新型平板膜组件强化氢基质膜生物反应器脱氮效能与抗污染机制研究

针对H2-MBfR中脱氮效率低、膜污染严重的问题，青岛研究团队创新设计含聚酯纤维外层的平板膜组件。实验表明该组件将无污染运行周期延长8倍以上，TN去除率达93.8%-100%，并通过微生物组分析揭示脱氮基因差异表达规律，为污水处理工艺升级提供关键技术支撑。

　　

随着化肥滥用和工业废水排放加剧，水体硝酸盐污染已成为全球性环境难题。传统污水处理工艺依赖高耗能的硝化-异养反硝化过程，而氢基质膜生物反应器(H₂-MBfR)虽具有100%氢气利用率和无二次污染优势，却受限于膜污染和低H₂溶解度。青岛的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，通过创新性设计含静电植绒聚酯层的平板膜组件，成功突破技术瓶颈。

研究采用三阶段实验策略：首先利用青岛海泊河污水厂活性污泥富集氢营养反硝化菌群；随后构建对比反应器（传统PTFE膜PM与新型植绒膜FM），在不同HRT、温度和负荷条件下测试脱氮性能；最后通过高通量测序和qPCR分析微生物群落演变及功能基因表达。

氢营养反硝化菌富集
接种20%活性污泥于厌氧罐，以H₂为电子供体、NO₃^--N为电子受体，经30天培养获得优势菌群，为后续MBfR启动奠定生物基础。

水力停留时间影响
当HRT从8.3h缩短至2.1h时，FM反应器NO₃^--N去除通量达28.4 g-N/(m²·d)，较PM提高37%，且无亚硝酸盐积累。植绒层创造的微环境显著提升传质效率。

温度与负荷抗性
15℃低温下FM仍保持50%脱氮效率，恢复常温后48小时内性能完全恢复。高氮负荷(50 mg-N/L)冲击时，FM的TN去除率始终高于90%，展现卓越抗干扰能力。

膜污染控制机制
PM组一周内即出现矿化结垢，而FM凭借聚酯纤维的疏水特性，连续运行8周未发生污染。显微观察显示植绒层有效阻隔微生物穿透，保护PTFE膜核心结构。

微生物群落演变
门水平上变形菌门(Proteobacteria)占比从54.6%升至82.3%，属水平中脱硫弧菌(Desulfovibrio)成为绝对优势菌(61.4%)。功能基因检测证实narG、nirS基因表达量随运行时间显著上调，与脱氮效能提升呈正相关。

该研究开创性地将材料科学与生物工艺相结合，新型平板膜组件通过三重机制发挥作用：物理阻隔层防止生物污堵、微纤维网络促进生物膜均衡生长、疏水界面优化气液传质。相比传统中空纤维膜，其单位体积去除通量提升40%以上，且运行能耗降低22%，为污水处理厂提标改造提供兼具理论创新和工程应用价值的解决方案。特别值得注意的是，该技术可无缝对接现有污水处理设施，通过模块化改造即可实现深度脱氮，对长江经济带、黄河流域等敏感水域的氮污染治理具有重要示范意义。