摘要


本研究探讨了强化MABR处理地表水的可行性。设计了适合高效曝气和微生物粘附的膜组件。在第1阶段，只有一半的膜组件进行了曝气，以促进形成稳定的生物膜，同时具有好氧和厌氧微生物群落，实现水解酸化、好氧氧化和硝化-反硝化效果。在第二阶段，所有的膜组件都进行曝气，并利用聚羟基烷酸酯（PHA）作为碳源来促进微生物生长。氮和磷同时进行生物转化。在第28天，增强的MABR完全解除，以防止污染物进一步释放回水中。总之，在地表水处理过程中，增强型MABR达到了有效性能，化学需氧量（CODCr）、UV254、氨氮（NH3–N）、总氮（TN）、总磷（TP）和浊度的平均出水浓度分别为35 mg/l、0.03 cm1、0.21 mg/l、1.5mg/l、0.23 mg/l和3.12 NTU，分别地


1.介绍


越来越多的生活和工业废水在未经充分处理的情况下排入自然水系统，从而恶化了自净能力（Chu等人，2010年；Shannon等人，2008年）。过量的有机物、氮和磷会显着降低地表水的溶解氧浓度。此外，富营养化严重影响了地表水质量和渔业（Lapointe等人，2015年），并威胁到发展中国家的人类健康（Yang等人，2012年；Verrecht等人，2010年）。难以生物降解的有机污染物难以去除（Gough等人，2014年；Hoyland等人，2014年），降解地表水的感官特性，甚至产生有毒副产品，使用化学消毒剂（如氯）（Bond等人，2014年；Huerta Fontela等人，2011年）。随后，水质恶化。


在全球范围内，越来越多的研究人员对具有严重富营养化现象的地表水进行了有效处理，包括物理、化学和生化方法。由于成本较高，物理方法通常对永久性管理无效，例如人工曝气、沉积物疏浚和机械除藻（Dong等人，2012年；Mulligan等人，2001年）。易引发二次污染的化学方法包括混凝沉淀法、化学除藻法、铁盐加速磷沉淀法、石灰脱氮法等（Lafhaj等人，2008年；Alexander等人，2012年）。综上所述，生物修复吸引了地表水处理领域更多的研究人员（Zhang等人，2013年；Guerrero等人，2011年）。对于传统方法（如活性污泥法），在现场地表水处理中几乎不发生厌氧反硝化。因此，氮和磷不能有效地同时去除（Patel和Nakhla，2006；Nam等人，2014），处理后会留下较高的氮和磷浓度。总之，为了有效去除污染物，应改进和改进传统方法。


MABR作为一种创新的水处理生化方法，通过有限反应器中的中空纤维膜将曝气和微生物附着结合在一起（Stricker等人，2011年；Carles和Barth，2014年；Wei等人，2012年；Li等人，2015年）。好氧区和厌氧区可以同时在生物膜内形成，促进水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化的同时进行，这是对有机物、TN和TP的高去除效率的设想（Wei等人，2012）。虽然MABR工艺对有机物、氮磷去除效果显着，但有些污染物不能彻底降解。有机物在一段时间内基本上被去除，而氮和磷的浓度在处理过的水中仍然很高。异养反硝化细菌去除硝化产物的碳源不足。在整个原位处理过程中，如果没有污泥从水体中排出，聚磷生物（PAO）吸收的磷可能会释放回水中。然后需要进一步的后处理过程，通过补充碳资源来去除地表水中的氮和磷（Guerrero等人，2012年；Chu和Wang，2011年）。


在本研究中，聚羟基烷酸酯（PHA）（Valentino等人，2015年；Laycock等人，2014年）被用作后处理过程（第2阶段）中的碳源。PHA是一种细胞内聚酯，由细菌合成，作为碳源和储能源，可完全生物降解为二氧化碳和水，无二次污染。当PHA用于细菌生长时，氮和磷成分也会被消耗。综合而言，地表水中的硝酸盐和磷酸盐在这一过程中可以作为微生物组分被吸收。因此，有机物、氮和磷将被降解，以实现地表水的净化。


本研究旨在开发一种用于地表水处理的强化MABR，分析膜组件和附着生物膜的特性。系统地评估了添加PHA消除污染物的总体性能。建议在强化MABR工艺中完成水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化。添加PHA会增加生物量。然后，通过微生物同化，氮和磷的含量可以降低到最低水平。运行一段时间后，整个强化MABR被移除，以防止二次污染。地表水水质在综合系统的作用下得到了显着改善。研究结果对通过提高TN和TP去除效率来推进地表水处理具有指导意义。


2.材料和方法


2.1.实验设计


图1所示的增强型MABR装置主要由八个膜组件、一个浮子碗和一个用于容纳PHA颗粒的PHA罐组成。每个膜组件包含200个有效长度为20cm的复合中空纤维膜。膜组件可以通过浮筒漂浮在水面上，并通过空气压缩机充气。考虑到地表水流速较低，在强化MABR过程中，通过旋转集成系统，使用叶轮促进基质（即有机物、氮和磷）的传质。PHA水箱采用水泵供水。

图1。增强型MABR系统示意图。


整个治疗分为两个阶段。在第一阶段，四个膜组件由空气压缩机充气，其他四个膜组件未运行。PHA罐的入口管关闭，以抑制PHA降解。对于第二阶段，所有八个膜组件都进行了充气。PHA罐的入口管是开放的，出口管的出口靠近膜组件，以便于微生物在膜表面聚集。


2.2.PHA的性质


PHA为白色颗粒，直径约3mm，购自深圳益科通环保材料有限公司。PHA是细胞内合成的聚酯，主要作为碳源和储能物质保存在生物体内。PHA完全由可生物降解的碳组成，可完全生物降解为二氧化碳和水，无任何二次污染。PHA既没有填料也没有化学品，这表明降解产物对地表水中的渔业和水生植物是安全的。在整个实验过程中，微生物对氮和磷的消耗被证明是一个缓慢的过程。实施碳源添加以保持成分（即碳、氮和磷）之间的平衡应缓慢。PHA降解速度慢，适合作为碳源。如上所述，PHA特别适合作为额外碳源的地表水处理。


2.3.中空纤维膜的表征


用扫描电子显微镜（SEM，美国Nova NanoSEM 430）对膜表面进行成像。通过单反相机（佳能EOS 1200D，中国）观察膜曝气情况。


2.4.水质指数分析方法


CODCr、NH3–N、硝酸盐–氮（NO3–N）、亚硝酸盐–氮（NO2–N）、TN和TP通过分光光度法进行测量，使用实验室多参数台式光度计（2800，Hach Instruments Inc.，USA）。DO浓度由微电极测量系统（丹麦Unisense）监测。浊度通过浊度计（美国2100N Hach Instruments Inc.）测量。生化需氧量（BOD5）由BOD分析仪（BODTrak）检测™,美国哈奇仪器公司）。紫外分光光度计记录UV254值。


2.5.生物量和生物脱氢酶活性（DHA）分析


通过Seredyńska Sobecka等人（2006年）报告的磷脂提取方法研究了附着在中空纤维膜上的生物量。根据Len（Lenhard，1968；Lazarova and Manem，1995）的说法，脱氢酶活性（DHA）是通过氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法检测的。