膜曝气生物膜反应器中用于液态厌氧消化物资源化利用的硝化性能与微生物群落分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Nitrification Performance and Microbial Community Analysis in Membrane-Aerated Biofilm Reactors for Valorization of Liquid Anaerobic Digestate

　　摘要：液体厌氧消化液是一种富含营养的厌氧消化副产品，在循环经济中既带来环境挑战，也蕴含资源利用机会。本研究探讨了实验室规模的膜曝气生物膜反应器在从液体厌氧消化液中可持续回收氮素方面的潜力。研究评估了pH值、水力停留时间以及进料浓度对生物硝化过程的影响。在稀释比为3、pH值为6.2且水力停留时间为10小时的条件下，使用液体厌氧消化液时可达到最高的硝化速率，为175毫克氮/升·天。而未稀释的液体厌氧消化液则需要更长的水力停留时间（两天），其硝化速率较低，仅为103毫克氮/升·天，同时还因亚硝酸盐氧化菌活性受抑制而出现亚硝酸盐积累现象。通过进料稀释、循环处理以及调整pH值（5.8-6.2）等优化策略，可提升工艺稳定性，使总氨硝化速率达到73.1毫克氮/升·天，整体硝化效率为38%。微生物分析表明，亚硝化单胞菌是主要的铵氧化菌，而科马蒙德菌科和阴沟单胞菌属的增殖则增强了生物膜的稳定性。这些研究结果展示了膜曝气生物膜反应器在从液体厌氧消化液中回收氮素方面的广泛应用前景，也为开发兼具硝化作用与有机碳去除功能的混合式膜曝气生物膜反应器系统奠定了基础，从而更好地支撑循环经济理念。

引言：从线性经济向循环经济的转型已成为应对资源枯竭、环境污染以及可持续发展挑战的关键策略。在这一框架下，废水越来越被视为可回收资源的宝贵来源，而非需要处理的废弃物（Chojnacka & Chojnacki, 2024）。在这些资源中，氮、磷和钾尤为重要，因为它们是农业生产的必需养分。据估计，废水每年含有高达1660万公吨、300万公吨和630万公吨的可回收氮、磷和钾（Qadir et al., 2020）。回收这些养分可减少13.4%的对合成肥的依赖，降低与化肥生产相关的温室气体排放，进而助力实现更可持续的农业系统（Sohn et al., 2023a）。

液体厌氧消化液是厌氧消化过程的副产品，属于极具潜力的富含营养的废弃物，非常适合用于养分回收。液体厌氧消化液中含有高浓度的铵、磷、钾以及有机碳，因此是生产可再生生物肥的理想原料（Sogn et al., 2018）。其成分取决于原料特性及消化条件（Chojnacka & Moustakas, 2024）；不过与固体部分相比，液体厌氧消化液能保留厌氧消化过程中产生的约70-80%的溶解态氮和磷（Zarebska et al., 2015）。其养分含量极高，干物质中的总凯氏氮含量可达97.5±19.4克/千克，五氧化二磷含量则为37.3±12.8克/千克，这使其成为生产可持续型氮磷钾肥的理想材料（Shafaghat et al., 2025, Zarebska et al., 2015）。因此，通过创新技术将液体厌氧消化液转化为生物肥，不仅能降低废物处理对环境的影响，还能通过提升土壤肥力、增加作物产量来支持可持续农业实践（J. Lu & Xu, 2021；Tambone et al., 2017）。

在现有的养分回收方法中，生物硝化越来越受到重视，因为它无需添加大量化学物质，即可将富含铵的废弃物转化为以铵盐和硝酸盐为基础的液体肥料（Merenda et al., 2025）。生物硝化是一个两步有氧过程：首先，铵氧化菌将铵离子氧化为亚硝酸盐，随后亚硝酸盐氧化菌再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐（Sohn et al., 2024）。虽然植物可直接利用铵作为氮源，但过高的铵浓度可能对植物生长、养分吸收以及根际环境稳定性产生不利影响。因此，将部分铵转化为硝酸盐，可提升富含铵的废弃物的农业利用价值。众多研究表明，与仅提供铵相比，同时提供适量的铵和硝酸盐能更好地促进根系发育、氮素吸收与同化、光合作用效率、碳代谢以及激素调节（Yang et al., 2025）。因此在多种农业系统中，混合铵盐与硝酸盐的营养供给方式都能提高氮素利用效率并提升作物产量。由此可见，生物硝化是一种将富含铵的液体厌氧消化液转化为养分更均衡的铵硝酸盐肥料的有效方法，这类肥料具有更好的农业应用效果。生成的铵盐与硝酸盐混合物可作为植物生长的优质氮源，也可直接用作液体肥料。然而，由于硝化微生物对pH值、溶解氧、游离铵、游离亚硝酸以及水力停留时间等操作条件极为敏感，要在高浓度铵废水中进行稳定的硝化反应仍面临诸多挑战（Faust et al., 2024）。

在富含铵的废水中，游离铵和游离亚硝酸的积累尤其成问题。先前的研究表明，亚硝酸盐氧化菌比铵氧化菌对这些抑制性物质的敏感度要高得多，这就导致两种微生物群之间的平衡被打破，进而出现亚硝酸盐积累现象（Udert & W?chter, 2012）。例如，仅有0.0175毫克HNO?-N/升的浓度就能使亚硝酸盐氧化菌的活性降低50%，而要达到同样的抑制效果，铵氧化菌则需要0.2毫克HNO?-N/升的较高浓度（L. Wang et al., 2023）。此外，pH值也会通过影响游离铵和游离亚硝酸的生成，从而显著影响硝化过程的效率。已有研究指出，硝化作用只能在相对狭窄的pH范围内稳定进行，一旦pH值偏离该范围，就可能导致硝化效率下降、微生物群落结构发生变化，以及亚硝酸盐过度积累（Faust et al., 2024）。因此，了解关键操作参数对硝化过程的影响，对于构建高效的液体厌氧消化液处理系统至关重要。

膜生物反应器因能够保留生长缓慢的硝化微生物并维持较高的生物量浓度，而被广泛用于生物硝化过程。此前有研究针对分离后的尿液进行处理，发现加入活性炭粉末和生物膜载体后，硝化速率可从194 ± 60毫克氮/升·天提升至304 ± 73毫克氮/升·天，同时水力停留时间可从10 ± 3天缩短至6 ± 2天（Sohn et al., 2024）。不过传统膜生物反应器存在氧气传输效率低以及需消耗较多能耗的问题。为解决这些缺陷，膜曝气生物膜反应器作为一种更具前景的替代技术应运而生。与传统悬浮生长系统不同，膜曝气生物膜反应器可通过透气膜直接向生物膜输送氧气，从而形成逆向扩散型的生物膜结构，这种结构不仅提升了氧气传输效率，还有助于形成分层化的微生物群落（Rahimi et al., 2021）。相较于传统的生物处理工艺，这种结构能在降低曝气需求的同时提升硝化效率。近期也有研究证实，膜曝气生物膜反应器在处理富含铵的废水方面具有很大潜力，包括分离后的尿液处理（Li et al., 2022）。例如，通过采用串联式膜曝气生物膜反应器，可以将有机物降解与硝化过程分开进行，从而在减少氮素损失的同时实现氮素的回收（Heusser et al., 2024）。在一个60升的膜曝气生物膜反应器中，当有机物负荷为2.6克COD/平方米·天时，有机物降解阶段即可去除75%的化学需氧量；而在后续的硝化阶段，使用富氧空气时硝化速率可达到1500毫克氮/升·天（相当于6.7克氮/平方米·天），使用普通空气时则为830毫克氮/升·天（相当于3.1克氮/平方米·天）。这种方法使硝化速率相比未经处理的尿液提高了一倍，水力停留时间也从传统系统的4-8天缩短至2-3天，同时通过重新利用废气，还将氨的损失控制在0.16%的水平。尽管如此，由于硝化过程对操作条件极为敏感，要始终保持稳定的高效硝化仍然是一项艰巨任务。此外，不同操作条件下微生物的生长速度和活性也存在差异，这进一步增加了工艺稳定性和控制的难度。

尽管已取得一定进展，但目前关于膜曝气生物膜反应器在液体厌氧消化液资源化利用中的应用研究还相对较少。尤其是关键操作参数对膜曝气生物膜反应器性能及工艺稳定性的影响，尚未得到系统性的研究。另外，高浓度液体厌氧消化液环境下亚硝酸盐积累及其后续转化相关的生物反应机制，也尚未得到全面深入的研究。填补这些知识空白，对于优化膜曝气生物膜反应器的运行效率、进一步提升消化液流体的养分回收率具有重要意义。

因此，本研究在多种操作条件下，评估了实验室规模的膜曝气生物膜反应器在处理来自悉尼水务厂厌氧污泥消化过程的液体厌氧消化液时的生物硝化性能。研究系统地分析了进水浓度、水力停留时间、pH值以及进料策略对反应器性能的影响，同时通过微生物群落分析和功能分析，研究了微生物的适应性及其与氮素转化过程之间的关系。本研究的创新之处在于，它将工艺性能、微生物群落动态以及功能代谢特征相结合，深入分析了影响膜曝气生物膜反应器处理液体厌氧消化液时硝化稳定性、亚硝酸盐积累以及工艺回收效率的关键因素。这些研究结果为复杂消化液流体的生物硝化过程提供了新的见解，也为基于膜曝气生物膜反应器的养分回收系统的设计、优化及未来发展提供了实用指导。

实验材料：液体厌氧消化液
本研究中的液体厌氧消化液是在2024年2月至11月期间，每月从悉尼的一家本地水务厂采集的。采集到的液体厌氧消化液被储存在10升的容器中，并在4摄氏度下冷藏，直至用于膜曝气生物膜反应器实验。本研究期间对采集到的液体厌氧消化液中各组分的平均浓度进行了检测，相关数据见表1，这些数值与我们之前的研究结果基本一致（Merenda et al., 2025）。

实验装置：带中空纤维的膜曝气生物膜反应器系统

系统在循环模式下的启动
为让系统逐渐适应新的废水类型，共进行了六次连续测试，每次测试持续两天。每次实验结束后，都会清空液体厌氧消化液进料罐，然后向系统中加入新的稀释后的液体厌氧消化液，开始下一轮测试。在每轮测试中，进水的pH值分别监测为8、7.7、7.7、7.8、7.7和7.8，这说明进水的碱性存在轻微波动。pH值的下降表明硝化过程已经开始，因为硝化作用会消耗溶液中的碱度。

结论：本研究证明了膜曝气生物膜反应器在不同操作条件下，具备稳定并从液体厌氧消化液中回收氮素的能力。在稀释比为3、pH值控制在6.2的条件下，该系统处理液体厌氧消化液时的最高硝化速率可达175毫克氮/升·天。而当进水浓度过高时，由于亚硝酸盐积累以及亚硝酸盐氧化菌活性受抑制，硝化作用只能部分进行。通过进料稀释、将pH值从6.2降至5.8以及实施循环处理等优化措施，可进一步提升工艺性能。

未引用参考文献：无

作者贡献说明：
Sherub Phuntsho：撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理、实验研究、资金申请、正式分析。
Ho Kyong Shon：撰写——审阅与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、项目管理、实验研究、资金申请、正式分析、概念构思。
Weonjung Sohn：撰写——审阅与编辑。
Django Seccombe：撰写——审阅与编辑、资源协调。
Hsin-Chieh Lin：撰写——审阅与编辑、方法设计、实验研究、正式分析。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。Sherub Phuntsho担任《PSEP》期刊的学科编辑，而本篇手稿的编辑处理和审稿工作则由另一位编辑负责。

致谢：澳大利亚研究委员会“循环经济中的养分”工业转化研究中心（IH210100001）为本研究提供了支持。

利益声明：作者再次声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。Sherub Phuntsho担任《PSEP》期刊的学科编辑，而本篇手稿的编辑处理和审稿工作则由另一位编辑负责。

A.H. Shafaghat|Hsin-Chieh Lin|Andrea Merenda|Weonjung Sohn|Django Seccombe|Sherub Phuntsho|Ho Kyong Shon