膜生物膜反应器中甲烷氧化耦合多途径脱氮的系统构建与微生物协同机制研究

针对传统废水脱氮工艺能耗高、碳排放大的问题，研究人员开发了基于膜生物膜反应器（MBfR）的单级生物膜系统，实现好氧甲烷氧化（AME）与同步氨氧化-反硝化（AOD）耦合。该系统通过优化膜材料和气水比，总氮（TN）去除率达97±2%，甲烷转化效率达30.0±0.9 mg-CH4/mg-N，为废水处理碳中和管理提供新策略。

　　

当前废水处理领域正面临能源消耗与碳排放的双重挑战。传统硝化-反硝化（N/DN）工艺不仅消耗全球3%的电力，还贡献1.6%的温室气体排放。更棘手的是，污水处理厂排放的甲烷占全球总量的4-5%，而现有脱氮技术难以兼顾高效性与可持续性。针对这一困局，国内某研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，提出了一种创新解决方案——通过膜生物膜反应器（MBfR）将好氧甲烷氧化（AME）与同步氨氧化-反硝化（AOD）整合至单级生物膜系统。

研究人员采用三种膜材料（PVDF、复合膜及改性复合膜）构建MBfR系统，通过序批式反应器（SBR）模式运行，重点监测总氮（TN）去除效率与微生物群落动态。关键技术包括：1）分层生物膜培养技术，初始接种污泥MLVSS浓度3500 mg l^-1；2）气相传输调控，优化甲烷与氧气通量；3）高通量测序分析功能基因丰度变化。

氮去除性能
改性复合膜（M3）系统表现最优，16小时内将TN从51.6±0.7 mg l^-1降至约5 mg l^-1，且无亚硝酸盐（NO₂^--N）积累。基因分析显示硝化与反硝化相关基因分别提升1.6倍和1.2倍。

微生物生态
长期运行后，生物膜形成明显的生态位分化：外层富集好氧甲烷氧化菌（Methylomonas等），中层共存氨氧化菌（AOB）与厌氧氨氧化菌（anammox），内层以反硝化菌（Denitratisoma等）为主。这种分层结构实现了氧梯度的精准调控。

结论与意义
该研究首次实验验证了单级生物膜中AME-AOD耦合的可行性，突破传统多级工艺限制。98%的TN去除率与30 mg-CH₄/mg-N的转化效率表明，该系统可同步解决脱氮需求与甲烷资源化问题。微生物分层策略为复杂功能菌群协同提供了新范式，对推动主流污水处理碳中和具有重要实践价值。