COD/TN比值调控下H-MABR反应器生物膜与活性污泥特性对同步硝化反硝化的影响机制

针对农村生活污水分散性强、水质波动大的难题，研究人员通过调控H-MABR反应器进水COD/TN比值（1-7），系统解析了生物膜厚度（峰值511.67±10.41 μm）、EPS（PS>蛋白质>腐殖质）组成及微生物群落（Gammaproteobacteria等优势菌）的响应规律，证实低COD/TN（<5）下可实现高效同步硝化反硝化（SND）与亚硝酸盐积累（NAR=68.40%），为农村污水低碳处理提供新技术路径。

　　

随着我国乡村振兴战略推进，农村生活污水治理面临分散排放、水质水量波动大等"卡脖子"难题。传统活性污泥法存在占地大、能耗高等缺陷，而新兴的膜曝气生物膜反应器(Membrane Aerated Biofilm Reactor, MABR)技术通过"逆扩散"传氧机制，在同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification-Denitrification, SND)和短程脱氮方面展现出独特优势。然而，进水碳氮比(COD/TN)的波动如何影响其核心功能单元——生物膜与活性污泥的协同作用，仍是制约技术优化的关键科学问题。

针对这一挑战，浙江工业大学等机构的研究团队创新设计螺旋缠绕式平板膜组件，构建混合式MABR(Hybrid-MABR, H-MABR)系统，通过精准控制COD/TN比值(1/4/7)，首次揭示了生物膜厚度与溶解氧(DO)/pH梯度的动态耦合规律。研究发现，当COD/TN=7时生物膜厚度达峰值511.67±10.41 μm，而低COD/TN(<5)条件下亚硝酸盐积累率(Nitrite Accumulation Ratio, NAR)高达68.40%，证实短程脱氮的可行性。微生物组分析显示，Gammaproteobacteria和Anaerolineae等菌群丰度与COD/TN呈显著相关性，这为定向调控功能微生物提供了理论依据。相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为农村污水低碳处理装备研发奠定了重要技术基础。

关键技术方法包括：1）采用螺旋缠绕平板膜组件构建H-MABR反应器；2）通过微电极测定生物膜内DO/pH梯度；3）三维荧光光谱解析胞外聚合物(EPS)组分；4）高通量测序分析微生物群落结构；5）冗余分析(RDA)建立处理效能与菌群关联模型。

【结构配置与启动特性】
反应器采用独特的气体分布结构设计，在启动期(20-30天)实现污泥-生物膜系统快速稳定。当COD/TN从1升至7时，COD去除率提升23.8%，而TN去除率呈现"先升后降"趋势，在COD/TN=4时达最优(81.2%)。

【生物膜厚度与传质特性】
共聚焦显微镜显示，生物膜厚度与COD/TN呈正相关。微电极检测发现膜内层DO<0.5 mg/L形成缺氧微环境，这种"外层好氧-内层缺氧"的分层结构是SND实现的关键。

【EPS与SMP组成特征】
生物膜EPS含量是活性污泥的1.8倍，其中多糖(PS)占比超60%。低COD/TN下蛋白质/腐殖质比值升高，可能与微生物应激响应相关。

【微生物群落演替】
高通量测序揭示COD/TN=7时Anaerolineae相对丰度达14.7%，而COD/TN=1下Nitrosomonas(氨氧化菌)占比提升至9.3%，直接证实碳氮比调控可定向富集功能菌群。

该研究创新性地阐明了COD/TN比值通过"生物膜结构-EPS组成-功能菌群"三级调控网络影响H-MABR脱氮效能的机制。特别是发现低COD/TN(<5)条件下可实现稳定亚硝酸盐积累，这将使曝气能耗降低25%-40%。研究团队提出的螺旋缠绕式膜组件设计，有效解决了传统中空纤维膜易断裂、装填密度低等问题，为开发适合农村污水特点的模块化装备提供了原创性解决方案。未来研究可进一步探索低温条件下COD/TN的优化控制策略，推动该技术在高寒地区的应用落地。