振动辅助膜生物反应器强化城市污水脱氮效能与微生物协同机制研究

针对传统曝气膜生物反应器(AMBR)高能耗、脱氮效率低及膜污染问题，苏州科技大学团队创新性开发低能耗振动膜生物反应器(VMBR)。研究表明，VMBR通过机械振动创造局部缺氧环境，使总氮(TN)去除率提升至54.7%（较AMBR提高20.5%），同步优化胞外聚合物(EPS)组分（降低PN/PS比）并富集脱氮功能菌群（如Proteobacteria），为低碳污水处理提供新技术路径。

　　

随着城市化进程加速，城市生活污水处理已成为环境保护领域的重要议题。传统曝气膜生物反应器(AMBR)虽具有出水水质优、占地面积小等优势，却面临能耗高（60-80%能耗来自曝气）、总氮(TN)去除率低（仅30-50%）以及膜污染严重三大瓶颈。更棘手的是，城市污水普遍碳氮比(C/N)偏低（3-5），导致反硝化碳源不足。如何在"碳达峰、碳中和"背景下实现高效低碳污水处理，成为亟待突破的科学难题。

苏州科技大学环境科学与工程学院研究团队在《Environmental Research》发表最新成果，构建了包含常规AMBR和振动膜生物反应器(VMBR)的低能耗部分硝化膜生物反应器(LEP-N-MBR)系统。通过30天启动期对比研究发现，VMBR通过机械振动创造局部溶解氧(DO)波动环境，使TN去除率显著提升至54.7%（AMBR仅34.2%），同时解析了胞外聚合物(EPS)组分变化与微生物群落的协同作用机制。该研究为发展节能型污水脱氮技术提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：1）构建并联运行的AMBR（常规曝气）和VMBR（机械振动频率50Hz）系统；2）采用三维荧光光谱(3D-EEM)分析EPS组分动态；3）通过16S rRNA高通量测序解析微生物群落结构；4）监测化学需氧量(COD)、NH₄⁺-N、TN等水质指标。实验采用实际城市污水（C/N=4.2）和接种污泥（3000 mg/L）。

Reactor configuration
研究团队设计的多级A₁'/A₂'-A₁''/A₂''-O₁/O₂串联反应器，在膜池分别采用曝气(AMBR)和振动(VMBR)模式。VMBR通过ASLONG机械搅拌器产生剪切力，能耗较传统曝气降低60%。

Pollutant removal performance
启动阶段数据显示：VMBR的TN去除率较AMBR提高20.5%，尤其在后期（20-30天）稳定达54.7%。NH₄⁺-N去除率二者相当（约69%），但AMBR初期出现亚硝酸盐(NO₂^--N)积累现象，表明振动促进同步硝化反硝化(SND)。

EPS dynamics
振动使膜池EPS中蛋白质(PN)降低23%，多糖(PS)增加17%，PN/PS比从1.8降至1.2。3D-EEM显示VMBR的类腐殖酸物质荧光强度增强，暗示EPS腐殖化程度提高，有利于膜污染控制。

Microbial community
高通量测序揭示两系统共有的Proteobacteria（占比45-52%）和Bacteroidota（28-31%）优势菌门。但VMBR特有富集Denitratisoma（相对丰度7.3%）等脱氮菌属，且共现网络分析显示其微生物互作节点数增加38%，形成更稳定的功能生态位。

Conclusion
该研究首次阐明机械振动通过三重机制提升脱氮效能：1）创造微氧环境促进SND；2）优化EPS组成增强污泥絮体稳定性；3）塑造功能特化的微生物网络。Guiquan Du等发现VMBR较AMBR节能40%的同时，TN去除率提升显著，且系统抗冲击负荷能力增强。研究为发展"双碳"目标下的污水处理新技术提供了微生物学理论基础和工程实践指导，被评审专家评价为"膜法水处理领域的重要突破"。

值得注意的是，振动对Candidatus_Competibacter等聚糖菌的富集作用，可能为后续研究低C/N污水脱氮提供新思路。团队建议未来研究应关注长期运行下振动频率与微生物演替的剂量效应关系，以及放大过程中的流体力学优化。