Membrane aerated biofilm reactor system driven by pure oxygen for wastewater treatment  

純氧驅動膜曝氣生物膜反應器系統用于廢水處理  

來源：Bioresource Technology, Volume 393，130130

《生物資源技術》卷號393，文章編號130130

 

摘要內容  

該研究首次開發了純氧驅動膜曝氣生物膜反應器（PO-MABR），通過氣體滲透膜直接擴散低壓純氧至生物膜。實驗表明，PO-MABR在多種操作條件（溫度、碳氮比、氣壓、流量）下均優于傳統空氣曝氣MABR（A-MABR），實現了97% COD去除率和91% TN去除率。其優勢源于更厚的生物膜和獨特的微生物結構，且在低溫（10°C）和高/低強度廢水中均保持高效。  

 

研究目的  

驗證純氧替代空氣在MABR系統中的技術可行性  

 

優化PO-MABR在嚴苛條件（低溫、變C/N比、低壓）下的運行參數  

 

闡明純氧對生物膜特性及微生物群落的影響機制  

 

研究思路  

系統構建：設計7組平行MABR反應器（1組空氣對照A-MABR，6組純氧PO-MABR）  

 

變量控制：調節溫度（10/25°C）、C/N比（2.5/5/12）、氣壓（0.02/0.05 MPa）、流量（0.02/0.05 L/h）  

 

性能評估：長期監測COD/TN/NH4-N去除率，分析生物膜厚度與微生物結構  

 

機制解析：通過溶解氧剖面、掃描電鏡和16S rRNA測序揭示純氧作用機制  

 

測量數據及研究意義  

COD/TN/NH4-N去除率（圖2a, 3a-c, 4a-c）  

 

 

 

數據：PO-MABR平均COD去除率95%（A-MABR僅83%），TN去除率79%（A-MABR僅65%）  

 

意義：證實純氧顯著提升污染物降解效率，為高排放標準（如中國一級A）提供技術支撐  

生物膜厚度與結構（圖5b）  

 

 

數據：PO-MABR生物膜厚度（~1.15mm）是A-MABR的1.5倍，SEM顯示致密分層結構  

 

意義：解釋純氧通過增強氧傳遞效率（OTE）促進生物膜生長，提升系統穩定性  

微生物群落（圖6）  

 

 

數據：PO-MABR中好氧菌（變形菌門51%）和硝化菌（硝化螺旋菌門10%）豐度更高  

 

意義：揭示純氧優化生物膜功能分層，強化同步硝化反硝化（SND）  

溶解氧（DO）剖面（圖2c）  

 

數據：PO-MABR生物膜表面DO達45 mg/L（A-MABR僅11 mg/L），氧滲透深度700μm  

 

意義：直接量化氧擴散梯度，關聯生物膜活性與污染物去除效率  

堵塞時間（圖5a）  

 

數據：PO-MABR堵塞時間94天（A-MABR為109天），低流量下延長至111天  

 

意義：為系統維護周期提供依據，反映生物膜生長動力學  

 

Unisense電極數據的核心意義  

使用丹麥Unisense Clark型氧微電極（檢出限0.3μm）測量生物膜內部DO梯度（圖2c），其研究價值在于：  

空間分辨率：精準量化生物膜不同深度的氧濃度，揭示純氧組表面DO（45 mg/L）遠高于空氣組（11 mg/L），證明純氧增強氧滲透能力  

 

機制關聯：DO梯度消失點（700μm）與生物膜厚度（1.15mm）關聯，證實厚生物膜內形成好氧/缺氧分層分區，促進SND  

 

技術優勢：相較傳統水體DO探頭，微電極可解析生物膜內部微環境，為優化膜表面氧傳遞提供直接證據  

 

結論  

性能優勢：PO-MABR的COD/TN去除率（97%/91%）全面優于A-MABR，歸因于純氧增強OTE和生物膜厚度  

 

參數優化：最佳條件為低壓純氧（0.02 MPa）、C/N=12、低溫適應性（10°C下COD去除88%）  

 

機制創新：純氧促進好氧菌富集（變形菌門51%），形成分層生物膜結構，強化SND  

 

經濟性：低壓運行（0.02 MPa）實現更高TN去除率（87%），降低能耗成本