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

使用增強(qiáng)型膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）處理地表水

來(lái)源：Chemical Engineering Science, Volume 144, 2016, Pages 267-274

《化學(xué)工程科學(xué)》第144卷，2016年，第267-274頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了本研究調(diào)查了增強(qiáng)型MABR用于地表水處理的可行性。設(shè)計(jì)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(wěn)定生物膜，實(shí)現(xiàn)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(jìn)微生物生長(zhǎng)，氮和磷被生物轉(zhuǎn)化同步去除。第28天時(shí)，增強(qiáng)MABR被整體移出以防止污染物釋放回水體。最終，增強(qiáng)MABR在地表水處理中表現(xiàn)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(kāi)發(fā)一種增強(qiáng)型MABR用于地表水處理，通過(guò)添加PHA作為碳源提高總氮（TN）和總磷（TP）的去除效率，實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(chuàng)新方法。

 

研究思路

研究思路包括將增強(qiáng)MABR系統(tǒng)分為兩個(gè)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(qū)，促進(jìn)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(jìn)微生物生長(zhǎng)和氮磷同化。使用微電極監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）濃度，分析生物膜內(nèi)微環(huán)境，并通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)（如COD、氮磷濃度）和生物參數(shù)（如生物量、脫氫酶活性）評(píng)估處理效果。第28天移出系統(tǒng)以防止二次污染。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了化學(xué)需氧量（COD）、UV254、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和濁度等水質(zhì)指標(biāo)的變化。數(shù)據(jù)來(lái)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(qiáng)MABR能有效降解有機(jī)物和去除氮磷，其中COD和UV254的去除表明大分子有機(jī)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(cè)量了生物膜內(nèi)不同深度的溶解氧（DO）濃度。數(shù)據(jù)來(lái)自圖5（a），顯示好氧區(qū)和厭氧區(qū)的分布。研究意義在于揭示生物膜內(nèi)微環(huán)境特性，證實(shí)好氧氧化和厭氧反硝化可同步進(jìn)行，為氮磷去除機(jī)制提供微觀證據(jù)。

3 測(cè)量了生物量和脫氫酶活性（DHA）。數(shù)據(jù)來(lái)自圖4（a）和（b），顯示生物膜形成過(guò)程中生物量的增長(zhǎng)及DO濃度對(duì)DHA的影響。研究意義在于評(píng)估微生物活性和降解能力，表明DO濃度3 mg/L時(shí)DHA最高，優(yōu)化了生物反應(yīng)條件。

 

4 測(cè)量了生物膜形成過(guò)程中的微生物群落變化。數(shù)據(jù)來(lái)自圖3，通過(guò)光學(xué)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(guò)程，顯示原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的出現(xiàn)表明生態(tài)系統(tǒng)形成，增強(qiáng)了污染物去除的穩(wěn)定性。

 

5 測(cè)量了地表水中生物量的變化。數(shù)據(jù)來(lái)自圖6，顯示Phase 2中PHA添加后生物量略有增加但整體穩(wěn)定。研究意義在于驗(yàn)證微生物附著在膜上而非釋放到水體，避免二次污染。

 

 

 

結(jié)論

1 增強(qiáng)MABR能同步實(shí)現(xiàn)水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化反應(yīng)，有效去除地表水中有機(jī)物和氮磷，出水水質(zhì)達(dá)到COD 35 mg/L、TN 1.5 mg/L、TP 0.23 mg/L等指標(biāo)。

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

3 系統(tǒng)運(yùn)行28天后移出可防止污染物釋放，生物降解為主要機(jī)制，優(yōu)于傳統(tǒng)物理化學(xué)方法。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量DO數(shù)據(jù)的研究意義在于實(shí)現(xiàn)了生物膜內(nèi)微環(huán)境的高精度空間解析。電極數(shù)據(jù)（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(dá)10.5 mg/L，而內(nèi)部降至0.3 mg/L，證實(shí)好氧和厭氧區(qū)的共存。這種測(cè)量能力幫助量化傳質(zhì)阻力和微生物耗氧速率，為理解同步硝化-反硝化機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)。此外，實(shí)時(shí)DO監(jiān)測(cè)優(yōu)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(jí)）和快速響應(yīng)增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)可靠性，為MABR工藝設(shè)計(jì)和放大提供了微觀基礎(chǔ)。