低营养浓度下，曝气梯度对膜生物反应器（MABR）中同步硝化与反硝化过程的影响：实验与建模研究

《Journal of Water Process Engineering》：Effects of aeration gradient on simultaneous nitrification and denitrification in MABR under low nutrient concentrations: Experimental and modeling investigation

高效同步硝化反硝化在低营养条件下膜曝气生物膜反应器中的应用研究

　　膜曝气生物膜反应器（MABR）作为一种高效供氧和微生物富集技术，近年来在地表水修复领域，尤其是氮去除方面，展现出巨大的应用潜力。本研究探讨了在低营养浓度条件下，如何通过调节水力停留时间（HRT）和曝气压力实现高效的同步硝化与反硝化（SND）过程。实验结果表明，在HRT为2.5小时和曝气压力为0.02 MPa的优化条件下，系统能够实现超过98%的氨氮（NH??-N）去除率和超过70%的总无机氮（TIN）去除率。研究还揭示了关键硝化菌群和反硝化菌群的组成，以及溶解氧（DO）浓度对生物膜中关键微生物种群和底物空间分布的影响。此外，模型分析表明，碳氮比（C/N）和稳态生物膜厚度是影响氮去除效率的关键因素。这些发现为优化低氮污染水体的MABR系统提供了新的思路。

### 1. 引言

人类活动的加剧导致了地表水污染的严重性，使得氨氮和磷的浓度显著上升，给生态环境和人类健康带来了巨大风险。高营养负荷不仅加剧了富营养化现象，还使污染治理变得更加复杂。据估计，全球约有80%的人口面临水资源安全问题，其中超过三分之一的人缺乏安全饮用水。因此，改善地表水质和确保淡水资源安全已成为21世纪的重要任务，推动了高效、可持续的水污染修复技术的发展。

传统的氮污染治理方法包括曝气、植物修复、清淤和混凝等，但这些方法往往成本高昂，且在处理低浓度的城市水体时效果有限，难以广泛应用。同步硝化与反硝化（SND）在低营养条件下仍面临挑战，尤其是在氨氮和化学需氧量（COD）浓度较低时，反硝化过程受到限制。例如，在C/N比为4:1的低负荷废水处理过程中，总氮（TN）去除效率低于48%。同样，在低底物系统如河流中，虽然硝化过程可能发生，但其长期稳定性难以维持，这限制了SND在自然水体修复中的应用。

MABR凭借其节省土地空间、微生物快速定殖以及增强水体自净能力等优势，成为一种具有前景的原位地表水修复替代技术。近年来的研究表明，MABR在处理新兴污染物方面也取得了进展，显示出其在该领域的应用潜力。然而，MABR特别适用于氮去除，因为其独特的反向扩散供氧机制，能够将氧气从膜腔内向生物膜扩散，同时允许有机碳和氨氮从水体向生物膜扩散，从而形成分层的好氧/缺氧/厌氧微区，促进高效的SND过程。

在自然水体中，高水力负荷会阻碍稳定生物膜的形成，使得微生物难以定殖。另一方面，主要的好氧条件限制了反硝化过程的有效性，导致MABR在氮去除方面效率较低。尽管在工艺优化、材料改进以及微生物功能保持方面取得了一些进展，但关于在高流速、低污染条件下实现稳定氮去除的系统性研究仍显不足。因此，本研究提出了一种可行的方法，以实现低污染水体中的高效氮去除，并展示了其在地表水修复中的应用潜力。

### 2. 材料与方法

为了评估MABR在低营养浓度条件下的氮去除性能，我们构建了一个实验室规模的MABR系统。该系统的工作容积为300 mL，并采用了96根非多孔中空纤维膜（MHF-20M1500A，三菱，日本）。每根纤维的长度为32 cm，提供了总膜面积280 cm2。压缩空气用于供氧，曝气压力通过减压阀控制。合成废水通过蠕动泵（BT100-3 J， Longer Precision Pump Co.，中国）连续输入反应器，并通过磁力搅拌器确保液体充分混合。反应器的温度通过水浴维持在24–26 °C。

为了培养硝化生物膜，反应器初始运行在批次模式下，以氨氮（NH??-N）作为唯一底物。经过7天的培养后，反应器切换为连续流模式，使用合成废水作为进水。合成废水的成分基于实际河流采样数据（表S2）设定，包括（每升）：NH?Cl 76.5 mg，NaHCO? 200 mg，KH?PO? 18 mg，CaCl? 20 mg，MgSO?·7H?O 90 mg，醋酸钠102 mg，Trace I 1 mL，Trace II 1 mL。Trace I和Trace II的成分详见表S1。本研究中设定的碱度为约238 mg/L（以CaCO?计），略高于污染河流中的测量范围（160–180 mg/L，以CaCO?计），以应对可能的极端情况，如意外污染物排放。

MABR的运行策略分为三个阶段（A、B和C），每个阶段持续40天，分别对应HRT为5小时、3.3小时和2.5小时。HRT的设定从长到短，以覆盖反应器从低到高负荷条件下的运行范围，从而评估系统在不同负荷条件下的性能。在每个阶段内，通过逐步降低曝气压力（从0.1 MPa到0.05 MPa，再到0.02 MPa）来评估SND过程。降低曝气压力旨在调节膜腔内的氧气通量，从而影响溶解氧（DO）的可用性，这是关键的操作参数之一。由于这两个参数在实际应用中可以轻松调整，因此被选为主要的操作变量。这些策略旨在探索影响硝化和反硝化过程的综合条件，从而为工程应用提供实践指导。

为了评估MABR在低营养浓度条件下的氮去除性能，我们构建了一个实验室规模的MABR系统。该系统的工作容积为300 mL，并采用了96根非多孔中空纤维膜（MHF-20M1500A，三菱，日本）。每根纤维的长度为32 cm，提供了总膜面积280 cm2。压缩空气用于供氧，曝气压力通过减压阀控制。合成废水通过蠕动泵（BT100-3 J， Longer Precision Pump Co.，中国）连续输入反应器，并通过磁力搅拌器确保液体充分混合。反应器的温度通过水浴维持在24–26 °C。

为了培养硝化生物膜，反应器初始运行在批次模式下，以氨氮（NH??-N）作为唯一底物。经过7天的培养后，反应器切换为连续流模式，使用合成废水作为进水。合成废水的成分基于实际河流采样数据（表S2）设定，包括（每升）：NH?Cl 76.5 mg，NaHCO? 200 mg，KH?PO? 18 mg，CaCl? 20 mg，MgSO?·7H?O 90 mg，醋酸钠102 mg，Trace I 1 mL，Trace II 1 mL。Trace I和Trace II的成分详见表S1。本研究中设定的碱度为约238 mg/L（以CaCO?计），略高于污染河流中的测量范围（160–180 mg/L，以CaCO?计），以应对可能的极端情况，如意外污染物排放。

MABR的运行策略分为三个阶段（A、B和C），每个阶段持续40天，分别对应HRT为5小时、3.3小时和2.5小时。HRT的设定从长到短，以覆盖反应器从低到高负荷条件下的运行范围，从而评估系统在不同负荷条件下的性能。在每个阶段内，通过逐步降低曝气压力（从0.1 MPa到0.05 MPa，再到0.02 MPa）来评估SND过程。降低曝气压力旨在调节膜腔内的氧气通量，从而影响溶解氧（DO）的可用性，这是关键的操作参数之一。由于这两个参数在实际应用中可以轻松调整，因此被选为主要的操作变量。这些策略旨在探索影响硝化和反硝化过程的综合条件，从而为工程应用提供实践指导。

### 3. 结果与讨论

为了进一步验证MABR在低营养浓度条件下的氮去除性能，我们使用AQUASIM模型进行了模拟，该模型能够揭示关键微生物种群和底物在生物膜中的空间分布。研究发现，溶解氧（DO）浓度对关键微生物种群和底物的分布具有决定性影响。此外，模型结果表明，碳氮比（C/N）和稳态生物膜厚度是影响MABR氮去除效率的关键因素。

在实验过程中，NH??-N的去除率保持在98%以上，表明硝化过程非常高效。同时，NO??-N在出水中的浓度并未显著累积，这表明反硝化过程在低负荷条件下也能有效进行。在每个HRT阶段的第三阶段，硝酸盐（NO??-N）浓度显著降低，进一步确认了在低营养浓度条件下，MABR能够实现高效的同步硝化与反硝化（SND）过程。

此外，我们对不同阶段的微生物群落变化进行了分析，以了解操作条件对微生物群落动态的影响。实验结果表明，在低C/N比条件下，硝化细菌和反硝化细菌的相对丰度显著变化。在HRT为2.5小时和曝气压力为0.02 MPa的条件下，硝化细菌的相对丰度达到6.14%，而反硝化细菌的相对丰度达到3.44%。这些结果表明，较高的曝气压力有助于硝化细菌和反硝化细菌的活动和丰度，而较低的HRT则可能促进这些微生物种群的扩展。这种微生物群落的分层结构为同步硝化与反硝化（SND）过程提供了有利的微环境。

通过调节HRT和曝气压力，MABR在低负荷条件下实现了高效的氮去除。研究还发现，碳氮比（C/N）对MABR的性能有显著影响。在不同的C/N比条件下，出水中的主要污染物（NH??-N、NO??-N、NO??-N）和氧气（O?）浓度表现出明显差异，表明C/N比对反硝化和硝化过程有显著调节作用。随着C/N比从1增加到8，生物膜中的氧气浓度逐渐降低。例如，在生物膜厚度为100 μm时，O?浓度从8.14 mg/L降至5.14 mg/L。这表明在高C/N条件下，有机负荷增加导致微生物对氧气的消耗增强，形成更多的厌氧区。出水中的NH??-N浓度与C/N比呈正相关；在生物膜厚度为500 μm时，NH??-N浓度从1.3 mg-N/L增加到2.4 mg-N/L。这种趋势可能归因于在高C/N条件下，异养菌对氧气的竞争抑制了硝化菌的活性，从而降低了氨氮的去除效率。

在C/N比为1时，NO??-N浓度相对较高，达到14.94 mg-N/L（在生物膜厚度为350 μm时）。相比之下，在C/N比为8时，NO??-N浓度保持较低水平，表明足够的碳源能够支持反硝化过程，将硝酸盐还原为氮气（N?）。此外，在低C/N比条件下，NO??-N的积累被观察到。例如，在C/N比为2且生物膜厚度为200 μm时，出水中的NO??-N浓度达到14 mg-N/L（见图6B），这可能归因于硝化菌活性增强但反硝化过程不完全。总体而言，增加C/N比有助于反硝化过程，表现为O?和NO??-N浓度的降低。

生物膜厚度对MABR性能也有显著影响。稳态生物膜厚度显著影响氧气渗透和底物传输速率。如图6所示，随着生物膜厚度的增加，氧气浓度在所有C/N比条件下都明显下降。例如，在C/N比为4时，O?浓度从生物膜表面的9.4 mg/L迅速下降到厚度为1000 μm时的0.1 mg/L。较厚的生物膜会限制氧气渗透，形成厌氧区，从而促进反硝化过程。当生物膜厚度达到300–400 μm时，NO??-N的积累被观察到，浓度达到12–15 mg-N/L。这表明在这个范围内，硝化过程基本完成。然而，超过400 μm后，NO??-N浓度急剧下降，突显了生物膜厚度在控制硝化与反硝化平衡中的作用。在分层结构中，内层的好氧区支持硝化和硝酸盐的产生，而外层的厌氧区促进反硝化，降低硝酸盐水平。在生物膜厚度为150–200 μm时，NO??-N达到最大值（约15 mg-N/L），表明硝化过程不完全。在所有C/N比条件下，NH??-N通常随着生物膜厚度的增加而减少。然而，当生物膜变得过于厚时，氧气扩散限制会抑制硝化菌的活性，导致NH??-N的增加。

过薄的生物膜会导致污染物去除效率较低，而过厚的生物膜会因生物膜内的质量传递阻力增加，减少氧气、氨氮、COD等底物的传输速率。模型显示，最佳的SND发生在中等厚度的生物膜（400–500 μm）和中间C/N比（约4）条件下。与之前的研究相比，我们的发现显示出一致性和补充性：有研究指出，较薄的生物膜富含硝化菌，表现出较高的硝化速率，而较厚的生物膜则含有更多的厌氧功能，有利于反硝化过程。另一项研究则表明，过厚的生物膜会阻碍氧气和底物的传输，从而降低MABR的性能。此外，还有研究进一步确认了生物膜中的DO分布。这些结果表明，中等厚度的生物膜可以建立有利的DO梯度，从而实现硝化和反硝化的耦合。因此，开发有效的策略以控制生物膜厚度，以实现最佳的MABR性能，仍然是MABR运行中的关键挑战。

### 4. 结论

在低营养条件下，通过调节HRT和曝气压力，MABR能够实现高效的同步硝化与反硝化（SND）过程。研究结果表明，曝气压力在促进SND过程中起到了重要作用。值得注意的是，缩短HRT并未影响反硝化性能，反而可能略微提高其效率，这归因于在增加负荷条件下形成的更稳定的厌氧微环境。微生物群落分析证实了多种功能微生物在氮去除过程中的协同作用。模拟结果进一步表明，HRT和曝气压力对底物和微生物种群在空间和比例上的分布有显著影响，从而影响整体的氮去除效率。稳态生物膜厚度被识别为一个潜在的关键调控因素。这些发现为低强度废水处理中的单级MABR系统的应用提供了理论支持和实践指导，特别是在地表河流水体的修复中。