水通道蛋白正渗透膜与生物膜载体材料在新型渗透膜生物反应器中用于低温农村污水处理的研究

《Materials》：Evaluation of Aquaporin-Incorporated Forward Osmosis Membrane and Biofilm Carrier Materials in a Novel Osmotic Membrane Bioreactor for Low-Temperature Rural Sewage Treatment

　　

将传统膜生物反应器(MBR)改造为正渗透膜生物反应器(OMBR)是一项极具挑战性但前景广阔的技术升级。尽管两者均结合了生物处理与膜分离技术，但其核心驱动力和运行机制完全不同(MBR为压力驱动，而OMBR为渗透驱动)。本研究测试了一种集成固定生物膜的新型正渗透膜生物反应器(BF-OMBR)，以肥料级氯化钾(KCl)作为汲取液(DS)，采用商用Aquaporin Inside^TM正渗透(FO)膜处理合成农村废水。研究开展了实验室规模试验，将BF-OMBR与传统OMBR和MBR进行对比。实验数据表明，采用水通道蛋白膜的反应器比传统TFC膜具有更高的水通量，而固定化生物膜相比普通OMBR提高了总氮去除率。BF-OMBR系统中这两种技术的集成似乎发挥了各自的优势。其总有机碳(TOC)和氨氮去除效率也优于其他两种生物反应器。同时，BF-OMBR在90天运行期间成功将盐度累积控制在不超过2.5 mS/cm的水平。这种新型渗透生物反应器可能为克服低温和低C/N比农村污水处理的挑战提供了一种可行的替代方案。

论文解读：水通道蛋白正渗透膜与固定生物膜集成的新型渗透膜生物反应器用于低温农村污水处理

**一、研究背景与意义**

农村生活污水日益呈现出低碳氮比(C/N)特征，尤其在雨水稀释或与畜禽养殖、小型乡村工业废水混合的区域。此类污水通常具有较低的化学需氧量(COD)浓度和相对较高的氮含量。由于许多农村地区的排水和收集设施尚不完善，未经处理或部分处理的废水常直接排入自然水体，加速水体富营养化，增加水生毒性，并对环境和公众健康构成风险。

目前，此类低C/N比农村生活污水的处理主要依赖膜生物反应器(MBR)工艺。然而，在中国北方冬季，当进水C/N比较低时，许多MBR系统表现出不理想的处理效率。这是因为低温环境下MBR中的微生物活性受到显著抑制，好氧污泥甚至在持续降温下发生解体，导致处理效率急剧下降。此外，MBR系统频繁使用次氯酸钠(NaClO)和氢氧化钠(NaOH)等强碱性或强氧化性清洗剂，这些高腐蚀性试剂不可避免地加速不锈钢膜架和金属管道的结构退化与腐蚀。

正渗透(FO)是一种相对较新的渗透驱动膜分离技术。与微滤(MF)、超滤(UF)和反渗透(RO)等压力驱动膜分离过程相比，FO具有低能耗、高污染物截留率、操作简单和膜污染倾向较低等独特优势。将FO与活性污泥工艺结合形成渗透膜生物反应器(OMBR)在污水处理与再生领域引起了更多关注。对于农村应用场景，选择肥料溶液作为汲取液(DS)直接用于灌溉或温室水培，无需额外回收过程，使OMBR处理更具经济性和适用性。尽管已有研究探讨了使用商业TFC膜将现有MBR改造为浸没式OMBR并获得良好的微量有机物截留效果，但针对农村地区普遍存在的低温和低C/N比污水的MBR至OMBR改造尚未得到充分关注。同时，关于改造后OMBR中盐度累积的研究相对有限——盐分不仅损害系统中的微生物和污泥，还存在设备腐蚀风险。此外，MBR改造为OMBR过程中总氮(TN)去除的研究仍不充分。

基于上述背景，研究人员开展了实验室规模实验，建立了一种结合水通道蛋白FO膜(AQP-FO)与固定生物膜的新型OMBR系统，期望该新型系统可作为现有MBR系统的补充替代方案，确保冬季或极端条件下出水排放的安全性。该研究发表在《Materials》期刊上。

**二、关键技术方法**

研究人员从天津咸阳路污水处理厂(39°06′14.78″ N 117°04′49.66″ E)采集好氧活性污泥作为所有反应器的接种污泥。实验采用三套平行反应器系统：传统MBR(反应器1)、常规OMBR(反应器2)和BF-OMBR(反应器3)，有效体积均为50.2L，在10±1.5°C低温条件下运行90天。研究使用合成废水模拟低C/N比(约1:1.2~1.3)农村污水，采用商业水通道蛋白(AQP)FO膜和传统TFC FO膜进行对比，以1M肥料级KCl溶液作为DS。主要技术手段包括：场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征膜形态、水通量在线监测系统、电导率仪监测盐度累积、离子色谱分析氨氮和亚硝酸盐浓度、Unisense微电极系统测定生物膜内部溶解氧(DO)分布。

**三、研究结果**

**3.1 膜表征**：通过FESEM观察，AQP FO膜支撑层底部呈现100~2000nm的多孔结构，界面聚合形成的选择性层具有典型的岩石状聚酰胺形态，膜横截面显示垂直排列的多孔结构，这通常意味着更高的水通量。

**3.2 水通量**：MBR系统在三种反应器中表现出最高的水通量(约10~24 LMH)，但UF膜在低温低C/N条件下因活性污泥解体释放的胞外聚合物(EPS)导致严重膜污染，水通量急剧下降。BF-OMBR的水通量优于采用传统TFC膜的常规OMBR，这是因为AQP膜将生物细胞中的天然水通道蛋白嵌入聚合物基质中，形成高亲水性专属通道，大幅降低了水分子跨膜传输阻力。水接触角数据证实AQP FO膜(56.5°)显著低于TFC FO膜(72.3°)，表明其亲水性更好。然而，FO膜的清洗恢复率有限，第四次清洗后常规OMBR和BF-OMBR的恢复率分别降至47%和63.3%，表明膜清洗操作并非无限有效。

**3.3 盐度累积**：三种反应器呈现不同的盐度模式，常规OMBR盐度最高，MBR最低。BF-OMBR的盐度低于常规OMBR，归因于两方面：一是通过间歇排泥有效抑制盐度升高，二是AQP膜的选择性优于传统TFC膜，其内部通道仅允许水分子通过，能有效截留盐离子。整个实验期间所有反应器的电导率维持在0.2~3.3 mS/cm范围内，处于活性污泥可承受的盐度水平。

**3.4 TOC和氨氮去除**：OMBR和BF-OMBR出水中TOC去除率分别不低于97.1%和98.2%，表明FO膜对有机污染物的截留性能优于UF膜。BF-OMBR表现出最佳的TOC去除效果，既依赖于FO膜的优异截留，也归因于附着生长生物膜的降解作用。固定生物膜载体使活性污泥附着于填料骨架而非分散在反应器中，对低温和低C/N比进水冲击具有更好的抵抗力。在氨氮去除方面，BF-OMBR同样表现最优，其生物膜的分层结构为不同生态特性的微生物提供了栖息环境，即使在低温条件下仍能维持较高的硝化活性。双环结构与醛纤维束构成稳定空间结构，为生长缓慢的硝化细菌提供附着表面，使其不被水流冲刷走并维持较长污泥停留时间。值得注意的是，BF-OMBR中检测到亚硝酸盐浓度异常，提示可能存在由固定生物膜辅助的同步硝化反硝化(SND)过程。DO微电极测定证实了生物膜内部存在好氧区和缺氧区，为SND提供了证据。

**四、讨论与结论**

研究人员指出，实验存在以下局限性：使用合成废水可能无法完全反映真实农村废水的复杂性；SND趋势仅通过宏观质量平衡确认，缺乏微观基因验证；实验设计无法精确解耦AQP膜和生物膜的各自贡献。建议未来研究设置对照组以系统评估各组分贡献。为优化总氮去除，建议采用间歇曝气策略或DO浓度控制方法，在反应器中建立反硝化过程。在实际肥料汲取液FO(FDFO)过程中，应考虑模拟复合肥组分(如NH₄NO₃+KH₂PO₄或NH₄H₂PO₄+KCl)的混合溶液，以获得最佳综合性能。

研究结论表明，将传统MBR的UF膜替换为FO膜可将其改造为OMBR，进一步集成固定生物膜载体和AQP-FO膜构建BF-OMBR。尽管MBR的水通量远高于OMBR(约3~4倍)，但BF-OMBR在TOC和氨氮去除方面优于MBR和常规OMBR。BF-OMBR在90天运行期间盐度累积保持较低水平(<3.5 mS/cm)。其性能提升归因于膜截留与附着生长生物降解的协同效应。然而，在连续曝气条件下未能实现有效反硝化，稳定的SND过程需要优化DO控制、曝气策略和/或碳源供给。FO膜的亲水性、抗污染性能及清洗方案仍需进一步改进以提升水通量和运行稳定性。总体而言，该研究证明了BF-OMBR作为冬季农村污水处理性能维持补充策略的可行性。