研究背景

MBfR（膜生物膜反应器）通过中空纤维膜组件与清洁能源（如氢气）加压注入，构建气态电子供体驱动生物膜代谢的污染物降解体系。该体系利用膜孔高效传质，解决传统工艺碳源不足与二次污染问题，实现污水处理高效性、清洁性与稳定性的协同优化。在 MBfR 系统中，中空纤维膜组件兼具微孔曝气载体与生物膜生长界面功能。如氢气在压力驱动下均匀扩散至膜表面，供氢自养微生物（如反硝化菌）的高效利用（利用率可达 100%）。通过氢自养代谢途径将硝酸盐、氯代有机物等污染物还原为无害产物，避免了传统工艺因额外投加碳源而引发的二次污染风险。同时，膜组件通过生物膜-膜界面协同作用实现功能集成：表面生物膜截留增强微生物持留，膜分离深度净化水质，使出水优于传统工艺。这种气-膜-生物膜多相协同机制，赋予 MBfR 低能耗、零副产物、高处理负荷等优势，为复杂废水处理提供创新方案。

图 1 MBfR 的核心在于膜组件及其表面附着的生物膜结构，其中富集了丰富多样的微生物群落，包括氢自养型微生物、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。通过微生物群落的协同代谢作用，MBfR 能够高效处理污水中多种类型的污染物，例如 1,1,1-三氯乙烷、硝酸盐、二氯甲烷、硫酸盐、四环素等。

文章简介

近日，桂林理工大学李海翔教授课题组分析了多技术耦合膜生物膜反应器 (MBfR) 在可持续废水处理中的应用及碳减排进展。基于多技术耦合策略是当代水处理技术创新的重要方向，探索 MBfR 与金属催化（如钯纳米颗粒）、电化学（微生物电解池 MEC）及厌氧氨氧化 (anammox) 等技术的深度耦合，同步实现污染物深度净化与碳足迹精准调控，为水处理行业"双碳"目标达成提供了关键技术路径。研究进一步构建了面向工程化应用的技术路线图，强调通过膜组件功能化改性（膜材料尺度）、集成化原位供能（工艺尺度）与菌群代谢网络调控（微生物尺度）的多尺度优化，并提出针对性的优化策略，推动 MBfR 技术从实验室向中试规模的跨越式发展。

此外，通过全生命周期评估 (LCA) 证实，多技术耦合体系在全流程（从膜材料生产到废水处理终端）中展现出显著的环境效益。例如，Pd-MBfR 处理市政污水时，单位水量碳排放较传统活性污泥法降低 20%-30%，而 MEC-MBfR 对工业废水的处理则可实现 30%-40%的碳减排量，系统论证了 MBfR 及其耦合技术在废水处理中的高效性、低碳性与可持续性。该多技术耦合体系不仅系统性突破了传统工艺碳密集型的技术瓶颈，更构建了低碳污水处理的理论框架，对推动水处理行业低碳化转型、实现‘双碳’战略目标具有重大意义。

图2三种耦合技术(a)MBCR、(b)MEC-MBfR 和(c)H2-PD 耦合除氮原理及具体的优势

该成果以“Exploring the applications and carbon reduction of multi-technology-coupled membrane biofilm reactors for sustainable wastewater treatment: a review”（《多技术耦合膜生物膜反应器在可持续废水处理中的应用及碳减排研究进展》）为题，发表在英国皇家化学会期刊Environmental Science:Water Research& Technology上。

论文信息

• Exploring the applications and carbon reduction of multi-technology-coupled membrane biofilm reactors for sustainable wastewater treatment: a reviewChang Mei, Meng Zhang, YuChao Chen, Kun Dong, RuiZe Sun, XueHong Zhang and HaiXiang Li*（李海翔，桂林理工大学）Environ. Sci.: Water Res. Technol., 2025,11,793-808

  https://doi.org/10.1039/D4EW01030B