A3：科技智慧总第3597期 >2026-03-25编印

第一作者：王黎声、张聪聪

通讯作者：黄霞教授

通讯单位：清华大学环境学院

DOI：10.1016/j.watres.2026.125398

亮点

·构建了中试规模膜曝气生物膜反应器（MABR）+厌氧氨氧化载体床（CEBR）耦合系统，实现实际污水主流脱氮

·提出并验证了游离亚硝酸（FNA）强化策略，实现NOB的快速、稳定失活

·在低COD条件下，总氮去除率最高达78%，其中超过一半由短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）贡献

·揭示了水力停留时间（HRT）和生物膜厚度对“脱氮速率-出水水质”权衡关系的影响

图文导读

膜曝气生物膜反应器（MABR）因其高氧利用效率和低能耗，被认为是未来实现污水厂低碳运行的重要技术方向。将短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺与MABR结合，有望进一步显著降低曝气能耗和碳源消耗。然而，在主流污水、低碳源条件下：亚硝酸盐氧化菌（NOB）极难稳定抑制；系统容易转化为全程硝化；中试和工程尺度长期稳定运行案例极少。针对上述难题，本研究构建了中试规模MABR+厌氧氨氧化载体床（CEBR）耦合系统，并系统评估其在真实污水条件下实现PN/A主流脱氮的可行性与稳定性（图1为图文摘要）。

图1  图文摘要

采用如图2所示的MABR耦合CEBR的中试装置图。MABR单元(1.25m³)负责短程硝化，CEBR单元(0.62m³)则富集厌氧氨氧化菌(AnAOB)，两者通过回流耦合形成PN/A协同脱氮体系，来处理低COD、低C/N及含有少量硫化物的厌氧膜生物反应器(AnMBR)的出水。系统运行分为两个阶段：（阶段0）启动与硝化阶段（1-29天）：建立稳定硝化；（阶段I）真实污水运行阶段（30-129天）：评估硝化/反硝化能力；（阶段II）FNA强化+接种AnAOB阶段（130-195天）：构建稳定PN/A。

图2  膜曝气生物膜反应器（MABR）耦合载体膨胀床反应器（CEBR）的中试装置图

图3为接种AnAOB之前不同操作条件下的处理效果。结果表明，在未接种AnAOB阶段，系统的硝化性能受进水负荷与供氧条件显著影响。随着进水负荷提高（Phase1-3），单位膜面积氨氧化速率持续提升，但氨氮去除率下降，体现出典型的“处理速率-出水水质”的权衡关系。通过增加膜面积和连续曝气（Phase 4），可显著提高硝化能力，氨氮去除率最高可达约83%。然而，在低COD条件下，总氮去除率仅为20-30%，证实单纯依靠传统硝化/反硝化难以实现深度脱氮，从工程上证实了引入PN/A工艺的必要性。

图3  接种AnAOB之前不同操作条件下硝化和反硝化效果

为了实现NOB的灭活，在此中试系统实施FNA强化策略：在1.0~1.3mg-N/L的FNA浓度、接触时间为24h时，实现了NOB的灭活（未在图中显示）。图4表明，在接种AnAOB后，系统成功由硝化/反硝化模式转变为以PN/A为主导的脱氮模式。随着HRT增加，出水氨氮浓度持续降低，总氮去除效率显著提升。在进水流量为1.2m³/d条件下，总氮去除率稳定达到约78%，且亚硝酸盐和硝酸盐在出水中均维持在极低水平，表明PN/A过程已稳定建立。图5表明，在以上条件下PN/A对总氮去除的贡献为55%（图5a），证实该中试系统已实现以自养脱氮为核心的稳定运行模式。然而，出水水质在此条件下并不能达到排放标准（进水流量为1.2m³/d），进一步降低进水流量为1m³/d则导致总氮去除速率降低（图5b），即低氨氮浓度会限制AOB的活性。因此，本研究进一步优化操作条件，即通过关闭内循环来增加底物浓度（图4），结果表明由于亚硝氮无法被AnAOB及时消耗而累积，破坏了NOB抑制条件因而导致脱氮效率下降。进一步地，通过冲洗膜组件以削减厌氧生物膜厚度来提高氨氮向好氧生物膜的传质，最终因为好氧菌群的损失导致氨氮的氧化降低，从而导致整体脱氮率降低。因此，为了有效地平衡出水水质和MABR的脱氮率，建议在未来的实践中采用合适的生物膜厚度控制策略。例如，在MABR膜表面包裹特定厚度的无纺布载体，使生物膜附着于载体表面；冲洗时仅剥离超出无纺布厚度的厌氧生物膜，保留载体内部的好氧微生物，兼顾传质效率与好氧菌群量。

图4  接种AnAOB之后在不同操作条件下的氮去除效果

图5  接种AnAOB之后在不同进水流量下异养脱氮和自养脱氮的效能

小结

本研究首次在中试规模验证了MABR+CEBR耦合PN/A主流脱氮，考察了不同进水流量下的氮去除效能，提出控制进水流量可以在NH₄⁺-N氧化速率和NH₄⁺-N去除效率之间进行权衡；证明FNA抑制是工程可行的NOB抑制策略，在低COD条件下实现78%TN去除率，且一半以上氮去除是由PN/A过程贡献的。

作者简介

黄霞：清华大学环境学院教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授和创新团队带头人、首批环境保护部专业技术领军人才、国际水协会杰出会士（Distinguished Fellow）和膜技术专家委员会前任主席。担任中国工程院院刊ENGINEERING Environment期刊执行主编、Water Research X期刊Editor等。主要从事膜集成水处理技术、功能膜材料、生物电化学污水处理技术、低碳污水系统与资源能源回收技术、污水监测与生物风险控制等研究。在Nat Sustain, Sci Adv, Nat Comm, Energy Environ Sci, Environ Sci Technol, Water Res等期刊上发表SCI收录论文500余篇，自2014年连续12年入选爱思维尔中国高被引学者；出版专著/教材5部；曾获国家科技进步二等奖3项、省部级一等奖8项、国际水协会IWA MTSG膜技术奖、Environ. Sci. & Technol.和ESWRT年度最佳论文奖。

王黎声，清华大学环境学院博士，师从黄霞教授，主要研究方向为污水生物脱氮工艺，以第一作者身份在Water Research等学术期刊发表论文 5 篇。现就职于重庆市中冶赛迪工程技术股份有限公司。

张聪聪，2022年于巴塞罗那自治大学获得环境工程博士学位，现为清华大学水木学者博士后，合作导师为黄霞教授。从事污水生物处理、污水中资源及能源回收等研究，以第一作者（或共同一作）身份在Water Research等学术期刊发表论文 9 篇，获授权发明专利1项。

（来源：净水万事屋）