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膜曝气生物膜反应器(Membrane-aerated biofilm reactor,MABR)利用透气性膜材料作为曝气装置与生物膜附着载体,可通过独立调控电子受体与电子供体的异向传质过程而促进生物膜内部氧化还原分层结构的形成与稳定,进一步提升氧气传质及利用效率并利于实现同步硝化反硝化过程,因此该方法在污水脱氮除碳领域的技术优势明显。本文首先构建含回流系统的两级MABR集成系统用于人工配置污水(COD浓度为300 mg/L,氨氮浓度为35 mg/L)的碳氮脱除研究,明确系统取得良好处理效能所需工艺参数,包括MABR-1曝气压力为0.015 MPa,MABR-2曝气压力为0.040 MPa;进水流量为0.75 L/h;回流比为200%。连续运行试验及氨氮负荷冲击试验证实,该系统可取得良好稳定的脱氮除碳效果且生物膜体系稳定。料液水质特征及运行参数会显著影响膜曝气生物膜的组成、结构与功能,继而关联碳氮底物传质过程与降解途径,最终导致系统碳氮底物脱除效能随之发生改变。因此借助生物膜数学模型方法,进一步分析膜传氧系数、膜内腔曝气压力及料液有机底物浓度对膜曝气生物膜内部同步硝化反硝化过程的影响,以期阐释碳氮底物转化与脱除效能的优化机制与调控措施。结果表明,膜传氧系数会影响生物膜菌群间的生长/竞争关系,继而改变其结构与功能。氧气供应充足将有助于提升氨氮转化效率以保证总氮脱除效果。料液有机底物浓度可通过影响异养菌群活性而改变氨氮转化阶段氨氧化菌群与亚硝酸盐氧化菌间的生长/竞争关系。当料液碳源一定时,氧气供应与氨氮氧化产物类型亦会改变兼性异养菌群之间的协同-竞争生长以实现短程硝化反硝化途径。但碳源供给不足将导致异养菌群介导的反硝化过程进行不完全,并成为含氮中间产物积累的主要原因。生物膜厚度会影响膜曝气生物膜内部碳氮底物传质与降解过程,并改变其内菌群的活性分布。当生物膜较薄时,基于亚硝态氮还原的短程硝化反硝化过程为氮素脱除的主要途径,但该过程会产生大量一氧化二氮而需补充碳源予以强化去除。生物膜数学模型的相关研究结果有助于指导膜曝气生物膜的碳氮脱除效能优化及工艺运行实践。