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第一作者：王黎声、张聪聪

通讯作者：黄霞教授

通讯单位：清华大学环境学院

亮点

•载体耦合膜曝气生物膜反应器 (CMABR)具有较高的短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）脱氮速率

•单级CMABR难以同时保持低出水氨氮浓度和稳定的亚硝酸盐氧化菌（NOB）抑制

•通过 CMABR的两级串联运行同时实现了氨氮和总氮的高效去除

•Candidatus_Brocadia 和 Candidatus_Kuenenia 是膜和载体上关键的厌氧氨氧化菌（AnAOB）菌属

研究亮点

短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）技术结合膜曝气生物膜反应器（MABR）因其卓越的能效优势，正逐步成为研究的热点。然而，较低的脱氮速率和难以稳定抑制的亚硝酸盐氧化菌（NOB）仍是其发展的最大挑战。为优化MABR中PN/A工艺的脱氮效果，本研究提出了载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR），即通过增加载体，将传统MABR外层的厌氧氨氧化菌（AnAOB）转移到载体生物膜上，减少生物膜过厚对氨氮传质的影响，进而强化氨氧化菌（AOB）活性并提升脱氮速率（图1为图文摘要）。本研究重点分析了水力停留时间（HRT）对CMABR中脱氮速率和NOB活性的影响机制，最终通过两级CMABR的串联运行，实现了脱氮速率和出水水质的提升。

图1 图文摘要

采用如图2所示的CMABR小试装置，未填充载体时有效体积约0.98 L。膜组件为硅胶与无纺布的复合材料，膜面积比为54 m2/m3。载体选用聚氨酯海绵，填充率为30%。装置采用自配模拟污水作为进水，启动时首先在MABR中实现短程硝化，随后加入附有AnAOB的海绵载体以实现PN/A。

图2 载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR）装置图

图3为单级CMABR在不同HRT下的处理效果。结果表明，CMABR的脱氮速率最高可达200 g-N/(m3·d)。随着HRT的增加，出水氨氮浓度逐渐降低，脱氮速率也有所下降。HRT为6 h时，CMABR的出水氨氮浓度降低到0.73±0.44 mg/L，脱氮速率仍能达到158 g-N/(m3·d)。这证实了CMABR在低氨氮浓度下仍能维持较高的脱氮速率。

图3 HRT对CMABR脱氮速率和出水水质的影响

但是，在PN/A过程中，低氨氮浓度会使AOB活性减弱，进而削弱AOB对NOB的竞争性抑制。本研究通过分析不同HRT下AOB和NOB的活性，发现了AOB和NOB的活性变化机制（图4）。每次增加HRT后，氨氮浓度降低引起AOB活性下降，进而使生物膜内的氧浓度整体上升。随后，AOB和NOB数量的增加使氧浓度再次降低达到平衡，弥补了AOB活性的下降，并导致了NOB活性的增加。试验结果表明，HRT<5.5 h时，氨氮浓度>5mg/L，NOB活性可在较低水平达到平衡；HRT为6h时，氨氮浓度降低到1 mg/L以下， NOB活性呈持续增长趋势，引起出水水质恶化。因此，在CMABR中同时实现低出水氨氮浓度和稳定的NOB抑制是一个挑战。

图4 CMABR中不同的HRT对AOB和NOB活性的影响

将两级CMABR串联运行，可解决出水氨氮浓度和NOB抑制的矛盾。第一级CMABR具有较高的氨氮浓度，可稳定抑制NOB；第二级CMABR可进一步提升出水水质。处理效果如图5所示，两级CMABR出水总氮浓度稳定在9.4±2.4 mg /L，总氮去除率达到了81%，实现了稳定高效的PN/A脱氮。对比其他研究发现，串联式CMABR在启动时间、脱氮速率以及出水氨氮、总氮浓度等方面均具有明显优势。

图5 两级CMABR的系统效能：(a)第一级CMABR的氮去除效能；(b) 第一级CMABR中AOB和NOB的活性；(c) 第二级CMABR的氮去除效能；(d) 第二级CMABR中AOB和NOB的活性

小结

本研究提出了一种新型的载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR）用于PN/A工艺实现主流脱氮。考察了HRT对脱氮性能和NOB抑制的影响，并提出了优化策略。将两级CMABR串联运行，可解决出水氨氮浓度和NOB抑制的矛盾。两级串联式CMABR在启动时间、脱氮速率及氮去除等方面均具有明显优势。研究结果将对在MABR系统中实现自养脱氮提供重要参考。

作者简介

黄霞：清华大学环境学院教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授和创新团队带头人、首批环境保护部专业技术领军人才、国际水协会杰出会士（Distinguished Fellow）、Frontiers ofEnvironmental Science & Engineering期刊执行副主编、WaterResearch X 期刊Editor等。主要从事膜集成水处理技术、功能膜材料、生物电化学污水处理技术、污水资源化技术等研究。发表SCI收录论文400余篇，自2014年连续入选爱思维尔中国高被引学者；出版专著/教材5部；曾获国家科技进步二等奖3项、部级一等奖8项、Environ. Sci. & Technol.和ESWRT年度最佳论文奖。

王黎声：清华大学环境学院博士，师从黄霞教授，主要研究方向为污水生物脱氮工艺，以第一作者身份在Water Research等学术期刊发表论文4篇。现就职于重庆市中冶赛迪工程技术股份有限公司。

张聪聪：2022年于巴塞罗那自治大学获得环境工程博士学位，现为清华大学水木学者博士后，合作导师为黄霞教授。从事污水生物处理、污水中资源及能源回收等研究，以第一作者（或共同一作）身份在Water Research等学术期刊发表论文8篇，获授权发明专利1项。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.123000

(生态修复网)

（转自：生态修复网）

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