《Journal of Water Process Engineering》：Aeration strategy and nitrogen loading for stable partial nitrification coupled with oxygen-permeable membranes: Long-term performance, biofilm characteristics, and microbial succession
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长期运行中膜曝气生物膜反应器（MABR）部分硝化（PN）的稳定性研究，采用死端曝气策略实现硝酸盐积累比（NAR）达84.7%，通过动态氮负荷（4.5 kg·N·m?3·d?1）和游离氨调控抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），微生物分析显示AOB活性低但Nitrolancea占主导，揭示生物膜微环境对NOB resilience的关键作用。
Xifang Tang|Bao-Shan Xing|Yong-Ning Feng|Ling-Hu Li|Xin-Xin Sun|Yu-You Li|Rong Chen
国家国际科学技术合作中心城市替代水资源开发实验室，教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安建筑科技大学废水处理与回用工程技术研究中心，陕西省西安市雁塔路13号，710055，中国
摘要
本研究在493天的时间内，探讨了膜曝气生物膜反应器（MABR）中部分硝化（PN）的长期性能。死端曝气快速促进了生物膜的形成，并精确控制了氧气供应，使亚硝酸盐积累率在3天内从1.1%增加到84.7%。曝气压力（约0.2巴）和系统溶解氧水平（<1.0毫克·升^-1）创造了有利于PN稳定性的选择性氧气梯度。动态氮负荷（高达4.5千克氮·立方米^-1·天^-1）和游离氨调节有效抑制了亚硝酸盐氧化菌，使得出水中的NO2^-–N/NH4+–N比值为1.15 ± 0.24，这适合厌氧氨氧化（Anammox）过程。微生物分析显示，尽管生物膜中氨氧化菌（AOB）的数量较少，但其活性持续存在，同时亚硝酸盐氧化菌（主要为Nitrolancea属）占主导地位（42.0%）。生物膜微环境对AOB的适应性起着关键作用，强调了综合调控曝气、氮负荷和生物膜管理的必要性。这些发现对MABR的应用具有价值，并指出需要进一步研究以实现这种高效配置下的稳定PN过程。
引言
部分硝化（PN）为废水处理中的氮去除提供了一种可持续途径，其中氨氧化菌（AOB）将NH4+–N转化为NO2^-–N [1]。与传统硝化过程相比，基于PN的新技术（如PN/Anammox）因碳需求低、曝气要求少和污泥产生量少而受到广泛关注 [2]。稳定的NO2^-–N积累是PN系统的关键。通过控制低溶解氧（DO）、游离氨（FA）和污泥停留时间（SRT），可以在各种反应器配置中维持PN过程，利用亚硝酸盐氧化菌（NOB）和AOB之间的生态位差异 [3]，[4]。然而，悬浮生长系统和传统生物膜系统的能量效率低、氧气转移效率低、能耗高以及长期稳定性不足，促使人们关注具有改进氧气控制的替代反应器设计，以实现稳定的PN运行。
膜曝气生物膜反应器（MABR）由于其独特的对流扩散配置和高氧气利用效率，成为实现PN的特别有前景的平台 [4]，[5]，[6]。MABR不仅减少了曝气能耗和反应器占地面积，还实现了硝化和反硝化的同时进行，在城市和工业废水的先进氮去除方面表现出优异的性能 [7]。该技术特别适用于处理高浓度铵废水，因为高效的氧气转移减少了曝气能耗，同时满足了高氧气需求。由此产生的高气体利用效率促进了稳定生物膜微环境的形成，从而确保了稳定且高效的PN过程 [2]，[7]。与传统工艺相比，MABR–PN/Anammox系统显示出显著的优势，包括节能高达60%和污泥产生量减少80% [8]。此外，其径向DO梯度允许功能群的空间分离：膜表面附近的较高DO浓度有利于AOB活性，而低DO的外层生物膜和整体液体区域有助于抑制NOB [9]。
然而，在MABR中实现长期稳定的PN仍然具有挑战性。一旦NOB在生物膜中定植，它们会被生物膜基质保护，从而难以受到控制措施的影响 [10]。以往的研究主要集中在通过调节曝气压力、DO水平或FA/FNA处理来实现PN的短期稳定 [11]，[12]，[13]。然而，微生物的适应性仍然是持续抑制NOB的主要挑战。例如，Lu等人 [9] 报告称，在低DO条件下，交叉流MABR无法完全抑制NOB；而Lackner等人 [14] 报告称，在传统系统中，共扩散生物膜更容易维持NO2^-–N的积累。尽管通过DO和FA控制，MABR已经实现了短期的PN稳定性（50–200天）[15]，[16]，但延长的SRT和微生物群落的固有适应性往往会在长期运行中导致NOB的再次出现。这些发现强调了需要更精确的氧气供应策略，以支持AOB的富集并有效控制NOB的增殖。
MABR的氧气转移效率受到曝气模式的显著影响 [12]。广泛应用于MABR的交叉流曝气可以在整体液体中灵活控制DO，但存在气体流失的问题。相比之下，死端曝气通过将所有气体流量导向膜腔内，实现了接近100%的氧气转移效率，消除了气体损失并提高了利用效率 [17]。交叉流曝气 [18] 和死端曝气 [19] 都已被应用于MABR的PN过程中，但很少有研究系统地比较不同曝气模式对PN稳定性、生物膜发展和微生物适应性的长期影响。除了曝气策略外，NH4+–N负荷率（NLR）也是影响MABR中PN性能的关键因素。尽管高浓度废水会促进FA和FNA的形成，从而在悬浮生长系统中抑制NOB，但在处理高铵废水的MABR中仍然会发生NOB的增殖 [18]，[20]。然而，NLR介导的FA水平与曝气策略在控制NOB活性之间的机制相互作用尚不完全清楚。多种调节机制的相互作用使得有效的NOB抑制策略的开发变得复杂，对MABR中稳定PN运行的全面理解仍然不足。
因此，本研究旨在通过系统优化曝气模式、NLR和水力条件，在490天的连续运行中建立一个稳定且长期的PN过程。具体来说，比较了交叉流曝气和死端曝气，以确定更有效的NOB抑制策略。在最佳曝气模式下，系统地增加NLR，以确定最大化亚硝酸盐积累率（NAR）的范围，利用精确氧气供应和FA介导的抑制的协同效应。根据NAR、生物膜的物理化学性质和微生物群落演替来评估反应器性能。这些发现为在MABR中实现可持续PN提供了重要见解，并为高效氮去除的实际设计策略提供了依据。
部分内容摘录
反应器配置
构建了一个实验室规模的MABR系统，总体积为3.3升（图1）。反应器配备了硅胶中空纤维膜模块（杜邦公司，美国特拉华州威尔明顿；膜面积：0.365平方分米，气通量：30–100升/小时@320毫巴）。系统在恒温水浴中保持在35 ± 1°C。连续进水流由蠕动泵（BT100J-1 A/YZ15-13 A，中国）提供，而另一个蠕动泵则负责内部循环，以确保充分混合。
交叉流和死端曝气策略的影响
本研究系统地比较了交叉流和死端曝气策略的性能差异，揭示了曝气模式对硝化动态的关键影响。进一步的研究评估了结合死端曝气与NLR和FA应力来稳定PN过程的可行性。493天运行期间的进氮负荷和水力停留时间（HRT）设置如图2a所示。在长期运行中，PN性能
结论
本研究系统地调查了MABR中部分硝化的长期性能，持续时间为490天。在交叉流曝气下，由于生物膜发育不足和氧气梯度不理想，PN性能不稳定，250天内NAR低于10%。相比之下，死端曝气有效增强了局部氧气传输，使NAR在3天内迅速增加到84.7%，并促进了有利于AOB的生物膜分层，表明死端
作者贡献声明
Xifang Tang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。Bao-Shan Xing：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论。Yong-Ning Feng：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Ling-Hu Li：形式分析，数据管理。Xin-Xin Sun：研究。Yu-You Li：撰写 – 审稿与编辑，监督。Rong Chen：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52270049）和日本学术振兴会（编号：P24088）的支持。
