高速厌氧/好氧膜生物反应器实现市政污水除磷与碳捕获：运行边界及侧流厌氧消化的能量回收潜力

《Water Research》：A high-rate anaerobic/oxic membrane bioreactor for phosphorus removal and carbon capture from municipal wastewater: Operational limits and energy-recovery potential via sidestream anaerobic digestion

　　

采用高速厌氧/好氧膜生物反应器（A/O-MBR）工艺，在实际市政污水中同步实现强化生物除磷（EBPR）与碳捕获。在污泥停留时间（SRT）为2 d、总水力停留时间（HRT）为2.5 h条件下，EBPR保持稳定。约66%的进水化学需氧量（COD）被捕获于污泥中，用于甲烷回收。能量平衡计算表明，该工艺具有接近能量中性运行的潜力。

研究背景与问题：全球气候变化与资源枯竭推动污水处理厂（WWTPs）由传统污染物去除设施向资源回收系统转型。传统活性污泥（CAS）工艺曝气能耗高，且进水碳大部分被矿化为CO₂而非回收，亟需从碳氧化转向碳捕获以回收能量。高速活性污泥（HRAS）通过吸附与生物絮凝在短HRT（<4 h）、短SRT（<4 d）下快速捕获COD，但单独HRAS除磷能力有限（去除率仅13–38%），常需化学沉淀，增加成本并干扰下游磷回收。因此，将强化生物除磷（EBPR）与HRAS耦合是同步实现碳捕获与除磷、减少化学药剂依赖的有前景策略。已有短SRT EBPR研究多在合成废水或外加碳源条件下开展，针对未加改造的实际市政污水、连续流条件下同时考察SRT与HRT共同缩短的EBPR运行边界、碳捕获及侧流能量回收潜力的研究仍较少。膜生物反应器（MBR）可独立于污泥沉降性保留悬浮生物量，减少短SRT、短HRT下的生物量流失，并将颗粒态及生物量结合态有机物保留在污泥相中，利于后续厌氧消化（AD）与能量回收。

研究开展与结论：研究人员在日本仙台广濑川净化中心运行一套A/O-MBR系统，由13 L连续搅拌槽反应器（CSTR，厌氧池）与17 L浸没式MBR（好氧池）组成，采用实际市政污水，在连续流条件下逐步缩短SRT与HRT，共设12个运行阶段。研究确定维持稳定EBPR所需的最低SRT边界，考察微生物群落随短SRT条件的变化，并通过COD捕获效率与生化产甲烷潜力（BMP）量化资源回收潜力。结论表明，SRT约2 d是所试条件下稳定EBPR的实用下限，此时约66%进水COD被导向污泥相，在HRT短至2.5 h时除磷效率仍持续超过89%；实际市政污水条件下Tetrasphaera是优势菌属中唯一检出的潜在聚磷菌（PAO）；耦合侧流AD的A/O-MBR在有利的甲烷回收与膜曝气条件下具有接近能量中性运行的潜力，且无需投加化学药剂即可维持稳定EBPR。研究意义在于展示了在高速率处理框架内整合EBPR、碳捕获与侧流能量回收的可行性。论文发表在《Water Research》。

关键技术方法：研究采用连续流A/O-MBR反应器（厌氧CSTR＋浸没式MBR，PVDF中空纤维膜，内回流比75%），以实际市政污水为进水、以仙台某全规模A²O污水处理厂二沉池污泥为接种污泥；通过自好氧池排泥控制SRT、调节进出水泵流量控制HRT；开展批式磷释放与吸收试验测定比磷释放速率（SPRR）、好氧磷吸收速率（APUR）及表观ΔP/ΔSCOD；采用16S rRNA基因扩增子测序（V3–V4区）结合冗余分析（RDA）与Pearson相关分析解析群落结构；开展BMP试验评估污泥产甲烷潜力；并进行COD、磷及能量平衡计算。

研究结果：

3.1.1 COD去除效率：进水COD在200–500 mg/L间波动，均值341 ± 68 mg/L，对应HRT为4.5、3.5、3.0、2.5、6.0 h时有机负荷率（OLR）分别为1.90、2.19、2.74、3.00、1.47 g COD L^-1 d^-1。系统COD去除率始终高于95%，出水COD低于20 mg/L，出水COD/N比低于1，提示与下游自养脱氮（如部分硝化/厌氧氨氧化，PN/A）具有兼容潜力。

3.1.2 短SRT下的氮行为：进水氨氮约24 ± 3 mg N/L，进水中未检出硝酸盐与亚硝酸盐。SRT为4 d、DO<0.5 mg/L时无硝化产物积累；SRT为3 d（DO<0.7 mg/L）与2 d（DO约1 mg/L）时未出现持续硝化；SRT≤1.5 d时即使DO>1 mg/L也无硝化产物，表明短SRT下硝化菌持留受限。降雨导致进水COD降低时出现瞬时硝化，并与除磷下降同时发生，提示NO_x回流可能通过增加厌氧区碳消耗干扰EBPR。稳定运行阶段出水氨氮约占进水负荷的83%。

3.1.3 除磷效率：SRT为4 d与3 d时除磷稳定高效（≥89%）；SRT降至2 d、HRT为4.5 h时性能略降，与进水COD波动及瞬时硝化同期出现，表明接近SRT下限时更易受进水扰动影响；其余HRT（6.0、3.5、3.0、2.5 h）下出水磷酸盐均<0.5 mg/L，除磷效率持续超过90%。SRT低于2 d后系统对水力条件更敏感：SRT为1.5 d时HRT由4.5 h缩短至3.0 h，除磷效率由71.5%降至59.8%；SRT为1 d时除磷迅速恶化至40%以下，厌氧池磷酸盐仅较进水升高约1 mg L^-1，该阶段运行8 d后终止并重新接种。MBR虽减少沉降性生物量流失，但短HRT需更高瞬时膜通量，存在处理量与膜需求之间的工程权衡。

3.2 磷释放与吸收批试：各条件下均呈现典型厌氧释磷、好氧吸磷模式，幅度随SRT缩短明显下降。同一HRT下比释磷量随SRT降低而减少，SRT为1.5 d、HRT为4.5 h时净厌氧释磷降至9.04 mg P L^-1。HRT为4.5 h时SRT由3 d降至1.5 d，SPRR由0.13降至0.03 mg P (g VSS·min)^-1，APUR由0.20降至0.05 mg P (g VSS·min)^-1；SRT由2 d降至1.5 d时APUR降幅大于SPRR。相反，缩短HRT通常提高SPRR与APUR：SRT为2 d时HRT由6.0 h缩短至2.5 h，SPRR由0.08升至0.27、APUR由0.12升至0.22 mg P (g VSS·min)^-1，SPRR与OLR正相关（R²=0.94）。SRT为1.5 d时HRT由4.5 h缩短至3.0 h，SPRR由0.03升至0.19而APUR仅由0.05升至0.08 mg P (g VSS·min)^-1，释磷—吸磷失衡叠加好氧接触时间缩短，解释了除磷效率由71.50%降至59.80%。同一HRT下ΔP/ΔSCOD随SRT降低而下降，HRT为4.5 h时由0.38降至0.22 mg P mg^-1 COD，提示短SRT下厌氧碳—磷耦合减弱；缩短HRT则使该比值升高，HRT为2.5 h、SRT为2 d时达0.48 mg P mg^-1 COD。

3.3 微生物群落结构：Candidatus Accumulibacter未在优势类群中检出，Tetrasphaera是优势菌属中唯一潜在PAO；典型聚糖菌（GAO）相关属Candidatus Competibacter与Defluviicoccus丰度普遍较低，未随短SRT下除磷恶化而富集。优势菌群中还检出Streptococcus、Bifidobacterium、Lactococcus等发酵或产酸相关类群，并观察到丝状菌Thiothrix的瞬时增殖，但未明显影响出水水质。RDA显示RDA1与RDA2分别解释24.4%与6.3%的群落变异，SRT的独立解释份额大于HRT。Ottowia与SRT、厌氧释磷及好氧吸磷显著正相关；Lactococcus、未分类Comamonadaceae及Acidovorax与三者负相关，其在短SRT下的富集可能反映快速生长异养菌增多及与PAO的底物竞争；Tetrasphaera相对丰度与除磷性能无直接相关，提示属水平丰度未必反映EBPR功能。

3.4 COD与磷质量平衡：给定HRT下降低SRT可减少COD矿化、提高进入剩余污泥的COD比例；SRT为2 d时COD回收率在HRT 4.5–2.5 h间变化不大，HRT延长至6 h则降至约58%（短HRT下约66%）。HRT为3 h、SRT为1.5 d时COD回收率最高（73.16%），但除磷效率仅59.79%；稳定EBPR条件下HRT为3 h、SRT为2 d时COD回收率最高为66.97%，该值高于其他高速A/O系统报道的29–58%。SRT为2 d时约89%进水总磷（TP）负荷转入剩余污泥，即使最低除磷条件下也有约67%的磷经剩余污泥去除；污泥最高含磷量为3.57%（HRT=3.5 h、SRT=3 d），相对低于部分EBPR系统，可能与短SRT下生物量增长快、稀释了污泥含磷量有关。按市政污水TP为6 mg L^-1估算，约4.0–5.3 g P m^-3可转入剩余污泥流，具备下游回收基础。

3.5.1 BMP：SRT为2 d时最大甲烷产率337 mL CH₄/g VSS出现在HRT为2.5 h，与A段污泥报道值（333 mL CH₄/g VSS）相近；SRT缩短至1.5 d时BMP显著升高，最高达369 mL CH₄/g VSS。短HRT下较高BMP可能反映生物量中保留更多未氧化、易发酵有机物，胞内碳储存产物亦有贡献。

3.5.2 模型化系统能量平衡：基于COD分配与BMP结果，对概念性A/O-MBR-AD流程进行假设性能量平衡评估（BMP外推因子取1.0作为连续AD的上限参考情景）。参考假设下，SRT为2 d、HRT为2.5–4.5 h时能量平衡为正，HRT为6 h时为负；最高模拟净能量收益为0.20 kWh m^-3（SRT=1.5 d、HRT=3.0 h），但该条件除磷受限、需补充化学沉淀；在维持稳定EBPR且不投加药剂的条件下，SRT为2 d、HRT为3 h时模拟净能量盈余为0.056 kWh m^-3。敏感性筛选表明净能量平衡对BMP外推因子与热电联产（CHP）效率最敏感，其次为曝气需求，泵送与污泥浓缩影响较小；基准情景下能量为正的SRT=2 d条件，其BMP外推因子盈亏平衡点约为0.87–0.92，若降至0.80则全部转为能量负值。膜污染控制曝气是能耗主体，占A/O单元能耗>80%、占系统总能耗56–77%，因高负荷下微生物以吸附储存为主、代谢耗氧率低，放大了膜擦洗曝气的贡献；采用低能耗膜技术（如40 LMH通量下振动膜能耗低至0.072 kWh m^-3）有望改善净能量表现。

3.6 性能比较与实际意义：与其它短SRT EBPR系统比较，本研究的稳定运行可归因于生物选择与物理截留生物量的共同作用；既往研究多用合成废水或外加碳源，易富集利用挥发性脂肪酸（VFA）的Accumulibacter，而本研究在实际市政污水高负荷条件下Tetrasphaera为唯一潜在PAO，其代谢多样性更利于实际污水与短SRT条件下的富集。MBR不依赖重力沉降保留悬浮固体，使总HRT短至2.5 h仍维持稳定EBPR，约66%进水COD进入剩余污泥流。研究主要证明生物学与工艺可行性，长期膜过滤性能未系统评价，高通量短HRT下的膜污染行为、清洗需求与膜寿命仍需进一步评估。

讨论与结论：讨论部分指出，SRT约2 d为所试条件下稳定EBPR的实用阈值，低于该阈值EBPR性能恶化且对水力接触时间愈发敏感；短SRT下EBPR恶化与所考察的典型GAO相关类群富集无关，ΔP/ΔSCOD下降可能更多反映异养或发酵过程对净SCOD消耗的贡献增大。膜法高负荷运行需权衡处理量与膜需求，放大前需评估长期膜污染、过滤稳定性、清洗要求与膜寿命。能量评估提示，短SRT下较高BMP有利于侧流甲烷回收，但净能量盈余依赖较高的BMP实现率与膜曝气优化。研究结论为：在所试条件下，SRT约2 d是稳定EBPR的实用阈值；该SRT下约66%进水COD被导向污泥相并限制碳矿化；在阈值及以上，即使HRT短至2.5 h，除磷效率仍持续超过89%；微生物群落分析表明实际市政污水条件下Tetrasphaera是优势菌属中唯一潜在PAO；模型化的A/O-MBR耦合侧流AD系统在有利的甲烷回收与膜曝气条件下具有接近能量中性运行的潜力，同时无需化学药剂即可维持稳定EBPR。总体而言，这些结果展示了在高速率处理框架内整合EBPR、碳捕获与侧流能量回收的潜力。