西北中国低温适应性膜曝气生物膜反应器用于生活污水处理的污染物去除性能与机理研究

《Journal of Water Process Engineering》：Cold-adapted membrane-aerated biofilm reactor for domestic wastewater treatment in northwest China: Pollutant removal performance and mechanistic insights

　　

•我们在寒冷干旱地区针对市政污水处理测试了中试规模膜曝气生物膜反应器（MABR）。
•我们确定了最佳水力停留时间、曝气模式和回流比。
•优化后在低温、低碳氮比条件下实现了稳定高效的去除。
•我们揭示了寒冷适应型MABR系统中的协同微生物机制。
•本研究为西北地区市政污水处理提供了技术指导。

引言

在中国，市政污水处理必须在脱氮与低碳运行之间取得平衡[1]。然而，在西北中国寒冷干旱地区，高海拔、大的昼夜温差和漫长的冬季导致脱氮受阻；因此，出水总氮（TN）浓度经常超过排放标准[2]。低温与低碳氮比的联合胁迫使得传统反硝化工艺难以使用，并可能对区域水安全和水质改善造成问题[3]。为满足中国针对低温、低碳氮比污水的严格排放标准，传统生物反硝化系统必须投入大量外碳源、延长水力停留时间（HRT）并使用特殊的耐冷菌剂。然而，这些改造措施增加了能耗和处理成本，使得高效脱氮与低碳运行之间的平衡难以实现[4]、[5]。因此，开发具有低能耗、高运行稳定性和强微生物适应性的先进脱氮技术对于应对寒冷高海拔地区复杂的环境条件至关重要。此类技术对于推动这些地区的污水资源化回收和可持续处理具有重要意义。

因此，针对西北中国寒冷干旱地区，已专门开发了结合高效低能耗运行和稳定性能的新型反硝化方法，包括改良A2/O工艺、移动床生物膜反应器、部分硝化反硝化和厌氧氨氧化。改良A2/O工艺建设成本较低。然而在低温条件下硝化菌活性降低，该工艺还需要大量碳源投入。移动床生物膜反应器能维持较高生物量，但填料容易堵塞，系统曝气能耗较高。部分硝化工艺无法抵抗冷冲击，无法维持稳定的亚硝酸盐积累。厌氧氨氧化可实现无需外碳源的自养脱氮，但其启动周期长，低温下细菌增殖极为缓慢[6]。尽管这些工艺在特定条件下能实现高效脱氮，但其运行稳定性仍受到低温下微生物活性降低、电子供体不足以及难以维持功能微生物种群等限制。因此，开发能够同时优化传质和微生物群落结构的先进生物膜系统对于克服寒冷地区污水处理的局限性至关重要。

相反，膜曝气生物膜反应器（MABR）技术通过无泡曝气实现低碳高级脱氮，具有高氧利用率、最少剩余污泥和强抗负荷冲击能力[7]。中空纤维膜向生物膜传递氧气，污染物从主体液向内扩散。这种逆向扩散效应形成了分层生态位：好氧区、缺氧区和微厌氧区[8]。硝化菌和反硝化菌分别占据不同区域，即使在碳源有限的情况下也能实现同步硝化反硝化（SND）[9]。更重要的是，MABR内部建立的稳定氧化还原梯度不仅调控污染物的传输路径，还持续选择具有不同代谢功能的微生物种群。这种空间分层支持了硝化、反硝化、有机物水解和环境胁迫响应的协同发生。因此，表征不同运行条件下微生物群落的演替和功能响应，为理解MABR中长期脱氮稳定性提供了重要基础。MABR在市政污水、低碳氮比污水和部分工业废水处理方面具有强烈的实用工程价值；然而，在寒冷干旱高海拔地区的应用仍较为少见。

近期研究从三个主要方面证明了MABR处理低碳氮比污水的技术和实际应用优势：1）脱氮优化，2）工艺改造，3）微生物机制分析。

首先，在脱氮优化方面，以往研究主要通过膜改造和运行优化来改善MABR内部的传质、生物膜结构和氮素转化。膜改造可以调节氧气传递并选择性富集参与脱氮的功能微生物，从而实现无需外加碳源的高效脱氮[10]。此外，曝气模式、HRT和硝化液回流比等运行参数可以改变生物膜内的氧梯度、底物传输和微生物群落结构，从而影响整体脱氮性能[11]、[12]、[13]。然而，大多数以往研究侧重于单个运行因素或短期响应。在逐步优化多个关键运行参数期间，生物膜微环境变化、功能微生物群演替与脱氮性能之间的联系仍理解不足。

其次，在工艺改造和应用扩展方面，已开发出混合MABR系统以提高低碳氮比条件下和复杂废水的处理性能。Liu等人[14]将混合MABR应用于实际填埋场渗滤液，证明了碳源限制条件下SND的可行性。其结果表明，MABR的分层生物膜结构有助于缓解低碳氮比条件下的电子供体限制。MABR独特的微生物微环境对复杂污染物去除也显示出潜力。例如，Li等人[15]报道MABR系统在维持稳定脱氮的同时促进了新型污染物磺胺甲恶唑的去除。近年来，也越来越关注低温下MABR的性能。Li等人[16]提供了初步证据，表明MABR在相对较低温度条件下可以维持稳定的脱氮，支持了其在寒冷高海拔地区污水处理中的潜在应用。然而，大多数相关研究在实验室条件下或针对特定废水基质进行。MABR处理真实市政污水时的长期稳定性及其相关微生物响应仍了解不足。

第三，高通量测序和宏基因组学方法的进步加深了我们对MABR中污染物去除相关微生物生态学的理解。Li等人[17]利用16S rRNA测序和基于KEGG的功能分析，表征了不同功能微生物在分层生物膜中碳、氮、磷转化中的潜在贡献。Sun等人[18]进一步通过宏基因组分析表明，胞外聚合物产生、电子转移和多种氮素转化途径可能有助于低碳氮比条件下的脱氮增强。这些发现表明，MABR的性能不仅与反应器构型和运行条件有关，还与微生物群落组成、功能潜力和种间互作有关。然而，在低温、低碳氮比和高海拔的联合胁迫下，微生物群落如何进行长期生态演替并发展出功能性适应仍了解不足。

综上所述，现有文献揭示了两个主要研究空白。

第一，目前对MABR参数调控、工艺改造和微生物机制的理解主要是在室温条件下，使用合成废水或特定工业废水发展起来的。对于西北中国高海拔地区以低温和低碳氮比为特征的真实市政污水，关键工程参数的影响仍理解不足。这些参数包括曝气模式、HRT和硝化液回流比。因此，以往研究的结论无法直接转化为该地区的工艺设计和运行。

第二，尽管以往研究考察了MABR中功能微生物的富集和微生物代谢潜力的变化，但运行调控、生物膜微环境发展、功能微生物演替和污染物去除之间的耦联尚未完全阐明。特别是，微生物群落如何在低温和低碳氮比的长期联合胁迫下维持稳定的碳氮代谢仍不清楚。这一知识空白持续限制了MABR技术的广泛工程应用。

在本研究中，我们建立了中试规模MABR系统处理西北中国寒冷干旱地区的实际市政污水，重点关注高原源的低温、低碳氮比市政污水。采用分阶段单因素实验设计，依次评估HRT、曝气模式和硝化液回流比对COD、NH??-N和TN去除的影响。确定每个优化阶段的最佳运行条件。使用16S rDNA高通量测序表征生物膜微生物多样性、群落组成和功能分类群。进一步进行基于KEGG的功能预测，评估运行优化期间微生物功能潜力的变化。通过将反应器性能与微生物群落演替和预测功能图谱相结合，我们探索了低温、低碳氮比条件下MABR长期稳定运行相关的生态适应模式。

除了填补MABR在高原源低温、低碳氮比市政污水处理方面的研究空白外，本研究还将MABR研究从分散独立的单参数分析推进到同一中试平台上多个关键参数的分阶段单因素评估水平。我们还为反硝化生物膜中的完整寒冷适应型微生物机制提供了初步证据。从实际应用角度，我们提供了西北中国寒冷干旱高原地区实际市政污水处理项目的长期中试数据，这可以为全球类似环境下的污水管理提供跨学科技术支持。

部分片段

反应器设计、参数确定与优化

本研究开发的MABR反应器如图1所示。该系统由中空纤维膜模块和不锈钢反应室组成。反应室内安装了调节池，用于废水混合和均化。缺氧区和好氧区集成在一起以实现脱碳脱氮。好氧区连接了一个沉淀池，主要用于化学除磷。总有效体积的

膜曝气生物膜反应器去除性能

MABR系统总共运行了160天。根据运行目标、进水水质和运行条件，实验期分为三个连续阶段：第一阶段（第1-30天）为启动和驯化阶段，第二阶段（第31-124天）为运行参数优化阶段，第三阶段（第125-160天）为最佳参数下的稳定运行阶段。第1-20天使用合成市政污水，之后使用实际

结论

在本研究中，我们建立了一个适用于西北中国寒冷干旱地区的寒冷适应型中试规模集成MABR系统，针对高海拔高原背景下低温低碳氮比市政污水。我们使用实际市政污水系统研究了HRT、曝气模式和硝化液回流比对污染物去除效率的影响。此外，我们分析了微生物群落结构和协同微生物机制

CRediT作者贡献声明

刘鹏宇：撰写——审阅与编辑，数据整理，概念构思。杨萌：撰写——审阅与编辑，形式分析，概念构思。王宝山：监督，项目管理。陈小杰：撰写——审阅与编辑，监督。高斌：撰写——审阅与编辑。王娜：项目管理。

资金来源

本研究由甘肃省教育厅支持（资助编号2024CXPT-14）。

生成式人工智能及人工智能辅助技术在写作过程中的声明

本手稿的撰写、数据分析、图表生成或语言润色过程中未使用任何生成式人工智能工具。所有内容均由作者独立完成。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究由甘肃省教育厅高校科研创新平台重点培育项目资助（项目编号2024CXPT-14）。感谢诺禾致源公司提供16S rRNA基因高通量测序和生物信息学分析服务。感谢我们课题组所有成员在实验过程中的协助。感谢Editage（www.editage.cn）提供英文语言编辑服务。

刘鹏宇|杨萌|王宝山|陈小杰|高斌|王娜