清华大学黄霞团队：新型CMABR技术实现高效主流脱氮
清华大学黄霞团队：新型CMABR技术实现高效主流脱氮
清华大学环境学院黄霞团队在《Water Research》期刊上发表最新研究成果，提出了一种新型的载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR）用于短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺实现主流脱氮。研究发现，通过两级CMABR的串联运行，可以同时实现高效的氮去除和稳定的出水水质，为污水处理技术的发展提供了新的思路。
研究背景与意义
短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）技术结合膜曝气生物膜反应器（MABR）因其卓越的能效优势，正逐步成为研究的热点。然而，较低的脱氮速率和难以稳定抑制的亚硝酸盐氧化菌（NOB）仍是其发展的最大挑战。为优化MABR中PN/A工艺的脱氮效果，本研究提出了载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR），即通过增加载体，将传统MABR外层的厌氧氨氧化菌（AnAOB）转移到载体生物膜上，减少生物膜过厚对氨氮传质的影响，进而强化氨氧化菌（AOB）活性并提升脱氮速率。
实验设计与方法
采用如图2所示的CMABR小试装置，未填充载体时有效体积约0.98 L。膜组件为硅胶与无纺布的复合材料，膜面积比为54 m2/m3。载体选用聚氨酯海绵，填充率为30%。装置采用自配模拟污水作为进水，启动时首先在MABR中实现短程硝化，随后加入附有AnAOB的海绵载体以实现PN/A。
研究结果与分析
研究发现，CMABR的脱氮速率最高可达200 g-N/(m3·d)。随着HRT的增加，出水氨氮浓度逐渐降低，脱氮速率也有所下降。HRT为6 h时，CMABR的出水氨氮浓度降低到0.73±0.44 mg/L，脱氮速率仍能达到158 g-N/(m3·d)。这证实了CMABR在低氨氮浓度下仍能维持较高的脱氮速率。
但是，在PN/A过程中，低氨氮浓度会使AOB活性减弱，进而削弱AOB对NOB的竞争性抑制。本研究通过分析不同HRT下AOB和NOB的活性，发现了AOB和NOB的活性变化机制。每次增加HRT后，氨氮浓度降低引起AOB活性下降，进而使生物膜内的氧浓度整体上升。随后，AOB和NOB数量的增加使氧浓度再次降低达到平衡，弥补了AOB活性的下降，并导致了NOB活性的增加。试验结果表明，HRT<5.5 h时，氨氮浓度>5mg/L，NOB活性可在较低水平达到平衡；HRT为6h时，氨氮浓度降低到1 mg/L以下， NOB活性呈持续增长趋势，引起出水水质恶化。因此，在CMABR中同时实现低出水氨氮浓度和稳定的NOB抑制是一个挑战。
将两级CMABR串联运行，可解决出水氨氮浓度和NOB抑制的矛盾。第一级CMABR具有较高的氨氮浓度，可稳定抑制NOB；第二级CMABR可进一步提升出水水质。处理效果如图5所示，两级CMABR出水总氮浓度稳定在9.4±2.4 mg /L，总氮去除率达到了81%，实现了稳定高效的PN/A脱氮。对比其他研究发现，串联式CMABR在启动时间、脱氮速率以及出水氨氮、总氮浓度等方面均具有明显优势。
结论与展望
本研究提出了一种新型的载体耦合膜曝气生物膜反应器（CMABR）用于PN/A工艺实现主流脱氮。考察了HRT对脱氮性能和NOB抑制的影响，并提出了优化策略。将两级CMABR串联运行，可解决出水氨氮浓度和NOB抑制的矛盾。两级串联式CMABR在启动时间、脱氮速率及氮去除等方面均具有明显优势。研究结果将对在MABR系统中实现自养脱氮提供重要参考。