在两级厌氧/好氧移动床生物膜反应器中进行的羊毛洗涤废水的中试处理：性能及氮去除机制

《Bioresource Technology》：Pilot-scale treatment of wool scouring wastewater in two-stage anoxic/oxic moving bed biofilm reactor: Performance and nitrogen removal mechanism

两阶段厌氧-好氧移动床生物膜反应器（A/O-MBBR）高效处理高盐高氨氮羊毛洗涤废水，运行198天稳定，氨氮去除率>91%。微生物分析揭示好氧区存在同步硝化-反硝化（SND），厌氧区耐盐异养菌支持反硝化及硝化-反硝化耦合过程，功能基因网络证实其协同作用，为工业废水处理提供新策略。

　　

范星|史学清|吴家华|邱文轩|赵喜峰|周家忠|韩文杰|卢洪瑞|王玲|毕学军

青岛理工大学环境与市政工程学院，中国青岛市266033

摘要

羊毛洗涤废水（WSW）含有较高的化学需氧量（COD）、氨氮（NH₄⁺-N）和盐度，这些因素阻碍了活性污泥系统中的氮去除。本研究设计了一种中试规模的两阶段厌氧/好氧移动床生物膜反应器（A/O–MBBR）来处理实际的羊毛洗涤废水。在198天的运行过程中，该系统实现了稳定的高氨氮去除效率（>91%）。微生物群落分析显示，好氧区和厌氧区的生物膜在结构上存在显著差异：好氧区支持同时硝化-反硝化（SND）过程，而厌氧区则栖息着能够进行反硝化和异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）的耐盐异养细菌。功能基因分析和网络分析进一步证实了好氧生物膜内部存在紧密耦合的硝化-反硝化途径，从而实现了稳定的氮去除，并增强了系统的稳定性。本研究为从高盐度工业废水中去除氮提供了可持续的生物处理策略。

引言

羊毛作为一种天然纤维，因其出色的隔热性能和舒适性而被广泛用于服装和家用纺织品（Allafi等人，2022年）。然而，原始羊毛中含有大量的羊毛蜡（羊毛脂）、植物杂质和土壤，因此在进一步加工前需要经过彻底的洗涤（Shi等人，2023年）。羊毛洗涤废水（WSW）的产量为每千克原始羊毛8–10升，其特征是化学需氧量（COD）、氨氮（NH₄⁺-N）、悬浮固体、表面活性剂和盐度都很高，这使得处理变得非常困难（Poole和Cord-Ruwisch，2004年）。

已经有多种处理方法被用于WSW（Labanda和Llorens，2008年；Mercz和Cord-Ruwisch，1997年；Poole和Cord-Ruwisch，2004年）。物理化学方法（混凝/絮凝、浮选、吸附）可以显著降低油脂和颗粒COD的浓度，但通常需要大量的化学药剂并产生化学污泥，而可溶性COD和氮的去除效果则不够稳定（Labanda和Llorens，2008年；Zhao等人，2021年）。膜生物反应器工艺已被用于提高固体捕获率和出水质量；然而，膜污染和浓缩液管理仍然是实际应用中的限制因素，尤其是在含有大量表面活性剂和盐分的废水情况下（Du等人，2020年；Lefebvre和Moletta，2006年）。厌氧处理因能从高有机负荷中回收能量而受到关注，但其性能可能会受到富含脂质和盐分/氨的影响，通常需要后续的好氧步骤才能实现合规的氮去除（Elsamadony等人，2021年；Rajagopal等人，2013年）。

尽管羊毛被广泛使用，但活性污泥法（AS）在处理高盐度和高氨含量的废水时仍面临诸多挑战。盐度会导致渗透压应力，干扰微生物活性并抑制硝化和反硝化过程（Moussa等人，2006年），而高浓度的游离氨会抑制关键的硝化菌和反硝化菌（Liu等人，2019年；Park和Bae，2009年；Vadivelu等人，2007年）。这些综合因素使得在WSW典型的负荷波动条件下实现稳定的氮去除变得困难（Donkadokula等人，2020年；Holkar等人，2016年）。基于生物膜的过程提供了一个有前景的替代方案，因为附着生长的生物膜可以保留功能性生物量，并提供扩散受限的微环境，从而缓冲盐度和游离氨的抑制作用（Steele等人，2014年；Yin等人，2019年；Zan等人，2022年）。其中，移动床生物膜反应器（MBBR）由于其紧凑的占地面积和运行的稳定性而适用于工业改造（McQuarrie和Boltz，2011年）。然而，现有关于含盐、富氮废水的研究也指出了一些持续存在的挑战，包括启动/适应性和在负荷波动下的性能稳定性；建议使用耐盐微生物群进行接种以加速启动并提高耐盐性（Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024年）。不过，大多数关于含盐MBBR系统的研究都是在实验室规模上进行的，时间较短，且很少量化实际工业废水中氮去除的贡献。

因此，本研究评估了一种中试规模的两阶段A/O-MBBR系统，用于处理高盐度和高氨氮（NH₄⁺-N）条件下的实际羊毛洗涤废水。研究目标是：（i）量化长期处理性能和抗冲击能力；（ii）分析不同氧化还原区对氮去除的贡献；（iii）将性能与生物膜微生物群落变化及氮循环相关功能基因联系起来，以阐明主要的氮转化途径。总体而言，这些结果为设计和运行适用于含盐、富氨工业废水的阶段式生物膜系统提供了机制上的见解和实际指导。

章节摘录

两阶段A/O-MBBR系统

构建了一个中试规模的两阶段A/O-MBBR系统，用于处理羊毛加工工业园区产生的废水，其流程示意图见图S1（补充材料）。该系统由八个圆柱形丙烯酸反应器组成，每个反应器的直径为0.8米，高度为1.7米，有效工作体积为0.7立方米。这些反应器被配置为四个厌氧单元（A1、A2、A6、A7）和四个好氧单元（O3、O4、O5、O8）。填充介质的填充率为40%

系统性能

图1展示了该中试规模A/O MBBR系统在198天内处理羊毛洗涤废水的性能。在低负荷启动阶段（第1天至第42天），平均进水SCOD和NH₄⁺-N浓度分别为839.2 ± 289.9 mg/L和100.7 ± 39.3 mg/L。在此条件下，系统的平均去除效率分别为SCOD 64.4 ± 9.7%，NH₄⁺-N 93.1 ± 7.5%，总氮（TIN）71.5 ± 12.6%，相应的平均出水浓度为294.5 ± 134.6 mg/L

结论

本研究证明，两阶段A/O-MBBR系统是处理高盐度、高氨含量和有机负荷变化废水的一种稳健且高效的解决方案。在198天的运行过程中，该系统表现出显著的适应性，实现了SCOD和NH₄⁺-N的去除效率分别为70.3 ± 9.0%和91.7 ± 9.5%。研究表明，生物膜驱动的SND过程是总氮去除的主要机制，主要发生在预好氧反应器中。

项目

本研究得到了中国山东省自然科学基金（项目编号ZR2025MS911）和中国山东省青年科技创新人才计划（SDAST2024QTA007）的支持。

未引用参考文献

Kharraz等人（2022年）。

CRediT作者贡献声明

范星：撰写——初稿编写、数据可视化、数据整理。 史学清：指导、方法设计。 吴家华：实验研究、数据分析。 邱文轩：实验研究、数据整理。 赵喜峰：数据可视化、实验研究。 周家忠：资源协调、方法设计。 韩文杰：资源支持。 卢洪瑞：数据可视化。 王玲：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金争取。 毕学军：撰写——审稿与编辑、指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国山东省自然科学基金（项目编号ZR2025MS911）和中国山东省青年科技创新人才计划（项目编号SDAST2024QTA007）的支持。