甲烷为单一碳源的MBfR同步脱氮除磷技术研究及其在季节性温度变化下的效能评估

本文推荐：该研究创新性地利用膜生物膜反应器(MBfR)实现甲烷(AM2)驱动的好氧甲烷氧化耦合反硝化(AME-D)过程，在季节性温度变化(15-30°C)下同步达成72%硝酸盐去除率和86-99%的磷(P)去除率。通过宏基因组分析揭示了甲基营养菌(Methylobacter)、反硝化菌(Caenimonas)和反硝化聚磷菌(Gemmatimonas)的协同作用，为污水处理厂实现温室气体减排与营养盐去除提供了能源高效解决方案。

　　

研究亮点

• MBfR在30°C时实现72%硝酸盐去除率，磷去除率随温度降低提升至86-99%

• 首次揭示Gemmatimonas在AME-D过程中的反硝化聚磷双重功能

• 中性群落模型(NCM)证实生物膜组装受确定性选择驱动

• 膜组件显著增强微生物网络的连通性与系统稳定性

关键结论

MBfR系统首次在季节性温度变化(15-30°C)下实现甲烷为单一碳源的同步脱氮除磷。温度降至15°C时系统仍保持86%磷去除率，温度回升后氮去除性能快速恢复，展现强韧性。宏基因组分析表明：

1）好氧甲烷氧化菌(Methylobacter)与反硝化菌(Caenimonas)形成代谢互作网络

2）新发现的Gemmatimonas兼具反硝化和聚磷代谢途径

3）膜组件创造的氧梯度环境促进功能菌的空间分层

Section snippets解析

接种方法与启动

采用污水处理厂二沉池污泥与稻田土壤1:1混合接种，预筛后接入含硝酸盐矿物盐(NMS)培养基的MBfR，培养基含1.00 g/L KNO₃和0.20 g/L CaCl₂·2H₂O等成分。

温度对脱氮的影响

55天启动期后，系统在30°C稳定实现36 mg/L的硝酸盐出水浓度。机理分析表明：

① 甲烷氧化菌释放的有机碳被反硝化菌利用

② 生物膜内氧梯度创造同步好氧/缺氧微环境

③ 低温(15°C)时酶活性抑制导致效率下降

同步甲烷转化与营养盐去除

突破性地发现MBfR中：

• Methylobacter主导甲烷氧化

• Caenimonas负责反硝化

• Gemmatimonas同时执行反硝化与聚磷代谢

微生物网络分析显示膜组件使关键菌群丰度提升3-5倍