The treatment of surface water with enhanced membrane-aerated biofilm reactor (MABR)

使用增強型膜曝氣生物膜反應器（MABR）處理地表水

來源：Chemical Engineering Science, Volume 144, 2016, Pages 267-274

《化學工程科學》第144卷，2016年，第267-274頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究調查了增強型MABR用于地表水處理的可行性。設計了適合高效曝氣和微生物附著的膜組件。第一階段，僅一半膜組件曝氣以形成具有好氧和厭氧微生物群落的穩定生物膜，實現同步水解酸化、好氧氧化和硝化-反硝化效果。第二階段，所有膜組件曝氣并利用聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為碳源促進微生物生長，氮和磷被生物轉化同步去除。第28天時，增強MABR被整體移出以防止污染物釋放回水體。最終，增強MABR在地表水處理中表現出有效性能，出水COD、UV254、NH3-N、TN、TP和濁度的平均濃度分別為35 mg/L、0.03 cm?1、0.21 mg/L、1.5 mg/L、0.23 mg/L和3.12 NTU。

 

研究目的

研究目的是開發一種增強型MABR用于地表水處理，通過添加PHA作為碳源提高總氮（TN）和總磷（TP）的去除效率，實現有機污染物、氮和磷的高效生物降解，避免二次污染，為地表水凈化提供創新方法。

 

研究思路

研究思路包括將增強MABR系統分為兩個階段操作：第一階段（前12天）僅一半膜組件曝氣，形成好氧和厭氧區，促進生物膜形成和污染物初步去除；第二階段（第13-28天）所有膜組件曝氣并添加PHA作為碳源，促進微生物生長和氮磷同化。使用微電極監測溶解氧（DO）濃度，分析生物膜內微環境，并通過水質指標（如COD、氮磷濃度）和生物參數（如生物量、脫氫酶活性）評估處理效果。第28天移出系統以防止二次污染。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了化學需氧量（COD）、UV254、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和濁度等水質指標的變化。數據來自圖5（b、c、d）和表1。研究意義在于量化污染物去除效率，顯示增強MABR能有效降解有機物和去除氮磷，其中COD和UV254的去除表明大分子有機物和芳香化合物的降解，氮磷濃度降低證明生物同化作用。

 

 

2 測量了生物膜內不同深度的溶解氧（DO）濃度。數據來自圖5（a），顯示好氧區和厭氧區的分布。研究意義在于揭示生物膜內微環境特性，證實好氧氧化和厭氧反硝化可同步進行，為氮磷去除機制提供微觀證據。

3 測量了生物量和脫氫酶活性（DHA）。數據來自圖4（a）和（b），顯示生物膜形成過程中生物量的增長及DO濃度對DHA的影響。研究意義在于評估微生物活性和降解能力，表明DO濃度3 mg/L時DHA最高，優化了生物反應條件。

 

4 測量了生物膜形成過程中的微生物群落變化。數據來自圖3，通過光學顯微鏡觀察微生物多樣性。研究意義在于跟蹤生物膜成熟過程，顯示原生動物和后生動物的出現表明生態系統形成，增強了污染物去除的穩定性。

 

5 測量了地表水中生物量的變化。數據來自圖6，顯示Phase 2中PHA添加后生物量略有增加但整體穩定。研究意義在于驗證微生物附著在膜上而非釋放到水體，避免二次污染。

 

 

 

結論

1 增強MABR能同步實現水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化反應，有效去除地表水中有機物和氮磷，出水水質達到COD 35 mg/L、TN 1.5 mg/L、TP 0.23 mg/L等指標。

2 PHA作為碳源可促進微生物生長和氮磷同化，提高TN和TP去除效率（分別達87.1%和76.0%），且無二次污染。

3 系統運行28天后移出可防止污染物釋放，生物降解為主要機制，優于傳統物理化學方法。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量DO數據的研究意義在于實現了生物膜內微環境的高精度空間解析。電極數據（如圖5a所示）直接揭示了生物膜不同深度的DO梯度，例如在曝氣膜表面DO高達10.5 mg/L，而內部降至0.3 mg/L，證實好氧和厭氧區的共存。這種測量能力幫助量化傳質阻力和微生物耗氧速率，為理解同步硝化-反硝化機制提供了關鍵證據。此外，實時DO監測優化了曝氣策略，如確定最佳DO濃度為3 mg/L以最大化脫氫酶活性，從而提升污染物降解效率。Unisense電極的高分辨率（微米級）和快速響應增強了實驗可靠性，為MABR工藝設計和放大提供了微觀基礎。