近日，威尼斯官网水质安全团队于鑫课题组在环境领域高水平期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“The membrane aerated biofilm reactor for nitrogen removal of wastewater treatment: Principles, performances, and nitrous oxide emissions”的综述论文。该项工作调研了近20年膜曝气生物膜反应器（Membrane aerated biofilm bioreactor, MABR）的实验研究和中试应用，全面阐述了MABR的异向传质原理、生物膜脱氮机制、新型氮去除过程及N₂O产生与消耗机理。同时总结了影响MABR脱氮的主要因素，包括反应器设计、操作条件、N₂O排放和缓解措施，为开发MABR脱氮技术提供了全面的理论参考。

论文背景

脱氮一直是污水处理行业的热点话题。废水生物脱氮主要以活性污泥法为主，其特点是适用范围广且运行可靠，但也存在高耗能和污泥产量大等问题。在全球碳中和背景下，污水处理面临提质增效和节能降耗的双重压力，对新型高效脱氮工艺的发展需求迫切。

MABR是一种结合膜曝气技术与固定化生物膜技术的新型水处理技术。其中氧气和污染物分别以对流扩散形式从生物膜两侧进行传质并逐渐消耗，最终完成污染物的去除。相比较传统生物处理工艺，MABR有如下优势：①供氧形式为无泡曝气，理论O₂利用率接近100%；②氧和污染物异向传质，生物膜内部具有独特的微生物群落分层，可实现同步硝化反硝化。MABR作为一种高效节能的脱氮技术，是污水处理节能减耗和提质增效的良好选择。

结论与建议

结论：（1）MABR电子受体和电子供体以对流扩散形式在生物膜内部进行传质，生物膜从膜表面向外依次形成好氧-缺氧-厌氧微生物群落结构，可实现同步脱氮除碳的功能；（2）MABR无泡曝气氧传递效率高，且环境扰动小，是污水处理节能降耗的良好选择；（3）MABR易与其他新型脱氮技术耦合，可进一步提高脱氮效率，还可以与活性污泥法工艺联用，实现污水处理提标改造；（4）曝气压力、流速、C/N、生物膜厚度是影响MABR脱氮的主要因素；（5）MABR独特的生物膜结构可缓解N₂O的排放，减小污水处理碳足迹。通过间歇曝气和调整生物膜厚度均匀化可保证脱氮效率，同时减少N₂O的排放。

建议：（1）开发低成本、高亲和力和抗堵塞的膜材料；（2）探究并建立MABR耦合活性污泥工艺的数学模型；（3）MABR实际运行的长期检测与验证；（4）建立MABR系统N₂O排放的评估体系，深入研究控制N₂O产生和排放的措施。

图1 不同商业用曝气器氧传递性能的比较

图2  MABR传质模型示意图

图3生物膜N₂O的产生途径比较：(a)共扩散生物膜(传统生物膜),(b)异向扩散生物膜(MABR);

(c)、(d)分别为传统生物膜和MABR中N₂O的产生和消耗。

研究团队

论文的通讯作者为于鑫教授，第一作者为威尼斯官网2020级博士生李建国。该研究得到国家自然科学基金委和厦门市科技局的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141693

图、文 | 李建国

责任编辑 | 于鑫