膜曝气生物膜反应器的排放控制：迈向碳中和与工程可扩展性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Emissions Control in the Membrane-Aerated Biofilm Reactor: towards Carbon Neutrality and Engineering Scalability

　　

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  反扩散可以在氮去除过程中在空间上耦合N₂O的产生与还原。
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  全规模N₂O控制需要监测膜排气和液体。
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  甲烷方面的益处主要适用于对厌氧出水的精加工。
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  放大应用需要进行膜、生物膜和全厂生命周期评估。

引言

生物污水处理越来越多地针对三个相互关联的结果进行评估：出水水质、资源需求和直接温室气体排放。对于市政二级处理中使用供氧MABR而言，用于供氧输送、搅拌、清洗和泵送的电力会导致间接排放，而氮转化产生的N₂O则是主要与工艺相关的直接温室气体[1], [2], [3]。CH₄通常不属于该处理任务范围；当厌氧预处理在进水中留下溶解甲烷，或当有意识地向专门的膜生物膜反应器提供甲烷时，它就会变得相关[4]。

膜曝气生物膜反应器提供了一种独特的曝气概念。气体渗透膜通过无泡扩散将氧气输送到附着在其外表面的生物膜上；因此，膜既作为气—液传质界面，又作为生物膜载体，而不是像常规膜生物反应器那样作为固—液分离膜[5]。由于氧气从膜侧供给，而可溶性底物从主体液体进入，MABR生物膜会形成反扩散梯度，从而在紧凑反应器中支持同时进行硝化—反硝化和部分亚硝化/厌氧氨氧化[6], [7], [8]。在理想条件下，无泡膜曝气可以实现非常高的氧气传质效率。与常规鼓泡曝气不同，商业供气MABR的气体输送对罐内水深的敏感度低于基于鼓泡的曝气系统。然而，实际的氧气传质速率和效率仍然取决于膜特性、管腔压力和气流、底物负荷、生物膜厚度以及液侧传质[9]。但是，高氧气传质效率并不必然转化为全厂能耗降低，因为空气压缩和输送、搅拌、清洗、泵送及其他辅助操作也需要消耗能量。氧气供给必须与底物负荷相匹配：通量过大会浪费氧气并可能抑制反硝化，而通量不足则会限制硝化。在平衡运行下，路径级分析表明，外部碳源需求可能降低约22–40%，理论上限为100%[10]。

MABR并不是一个新概念。膜曝气或膜支撑生物膜的概念可追溯到Yeh和Jenkins（1978年）[11]，并在1980年代至1990年代期间为无泡供氧和生物膜支撑而得到发展[12]。其基本原理由Casey等人（1999年）综述[13]，随后有Syron和Casey（2008年）[14]、Martin和Nerenberg（2012年）[5]以及Nerenberg（2016年）[15]等有影响力的评估。近期的综述总结了膜材料、反应器构型和工艺性能[16]。

商业化先于大规模市政全规模应用而开始。OxyMem成立于2013年，以商业化中空纤维MABR技术，并报告其首次商业销售在2014年6月。ZeeLung由GE Water（后为SUEZ）于2015年10月商业化，Emefcy（后为Fluence）在同一时期推出基于SABRE的MABR系统[17]。随后的市政应用，包括在美国报告的全规模装置，扩大了在改造强化和模块化处理配置方面的实际经验[18], [19], [20], [21], [22]。尽管早期商业化历史的大部分记录在供应商信息、项目报告和会议材料中，而非同行评审的长期数据集中，但这些资料共同表明，在市政和分散式应用中商业部署经验不断增加。

移动床生物膜反应器的广泛综述提供了基于载体的附着生长基准，以便进行比较；而专门针对MABR进展的综述则总结了该技术的研发和应用轨迹[23], [24]。因此，本文的主要范围是市政二级处理中使用的供氧MABR，包括独立式、混合式、改造式和PN/A配置。分析将氧气传质和反扩散机制与氮去除及生物膜行为联系起来[9], [16], [25]。全规模N₂O证据将单独评估[2], [3]，并与能源、生命周期、商业和工业放大方面的考虑一起讨论[26]。只有在澄清系统边界或专门应用时，才会讨论故意供H₂或CH₄的MBfR；它们的电子供体、微生物、安全要求和处理目标不同于常规COD和氨氮去除。

因此，甲烷将在单独且明确划定边界的章节中予以讨论。厌氧出水可能含有溶解的CH₄，这可能在常规曝气过程中被剥离[4], [27]；而故意供甲烷的MBfR则支持依赖硝酸盐或亚硝酸盐的厌氧甲烷氧化[28], [29]。这两种情况都不代表供氧MABR技术的主要商业用途。在此背景下，“迈向碳中性”指的是基于MABR的处理对更广泛的污水处理行业脱碳路径的潜在贡献。

章节摘要

基础：反扩散生物膜与反应器部件

图1旨在对比通量方向，但物理边界条件需要明确说明。常规同扩散生物膜生长在不渗透的载体上：氧气和可溶性底物仅从主体液体界面进入，在生物膜内被消耗，并通过载体的通量为零。主体液体通常被视为充分混合，而不是第二个扩散域。在MABR中，致密的气体渗透膜在

用于主流和改造氮去除的供氧MABR

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温室气体排放与碳性能：界定MABR能够以及不能缓解的内容

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从实验室开发到商业MABR实践

商业MABR开发记录在同行评审研究、WEF会议和线上研讨会、市政案例研究、供应商技术报告以及表4中总结的项目公告中。这些来源并不等同：会议和市政记录通常提供最早的全规模运行经验，而供应商文件提供部署细节，但可能遗漏不确定性、不成功时期或一致的基准。因此，讨论使用灰色文献来

挑战与未来展望

MABR通过结合高效氧气输送、反扩散生物膜功能和基于改造的工艺强化，为低碳污水处理提供了一条可信途径。然而，其气候效益的幅度——甚至可能方向——取决于应用类型、参照工艺、处理任务和系统边界。

建立可信的气候效益需要标准化的全规模监测。供氧MABR应量化主体液体中的N₂O，

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CRediT作者贡献声明

Wenfeng Zai： 数据整理。Rongxin Wang： 概念化。Dezhao Liu： 监督。Xuejie Wang： 方法学。Lú George： 调查。Jianghui Du： 概念化。Yufei Xiang： 软件。Wei-qin Zhuang： 资金获取。Yangman Chen： 形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：32573281）和杭州西部科技创新走廊的经费支持。

Rongxin Wang|Wenfeng Zai|Yangman Chen|Jianghui Du|Qiaozhi Lu|Wei-qin Zhuang|Yufei Xiang|Xuejie Wang|Dezhao Liu