研究背景

有机碳和氮一直是污水处理过程的首要去除目标。膜曝气生物膜反应器（MABR）结合了无泡曝气技术和生物膜技术的特点，已经逐步成为未来污水处理流行的选择。在MABR生物膜内，溶解氧和污染物（如COD和NH₄⁺-N）在生物膜的两侧对流传质，其浓度扩散呈现梯度变化为不同功能菌群微生物提供了适宜的微环境。膜/膜组件是MABR的核心单元，其作为氧传质的介质和生物膜生长的载体。理想的MABR膜材料应具备快速稳定的挂膜能力及优良的透气性，此外也应兼具价格低廉和耐污染等特征。目前并未有针对MABR专用的膜材料，尽管有在售的市场膜组件，但膜材料性能的改进一直引发研究者的关注。疏水微孔膜是市售膜材料中最廉价易得的透气膜，然而其表面疏水性不利于生物膜的生长，在长期运行过程中膜孔容易被堵塞。通过化学改性膜表面，如提高表面粗糙度和亲水性，有利于提升MABR的挂膜性能，但稳定性较差不适宜规模化制备。此外，MABR在处理高C/N废水时，其硝化性能容易受到好氧异养菌的竞争抑制，导致其脱氮能力下降。为解决上述问题，实验室博士生李建国提出一种新颖的膜材料改性思路，即在中控纤维膜表面编织空心尼龙填料，极大改善了膜组件的挂膜性能。通过120天的不间断运行，改性膜有效提高了MABR的脱氮除碳能力，且膜孔不易被污堵，跨膜压差维持稳定。该方法使用的空心尼龙绳廉价易得，甚至可以用空心尼龙鞋带代替，这为MABR的规模化应用提供了一种简单易行的膜制备/改性思路。这一工作已发表在ACS ES&T Water 2024 4 (7), 3027-3036。

第一作者：李建国

通讯作者：于鑫 教授

通讯单位：厦门大学环境与生态学院

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00253

成果介绍

本研究通过在PTFE中空纤维膜表面编织一层尼龙填料（HNR），编织层亲水性强有大量空隙有利于生物膜的持留和增殖，并将其命名为HNR-PTFE。经历120天的不间断运行，比较含HNR-PTFE（R1）与含PTFE的MABR（R2）的运行效能，结果显示，相比于R1，R2去除COD和TIN的能力分别提高了16%和28%。此外，R2运行跨膜压差稳定，生物量大且稳定，有良好的挂膜能力和抗污染效能。同时克服了MABR在处理高C/N废水时自养氨氧化菌被好氧异养菌竞争受抑制的情况，极大提升了MABR在污水处理过程中的应用潜力。这为未来膜材料改性和制备提供了一种廉价可行的改性思路。

图1 两种MABR反应器脱氮除碳性能比较。(a) COD的去除效能；(b) NH₄⁺-N的去除效能；(c) 总无机氮(TIN)去除效能; (d) 反应器出水中NO₂^- -N 与 NO₃^- -N随时间的变化。

图2 生物膜生物量与膜污染情况比较。(a)生物量的变化；(b) 生物膜厚度变化；(c) 跨膜压差的变化; (d) 生物膜胞外聚合物的含量及组成。

图3 微生物群落分析。(a)门水平；(b) 属水平