第一作者：陈宇超

通讯作者：董堃（桂林理工大学），李海翔（桂林理工大学）

全文速览：

由甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等温室气体排放造成了全球气候危机不断加剧，这迫切需要开发高效、经济和可持续的碳减排方法。利用气态底物的膜生物膜反应器（MBfRs）在废水处理中展现出多项优势，并在废气资源化利用方面具有重要潜力。本文综述了MBfRs的操作原理和工艺特性，评估了其碳减排潜力，特别是在甲烷和二氧化碳利用方面的应用，并重点介绍了MBfRs在废水和废气协同处理中的最新进展。主要研究结果表明，MBfRs能够高效利用甲烷和二氧化碳作为电子供体和碳源，实现较高的甲烷利用率，同时去除多种氧化性污染物，包括硝酸盐、高氯酸盐和硒酸盐。此外，MBfRs中的CO₂可作为pH调节剂和微生物固定的碳源，从而促进碳固定和资源回收。理论分析和工艺比较表明，MBfRs具有显著增强碳固定的潜力。同时，将MBfRs集成到烟气处理系统中，有望同时去除CO₂、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）以及重金属，为废气管理提供了一种全面的解决方案。尽管取得了这些进展，MBfRs的大规模应用仍需进一步进行全面的成本效益评估，并深入研究废水和废气协同处理的机制。

图文摘要

亮点：

1. MBfR是一种“以废治废”策略。

2. MBfR在促进碳减排方面具有高应用潜力。

3. 基于气态底物的MBfR可实现废水与废气的协同处理。

研究背景：

随着全球气候变化加剧，温室气体排放问题已引起国际社会的广泛关注。二氧化碳占温室气体排放总量的68%以上，是温室效应的主要贡献者。而甲烷占全球排放量的20%以上，同样是关键贡献者。减少温室气体排放的迫切需求，甚至通过实现净零排放以达到碳中和，已成为全球应对气候变化的紧迫议题。然而，传统的生物废水处理技术通常以高资源消耗为代价来减少污染物。这种方法导致大量温室气体（CH₄和CO₂）排放，成为中国温室气体排放的主要来源之一。Hua等利用中国3,107座市政污水处理厂的监测数据，揭示了主流处理工艺的温室气体排放因子在190.5至600.3 g CO₂当量/吨废水之间（图1）。燃煤发电产生的烟气是中国CO₂排放的另一来源。燃煤电厂的烟气处理受限于湿法烟气脱硫（FGD）、氮氧化物选择性催化还原和碳捕集与封存（CCS）等传统技术。这些技术因设备复杂、能耗高、处理成本昂贵以及二次污染严重而受到限制。Kim等在对氨基CCS系统的生命周期评估（LCA）中发现，尽管二氧化碳捕集效率达到95%，但二氧化氮的净减排量仅为64%（144,105吨CO₂/年）。目前采用的废水和废气分治管理方法不足以满足绿色和可持续发展的原则，这为中国实现碳达峰和碳中和目标带来了重大挑战。应对这一挑战需要开发和部署高效、经济可行且环境可持续的碳减排技术。

图1. 中国市政污水处理厂不同废水处理技术的温室气体排放因子
数据来源：Hua等（2022）

图文导读：

图2. 传统生物膜反应器的共扩散模型（a）与MBfR的对流扩散模型（b）。其中，Sa和Sb分别表示电子受体或供体。图中的Sa和Sb数量被简化为表示不同生物膜厚度下电子供体/受体的浓度梯度，笑脸和哭脸分别表示电子供体和受体充足与不足的情况。

MBfR的高效气体溶解和对流扩散模式使其在处理难溶性气态底物（如甲烷和氢气）方面具有显著优势。这种技术不仅提高了气体利用率，还优化了生物膜内的反应条件，从而实现了更高的污染物去除效率和资源回收能力。这些特性使MBfR在废水和废气协同处理领域具有广泛的应用潜力。

图3. 甲烷代谢途径与能量代谢模型（Shi等，2021）（a）好氧甲烷氧化（AOM）：在氧气存在下，由好氧甲烷氧化菌催化甲烷氧化的过程；（b） 厌氧甲烷氧化（AnAOM）：在无氧条件下，由厌氧甲烷氧化古菌（ANME，属于广古菌门）催化甲烷氧化的过程，其中氮（N）和硫（S）的循环途径尚未完全明确；（c） CH₄-MBfR处理典型氧化性污染物的示意图（a和b使用BioRender.com绘制）。

图3通过展示甲烷代谢途径及其在MBfR中的应用，揭示了甲烷作为电子供体在碳减排和污染物去除中的重要作用。好氧和厌氧甲烷氧化途径的研究为优化MBfR工艺提供了理论依据，同时强调了进一步探索氮和硫循环机制的重要性。CH₄-MBfR在处理氧化性污染物方面的潜力，为实现废水和废气的协同治理提供了新的技术路径。

图4. (a)中国CO₂排放的词云图及主要贡献行业（Gao等，2021）；(b)MBfRs在CO₂减排中的几种途径；(c)利用CO₂调节pH的途径；(d) MBfR中同步脱氮与固碳的微生物代谢途径；(e) CO₂资源化回收的应用（使用BioRender.com绘制）。

图4全面展示了MBfRs在CO₂减排、pH调节、同步脱氮与固碳以及CO₂资源化回收方面的多重作用。通过整合这些功能，MBfRs不仅能够有效减少温室气体排放，还能实现废水和废气的协同治理，为中国的碳达峰和碳中和目标提供了技术支持。此外，CO₂的资源化回收为工业排放管理提供了新的思路，推动了绿色低碳技术的发展。

图5. MBfRs同步去除烟气中典型污染物的微生物潜在反应：(a)电子供体反应（以氢气为例）；(b)CO₂固定；(c) NOx去除；(d)SOx去除及典型重金属（Hg⁰）的生物固定（使用BioRender.com绘制）。

图5展示了MBfRs在同步去除烟气中多种污染物（CO₂、NOx、SOx和重金属）方面的微生物反应机制。通过利用氢气或其他电子供体，MBfRs不仅能够高效固定CO₂，还能去除NOx和SOx，并实现重金属的生物固定。这种多污染物协同处理的能力使MBfRs在烟气治理领域具有显著优势，为工业废气管理提供了创新解决方案。此外，MBfRs的资源化回收特性进一步推动了绿色低碳技术的发展，为实现碳中和目标提供了重要技术支持。

结论：

本文综述了膜生物膜反应器（MBfRs）在应对当今两大紧迫环境挑战——碳排放和废物管理——方面的潜力。通过将CH₄和CO₂等废气作为资源利用，MBfRs为减少温室气体排放和提高废水处理效率提供了一种可持续且经济高效的解决方案。将MBfRs与烟气处理系统集成展示了特别的前景，因为它能够同时去除CO₂、NOx、SOx以及重金属，为废气管理提供了一种全面的方法。然而，实际应用中经济性评估的缺乏显著阻碍了MBfRs的工程可行性，且其在处理复杂烟气方面的未解挑战也构成了障碍。进一步的研究和开发对于克服这些挑战并推动技术进步至关重要。中试规模的研究和示范对于验证MBfRs在工业应用中的性能和可扩展性同样不可或缺。通过解决这些挑战并充分利用MBfRs的独特能力，该技术可以在实现可持续碳减排和资源回收方面发挥关键作用，为工业排放的环境管理提供一种有前景的解决方案。

文章信息：

Chen, Y., et al., The application of membrane biofilm reactor for carbon emission reduction: a waste-to-waste strategy. Journal of Cleaner Production, 2025, 145043.

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.145043