第一作者：郑君健（桂林电子科技大学合作导师），蒋敏敏（桂林电子科技大学合作导师）

通讯作者：陈宇超（桂林理工大学），李海翔（桂林理工大学）

全文速览：

作为一种前景广阔的水处理技术，膜生物膜反应器（MBfR）的去污性能在很大程度上受其流量分布的影响，而流量分布又调节着生物膜的结构和活性。在此，我们首先优化了水力条件，通过合理设计中空纤维膜（HFM）布局来改善基于H₂的MBfR的脱硝性能。我们构建了由捆绑式模块和分散式模块组装而成的两个MBfR（分别称为B-MBfR和D-MBfR），从流动特性、生物膜生态学和微生物动力学等多角度分析研究了它们的工艺性能和机理。结果表明，当HFM间距从0 mm增大到4 mm时，水流分布从偏向流向均匀流转变，导致B-MBfR和D-MBfR分别形成环状生物膜和单个生物膜。在长期试验中，D-MBfR的反硝化通量比B-MBfR高（1.1vs0.58 g N/m²·d），在短期试验中，前者的反硝化动力学速率也更高。与环状生物膜相比，D-MBfR生物膜的抗剪切能力更强，这是因为它们的蛋白质和多糖分布更均匀。与B-MBfR相比，D-MBfR中的生物膜厚度更薄，水动力边界层更窄，因此氢自养反硝化细菌的数量和代谢活性更高，从而几乎可以完全利用H₂和NO₃^-。这项研究的结果可为今后设计和管理MBfR提供重要的科学依据。

图文摘要

亮点：

1. 4 mm的中空纤维膜间距使D-MBfR中的流场分布更加均匀。

2. D-MBfR的反硝化通量和动力学速率明显高于B-MBfR。

3. D-MBfR中的生物膜比B-MBfR中的环状生物膜具有更强的抗剪切性能。

4. D-MBfR中发现了更丰富的自养型DNB。

5.更薄的生物膜和水力边界层促进了D-MBfR中DNB的新陈代谢。

研究背景：

膜生物膜反应器（MBfR）是一种前景广阔的水处理技术，它采用微孔或致密疏水中空纤维膜（HFM）作为无泡曝气和生物膜附着的基质。这种曝气方式有助于精确消耗活性气体（如H₂、CH₄和O₂），因此与传统的活性污泥法相比，能够降低85%的能源成本。MBfRs生物膜中的专性细菌可有效利用从高频污泥内腔输送的活性气体作为电子供体或受体，以降解从本体溶液中反向扩散的污染物。MBfRs的反扩散特性使其具有很强的抗污染物冲击负荷能力和显著的去污性能（大约是共扩散生物膜系统的2-7倍）。然而，MBfR技术仍处于商业化的早期阶段，其进一步发展面临着巨大的挑战，如有效的生物膜管理和可扩展的工艺设计。

MBfR中的生物膜是微生物及其胞外聚合物物质（EPS）自然形成的聚集体，EPS中的蛋白质和碳水化合物构成了微生物细胞周围的生物聚合物网络。具有三维和异质结构的生物膜的形成是微生物聚集体与流体动力剪切力相互作用的结果。后者是由MBfRs中大量液体的循环流动引起的，它可以控制生物膜外部的脱落和基质（包括污染物和营养物质）进入生物膜的质量转移，从而能够调节生物膜的结构（如组成和厚度）和活性。

由于涉及影响生物膜特性以及MBfRs净化性能的关键因素，其中最重要的因素可以说是流场。理想的MBfR流场应具有合理的流速和均匀的流动分布，因为它们能增强散装液体的混合强度，最大限度地减少生物膜/本体溶液界面上基质的浓度极化，从而促进生物膜的发展和新陈代谢。现有的实证研究表明，流速过低时，由于基质供应不足，会形成松散、结构脆弱的生物膜；流速过高时，会形成致密、稳定的生物膜，但会增加基质的扩散阻力，从而影响生物膜的活性。尽管之前的MBfR研究已充分讨论了流速对生物膜特性的影响，但对于中空纤维膜模块的布局如何通过调节流量分布来影响MBfR的去污性能的评估，关注却相当有限。目前实际使用的MBfR普遍配备一束高度密集的HFM作为模块（称为束模块），因此，单个高频膜上的生物膜一般会生长并桥接成一个大的环形生物膜。由于生物膜周围的水流分布不均导致底物运输受限，这些MBfR不可避免地表现出较低的能效。有文献表明，在堆积密度过高的情况下，HFM模块的传质效率降低了50%。

虽然脉冲气泡曝气和旋转HFM模块已被证明是均匀化HFM装填密度的MBfRs流程的有效策略，但更有吸引力的解决思路是合理设计HFM模块，只需对反应器配置进行最小程度的改动，且无需额外的能源成本。最近的一项研究就证明了这一点，即在MBfRs中，通过用成行排列的模块取代非结构化高频机械模块，可以提高传质效率。在此基础上，我们设想，在MBfR的HFM模块中，HFM分散成行排列（称为分散模块），可能存在一种适当的HFM布局，既能有效避免生物膜架桥，又能实现散装液体流的均匀分布。此外，以解释生物膜微生物对不同流动机制的反应机制为重点的深入研究可为未来MBf的设计和管理提供指导，但目前仍缺乏相关文献。

在这项工作中，我们首先尝试通过合理设计高频膜布局来提高基于H₂的反硝化MBfR的性能，并通过对水动力学、生物生态学和生物动力学的综合分析，系统地阐明了性能提高背后的微生物机理。为此，我们采用了HFM数量相同但HFM间距不同的捆绑式模块和分散式模块，构建了两个MBfR（分别称为B-MBfR和D-MBfR）。通过计算流体动力学（CFD）模型研究了两个MBfR在无生物膜和有生物膜情况下的流动特性。在短期和长期实验中，对两个MBfR的反硝化性能和动力学以及生物膜的形态、结构特性、反硝化群落和功能基因进行了评估。生物膜模型模拟了生物膜中反硝化细菌（DNB）的底物分布和代谢活动。这项研究的成果可为开发节能型MBfR提供重要参考。

图文导读：

Fig.23D contour plots of flow velocity across the central hydraulic section at varying HFM spacings: 0 mm (a), 1 mm (b), 2 mm (c), 3 mm (d),4 mm(e) and5 mm(f); comparison of the packing density, void fraction of HFM modules (g), average flow velocity and uniformity index of the reactors (h) at varying HFM spacings.

图2.不同HFM间距下中央水力断面流速的三维等值线图：0 mm（a）、1 mm（b）、2 mm（c）、3 mm（d）、4 mm（e）和5 mm（f）；不同HFM间距下反应器的堆积密度、HFM模块的空隙率（g）、平均流速和均匀性指数（h）。

图2a-f显示了不同HFM间距反应器中心水力截面流速的三维等值线图。将HFM间距从捆绑式模块的0 mm增加到分散式模块的1-3 mm，并没有改变反应器中流体的偏向流动性质，但却导致伪停滞区变窄，峰值流速的大小增加，距离（从HFM表面）减小。当HFM间距扩大到4 mm时，发现整个中心水力断面上的伪停滞区消失了，同时每个HFM周围的流速分布也趋于均匀，同时获得了更窄的水力边界层。当HFM间距增加到5 mm时，在外圈再次出现伪停滞和偏流现象。

Fig.3 Denitrification performance of B-MBfR and D-MBfR in long-term (a) and short-term experiments (b); measured biofilm thickness (c) biomass and biomass density (d) at the end of experiment (d); NO₃^-removal kinetics forin-situ(e) andex-situ(f) tests.

图3 B-MBfR和D-MBfR在长期实验（a）和短期实验（b）中的反硝化性能；实验结束时测得的生物膜厚度（c）生物量和生物量密度（d）；原位（e）和非原位（f）试验NO₃^-去除动力学。

图3a显示了两个长期运行的MBfR的脱硝性能。D-MBfR的反硝化通量稳定在1.1g N/m²·d，而B-MBfR的反硝化通量则逐渐下降到0.58g N/m²·d。图3b显示，在大多数测试的NO₃^-负荷（10-40 mg N/L）情况下，与B-MBfR相比，D-MBfR的反硝化通量增加了约63%-120%，这进一步证实了D-MBfR优越的反硝化性能。从图3c中可以发现，B-MBfR中环状生物膜的生物膜厚度达到了1450 μm，明显大于D-MBfR中生物膜的厚度（625-700 μm）。这归因于B-MBfR的多点供H₂的方式。图3d展示了由于D-MBfR中32个HFM的表面完全暴露在本体溶液中，这在最大程度上为生物膜的发展创造了有效空间。而由于D-MBfR中的流动高度均匀，Ou-、Mi-和In-生物膜的厚度和生物量密度相似。进一步的动力学测试（图3f-e）说明了D-MBfR中的DNB代谢活性也明显高于B-MBfR。

Fig.43D contour plots of flow velocity across the central hydraulic section in B-MBfR (a) and D-MBfR (b); comparison of the average flow velocity, hydrodynamic boundary layer thickness (c), and effluent COD concentration of the reactors at various circulation flow rates (d); shear stress on the surface of An-biofilm (e), Ou-biofilm (f), Mi-biofilm (g) and In-biofilm (h) at a circulation flow rate of 100 mL/min.

图4 B-MBfR（a）和D-MBfR（b）中心水力断面流速的三维等值线图；不同循环流速下反应器的平均流速、水动力边界层厚度（c）和出水COD浓度（d）的比较；循环流速为100 mL/min时环状生物膜（e）、外圈生物膜（f）、中间圈生物膜（g）和内圈生物膜（h）表面的剪应力。

与生物膜形成前环绕分散模块（HFM间距= 4 mm）的均匀流动分布（图2e）不同，生物膜的存在导致外圈生物膜和内生物膜附近出现 ≥0.3 cm/s的高流速，中间圈生物膜周围出现一个小的假停滞区（0-0.64 mm）（图4b）。因为在生物膜形成后，中排和外排/内排之间的通道间距从最初的4 mm缩小到约2.7 mm，从而增加了这些通道的流动阻力。图4e-h结果表明，环状生物膜上的剪切应力（F_s）平均为0.001 Pa，明显小于Ou-、Mi-和In-生物膜上的剪切应力（0.003-0.007 Pa）。流速越高，F_s越大，生物膜越薄，这与u_ave和生物膜厚度的量化结果相一致。

Fig.5 Concentrations of PN and PS in total EPS (a), TB-EPS (b), S-EPS (c) and LB-EPS (d);CLSM images showing the distribution of β-PS (blue) and PN (green) inAn-biofilm (e), Ou-biofilm (f), Mi-biofilm (g) and In-biofilm (h). The red circles indicate theouter diameterof the HFM.

图5总EPS（a）、TB-EPS（b）、S-EPS（c）和LB-EPS（d）中PN和PS的浓度；CLSM图像显示环状生物膜（e）、外圈生物膜（f）、中间圈生物膜（g）和内圈生物膜（h）中β-PS（蓝色）和PN（绿色）的分布。红圈表示HFM的外径。

从图5a-d中可以发现，环状生物膜的整体、单个EPS部分的含量和PN/PS比大多大于D-MBfR中的生物膜。然而，CLSM图像表明，与PN和PS在D-MBfR整个生物膜中的均匀分布不同，这些亚组分都主要集中在B-MBfR中环状生物膜的内部（图5e-h）。B-MBfR中环状生物膜外部PN和PS的短缺可归因于这些亚组分被非自养型DNB耗尽。因此，D-MBfR中生物膜更强的抗剪切能力归因于生物膜中EPS亚组分（尤其是PN）的均匀分布。

Fig.6 Relative abundance of DNB species, predictive denitrifying genes contained by each DNB specie (a), predictive denitrifying genes involved in denitrification pathway (b) and predictive functional genes atlevel 3 KEGG(c) in the biofilms.

图6生物膜中DNB种类的相对丰度、每个DNB种类所含的预测反硝化基因（a）、参与反硝化途径的预测反硝化基因（b）和KEGG第三级的预测功能基因（c）。

图6a综述了两种MBfR生物膜中检测到的DNB种类和反硝化基因。D-MBfR生物膜中DNB的总丰度达到84.5%-94.9%，明显高于B-MBfR环状生物膜中的73.5%，这表明更均匀的流场有利于DNB的传播。图6b反映了两个MBfR生物膜的反硝化途径和反硝化基因的丰度。尽管在两个MBfR的生物膜中都检测到了NO₃^-（Nar和Nap）、NO₂^-（Nir）、NO（Nor）和N₂O（N₂OR）还原酶的编码基因，但它们在不同生物膜中的丰度不同，尤其是Nar和N₂OR。

Fig.7Simulated and/or measured H₂and NO₃^-profilesinAn-biofilm (a), Ou-biofilm (b), Mi-biofilm (c) and In-biofilm (d); simulated DNB metabolic activity inAn-biofilm (e), Ou-biofilm (f), Mi-biofilm (g) and In-biofilm (h).

图7环状生物膜（a）、外圈生物膜（b）、中间圈生物膜（c）和内圈生物膜（d）中模拟和/或测量的H₂和NO₃^-剖面；环状生物膜（e）、外圈生物膜（f）、中间圈生物膜（g）和内圈生物膜（h）中模拟的DNB代谢活动。

图7a-d描述了两个MBfR的生物膜中模拟和/或测量的底物剖面。由于多点供应H₂，换装生物膜HFM侧的H₂浓度可达471.4 μg/L，明显高于D-MBfR生物膜的H₂浓度（269.4 μg/L）。然而，环状生物膜外部由于厚度较大（1450 μm）而无法输送H₂，而D-MBfR中的生物膜厚度较薄（625-700 μm），H₂则遍布生物膜各处。导致D-MBfR中的所有生物膜几乎都能充分利用底物，并缩小了DNB代谢的非活性区（图7e-h）。因此，合理的高频生物膜布局可促进DNB在H₂-MBfR中的增殖和新陈代谢。

结论：

在这项研究中，我们首次探索了通过合理的HFM布局改善基于H₂的MBfR反硝化性能的可行性，并从机理上揭示了这种性能提升背后的微生物进化和生物膜新陈代谢过程。实验和建模结果证实了以下几点：i)最佳的HFM间距通过诱导均匀的流量分布，使D-MBfR中每个HFM上的生物膜发展相对均匀；ii)在大多数测试的短期和长期实验中，在NO₃^-负荷情况下，D-MBfR的反硝化通量和动力学速率明显高于B-MBfR；iii)与D-MBfR中的生物膜相比，B-MBfR中的环状生物膜因PNPS分布不均而处于劣势，容易受到流体动力剪切力的影响；iv)与B-MBfR相比，D-MBfR中氢自养型DNB的数量和代谢活性增加，这是因为生物膜厚度变薄，流体动力边界层变窄。这项工作的发现将为优化MBfR技术奠定坚实的基础，使其有可能应用于实际废水处理。

文章信息：

Zheng, J., Jiang, M.,Chen, Y., Zhang, Y., Wei, Q., Chen, M., Zhang, Xingran, Zhang, Xuehong,Li, H.,2025. Hollow fiber layout matters the denitrification performance and mechanism of H₂-based membrane biofilm reactor: A comprehensive study of hydrodynamics, bioecology and biokinetics.Water Res.123708.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123708