜生物反应器(Encapsulated Biofilm Self-Forming Dynamic Membrane Bioreactor, EBSF-DMBR)，其膜依靠滤饼层(cake layer)和生物膜层克服传统膜的污染问题。对比基于碳、氮、磷去除率，一氧化二氮(Nitrous Oxide, N2O)排放，膜污染行为，碳足迹(Carbon Footprint)及回用水质，并进行呼吸测量评估动力学。含EBSF-DMBR的Line 2总氮(Total Nitrogen, TN)去除率(90±6%)显著高于Line 1(66±18%)，归因于增强的硝化(95±7%)和反硝化(82±10%)，系EBSF-DMBR内封装生物膜层在稳定微缺氧条件下促进同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND)所致。此外，尽管因封装生物膜层导致较高膜阻力，Line 2表现出更低N2O排放(0.25±0.10%)及更低污染速率(0.004±0.002 bar·day-1)。EBSF-DMBR碳足迹(1.7 kg CO2eq·m-3)低于Line 1(2.6 kg CO2eq·m-3)，间接排放为主要来源。本研究首次报道动态膜生物反应器N2O排放数据，及IFAS-EBSF-DMBR中试处理真实废水应用，彰显其作为低能耗、低排放、抗污染的传统膜生物反应器替代方案的潜力。

论文解读：常规活性污泥耦合超滤与封装生物膜自成型动态膜生物反应器(EBSF-DMBR)处理城市污水的中试对比研究

Mineo Antonio、Soylu Dilsad等人于《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，针对传统膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)因膜污染导致的高运行成本问题，以及现有自成型动态膜生物反应器(Self-Forming Dynamic Membrane Bioreactor, SF-DMBR)技术的优化需求，开展平行中试对比实验。研究以整合固定生物膜活性污泥(Integrated Fixed-Film Activated Sludge, IFAS)系统为基础，对比传统IFAS—二沉池—超滤(Ultrafiltration, UF)工艺（Line 1）与新型IFAS耦合封装生物膜自成型动态膜生物反应器(Encapsulated Biofilm Self-Forming Dynamic Membrane Bioreactor, EBSF-DMBR)工艺（Line 2）在处理真实城市污水时的污染物去除效能、N₂O排放特征、碳足迹(Carbon Footprint, CF)及膜污染行为。结果表明EBSF-DMBR凭借内部封装生物膜形成的微缺氧区强化了同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND)，在脱氮、降低温室气体排放、减缓膜污染及减小碳足迹方面均优于传统IFAS-UF系统，为低能耗低排放污水处理提供新方向。

研究人员采用平行中试装置同期处理取自意大利巴勒莫大学水资源回收设施进水的同种真实城市生活污水。两线各设有效容积225 L的IFAS好氧生物反应器（投加填充密度89 m²·m^-3的K3悬浮填料），水力停留时间(Hydraulic Retention Time, HRT)均为20±2 h，食微比(Food to Microorganism ratio, F/M)约0.24 kg BOD·(kg TSS·day)^-1，混合液总悬浮固体(Total Suspended Solids, TSS)分别约3.5±1.2 g·L^-1（Line 1，污泥龄Solids Retention Time, SRT=16 d）与3.6±1.8 g·L^-1（Line 2，SRT=25 d）。Line 1固液分离采用46 L二沉池及1.4 m²中空纤维UF膜（孔径0.03 μm，通量11 L·m^-2·h^-1，9 min过滤/1 min反洗）；Line 2采用48 L EBSF-DMBR模块（0.5 m²，双面32 μm粗网与300 μm PVC支撑网对称夹合封装生物膜，通量30 L·m^-2·h^-1，4 min过滤/1 min反洗）。达到3倍SRT拟稳态后开展为期数周监测：常规水质指标按标准方法检测；N₂O气样与溶解态样品经顶空平衡后用气相色谱电子捕获检测器测定；呼吸测量采用间歇批次法测定异养与自养菌最大比生长速率(μ_H、μ_A)、衰减系数(b_H、b_A)及产率系数(Y_H、Y_A)；碳足迹核算仅计入运行期直接排放(Direct Emissions, DE)、间接排放(Indirect Emissions, IE)及衍生排放(Derived Emissions, DerE)；膜污染通过跨膜压差(Transmembrane Pressure, TMP)与总阻力(R_T)按达西定律(Darcy's Law)计算，胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)与溶解性微生物产物(Soluble Microbial Products, SMP)分别用苯酚—硫酸法与Lowry法测定蛋白及多糖组分。

3.1. 污染物去除及对欧盟法规的符合性

碳去除方面，两线总化学需氧量(Total Chemical Oxygen Demand, TCOD)去除均>96%，可溶性化学需氧量(Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD)去除Line 2(91±9%)高于Line 1(83±10%)，后者靠较高生物降解(61±19% vs 49±22%)，前者靠动态膜更强截留(膜贡献42±17% vs 22±17%)弥补。铵(NH₄⁺-N)主要靠生物硝化去除，Line 2平均去除97±5%（生物段91±10%），高于Line 1的77±19%（生物段70±22%）。总氮(Total Nitrogen, TN)去除Line 2达90±6%（硝化95±7%、反硝化82±10%），显著优于Line 1的66±18%（硝化77±17%、反硝化52±36%），EBSF-DMBR膜组件贡献约33%反硝化，证实封装生物膜内形成微厌氧区促进反硝化。磷酸盐(PO₄^3--P)去除两线相近(58±21% vs 62±24%)，因无强化生物除磷(Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR)单元而波动大。出水按欧盟指令EU 2024/3019评估，两线COD、五日生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand over 5 days, BOD₅)、TSS达标，Line 1 TN均值~20 mg·L^-1未达10/8 mg·L^-1限值，Line 2 TN均值~6 mg·L^-1持续达标；TP均常超标。按再生水法规(EU 2020/741)，两线浊度(<5 FNU)与TSS(<10 mg·L^-1)达Class A，BOD₅Line 2多达标、Line 1早期偶有超标，大肠埃希氏菌(Escherichia coli, E. coli) Line 1较稳定达Class A(≤10 CFU/100 mL)，Line 2多数时段略高于阈值。

3.2. 氮平衡与N₂O排放

氮平衡显示Line 1脱氮以反硝化占36±22%，残留NH₄⁺-N 25±22%、NO₃^--N 13±10%，N₂O产率0.37±0.13%；Line 2反硝化占64±6%，残留NH₄⁺-N仅2.6±3.7%、NO₃^--N 7±6%，无NO₂^--N积累，N₂O产率降至0.25±0.10%。气态N₂O在UF单元(0.102±0.018 mg N₂O-N·L^-1)高于EBSF-DMBR单元(0.067±0.013 mg N₂O-N·L^-1)，渗透液溶解N₂O接近(Line 1: 0.106±0.011；Line 2: 0.110±0.010 mg N₂O-N·L^-1)。N₂O排放因子EF_N2OUF单元占Line 1主导(0.131±0.005%)，EBSF-DMBR单元为Line 2最高(0.23±0.14%)，但总体低于传统活性污泥与MBR文献值，IFAS生物膜有助于抑制N₂O生成。

3.3. 呼吸测量分析

悬浮相异养菌Line 1具高μ_H(3.25 d^-1)、高b_H(1.20 d^-1)、净生长+2.05 d^-1、Y_H0.35 g VSS·(g COD)^-1、硝化速率3.14 mg NH₄⁺-N·(L·h)^-1，表明悬浮相活跃；Line 2悬浮异养菌μ_H仅0.92 d^-1、b_H0.81 d^-1、净增长≈0.11 d^-1、Y_H升至0.55 g VSS·(g COD)^-1，自养硝化速率降至0.97 mg NH₄⁺-N·(L·h)^-1，说明大部分基质被载体及EBSF-DMBR内生物膜截获，硝化主要发生在附着相，悬浮污泥较稳定。

3.4. 碳足迹

Line 1单位水量碳足迹2.73 kg CO₂eq·m^-3（间接79%、直接18%、衍生3%），Line 2为1.70 kg CO₂eq·m^-3（间接66%、直接21%、衍生13%），均以曝气与泵送电耗引发的间接排放为主，EBSF-DMBR系统环境表现更优。

3.5. 膜污染性能

UF污染速率0.09±0.04 bar·day^-1，总阻力1.855×10¹³m^-1；EBSF-DMBR污染速率仅0.004±0.002 bar·day^-1，但因动态滤饼层作过滤介质致总阻力偏高(6.19×10¹³m^-1)。EBSF-DMBR混合液中溶解性微生物产物(SMP_P36±28、SMP_C22±12 mg·g^-1VSS)与胞外聚合物(EPS_P145±69、EPS_C12±8 mg·g^-1VSS)水平较文献传统MBR之EPS偏低但SMP相当或偏高，归因于真实污水复杂基质及封装生物膜微梯度刺激分泌。

讨论与结论总结

研究人员得出结论：IFAS-EBSF-DMBR(Line 2)凭借封装生物膜层促进同步硝化反硝化，TN去除率(90±6%)显著高于IFAS-UF(Line 1, 66±18%)，可稳定满足EU 2024/3019严控TN限值(8–10 mg·L^-1)，两线COD/BOD₅/TSS及EU 2020/741回用浊度/TSS要求均达标，但均需增补除磷单元；EBSF-DMBR N₂O排放因子较低，运行碳足迹(1.7 kg CO₂eq·m^-3)较IFAS-UF(2.6 kg CO₂eq·m^-3)降低约34%；污染速率仅为传统UF的1/20左右，抗污染性能优良。此为首次报道动态膜生物反应器N₂O排放及IFAS-EBSF-DMBR中试真实污水应用，证明EBSF-DMBR是传统膜系统低能耗、低排放、抗污染的有前景替代方案，后续需在统一工况下开展长期研究与全寿命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)。