摘要

本研究探討了強(qiáng)化MABR處理地表水的可行性。設(shè)計(jì)了適合高效曝氣和微生物粘附的膜組件。在第1階段，只有一半的膜組件進(jìn)行了曝氣，以促進(jìn)形成穩(wěn)定的生物膜，同時(shí)具有好氧和厭氧微生物群落，實(shí)現(xiàn)水解酸化、好氧氧化和硝化-反硝化效果。在第二階段，所有的膜組件都進(jìn)行曝氣，并利用聚羥基烷酸酯（PHA）作為碳源來(lái)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。氮和磷同時(shí)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。在第28天，增強(qiáng)的MABR完全解除，以防止污染物進(jìn)一步釋放回水中?？傊诘乇硭幚磉^(guò)程中，增強(qiáng)型MABR達(dá)到了有效性能，化學(xué)需氧量（CODCr）、UV254、氨氮（NH3–N）、總氮（TN）、總磷（TP）和濁度的平均出水濃度分別為35 mg/l、0.03 cm1、0.21 mg/l、1.5mg/l、0.23 mg/l和3.12 NTU，分別地

1.介紹

越來(lái)越多的生活和工業(yè)廢水在未經(jīng)充分處理的情況下排入自然水系統(tǒng)，從而惡化了自凈能力（Chu等人，2010年；Shannon等人，2008年）。過(guò)量的有機(jī)物、氮和磷會(huì)顯著降低地表水的溶解氧濃度。此外，富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重影響了地表水質(zhì)量和漁業(yè)（Lapointe等人，2015年），并威脅到發(fā)展中國(guó)家的人類健康（Yang等人，2012年；Verrecht等人，2010年）。難以生物降解的有機(jī)污染物難以去除（Gough等人，2014年；Hoyland等人，2014年），降解地表水的感官特性，甚至產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品，使用化學(xué)消毒劑（如氯）（Bond等人，2014年；Huerta Fontela等人，2011年）。隨后，水質(zhì)惡化。

在全球范圍內(nèi)，越來(lái)越多的研究人員對(duì)具有嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的地表水進(jìn)行了有效處理，包括物理、化學(xué)和生化方法。由于成本較高，物理方法通常對(duì)永久性管理無(wú)效，例如人工曝氣、沉積物疏浚和機(jī)械除藻（Dong等人，2012年；Mulligan等人，2001年）。易引發(fā)二次污染的化學(xué)方法包括混凝沉淀法、化學(xué)除藻法、鐵鹽加速磷沉淀法、石灰脫氮法等（Lafhaj等人，2008年；Alexander等人，2012年）。綜上所述，生物修復(fù)吸引了地表水處理領(lǐng)域更多的研究人員（Zhang等人，2013年；Guerrero等人，2011年）。對(duì)于傳統(tǒng)方法（如活性污泥法），在現(xiàn)場(chǎng)地表水處理中幾乎不發(fā)生厭氧反硝化。因此，氮和磷不能有效地同時(shí)去除（Patel和Nakhla，2006；Nam等人，2014），處理后會(huì)留下較高的氮和磷濃度?？傊?，為了有效去除污染物，應(yīng)改進(jìn)和改進(jìn)傳統(tǒng)方法。

MABR作為一種創(chuàng)新的水處理生化方法，通過(guò)有限反應(yīng)器中的中空纖維膜將曝氣和微生物附著結(jié)合在一起（Stricker等人，2011年；Carles和Barth，2014年；Wei等人，2012年；Li等人，2015年）。好氧區(qū)和厭氧區(qū)可以同時(shí)在生物膜內(nèi)形成，促進(jìn)水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化的同時(shí)進(jìn)行，這是對(duì)有機(jī)物、TN和TP的高去除效率的設(shè)想（Wei等人，2012）。雖然MABR工藝對(duì)有機(jī)物、氮磷去除效果顯著，但有些污染物不能徹底降解。有機(jī)物在一段時(shí)間內(nèi)基本上被去除，而氮和磷的濃度在處理過(guò)的水中仍然很高。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌去除硝化產(chǎn)物的碳源不足。在整個(gè)原位處理過(guò)程中，如果沒(méi)有污泥從水體中排出，聚磷生物（PAO）吸收的磷可能會(huì)釋放回水中。然后需要進(jìn)一步的后處理過(guò)程，通過(guò)補(bǔ)充碳資源來(lái)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，聚羥基烷酸酯（PHA）（Valentino等人，2015年；Laycock等人，2014年）被用作后處理過(guò)程（第2階段）中的碳源。PHA是一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，由細(xì)菌合成，作為碳源和儲(chǔ)能源，可完全生物降解為二氧化碳和水，無(wú)二次污染。當(dāng)PHA用于細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)，氮和磷成分也會(huì)被消耗。綜合而言，地表水中的硝酸鹽和磷酸鹽在這一過(guò)程中可以作為微生物組分被吸收。因此，有機(jī)物、氮和磷將被降解，以實(shí)現(xiàn)地表水的凈化。

本研究旨在開發(fā)一種用于地表水處理的強(qiáng)化MABR，分析膜組件和附著生物膜的特性。系統(tǒng)地評(píng)估了添加PHA消除污染物的總體性能。建議在強(qiáng)化MABR工藝中完成水解酸化、好氧氧化、硝化和反硝化。添加PHA會(huì)增加生物量。然后，通過(guò)微生物同化，氮和磷的含量可以降低到最低水平。運(yùn)行一段時(shí)間后，整個(gè)強(qiáng)化MABR被移除，以防止二次污染。地表水水質(zhì)在綜合系統(tǒng)的作用下得到了顯著改善。研究結(jié)果對(duì)通過(guò)提高TN和TP去除效率來(lái)推進(jìn)地表水處理具有指導(dǎo)意義。

2.材料和方法

2.1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1所示的增強(qiáng)型MABR裝置主要由八個(gè)膜組件、一個(gè)浮子碗和一個(gè)用于容納PHA顆粒的PHA罐組成。每個(gè)膜組件包含200個(gè)有效長(zhǎng)度為20cm的復(fù)合中空纖維膜。膜組件可以通過(guò)浮筒漂浮在水面上，并通過(guò)空氣壓縮機(jī)充氣。考慮到地表水流速較低，在強(qiáng)化MABR過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)集成系統(tǒng)，使用葉輪促進(jìn)基質(zhì)（即有機(jī)物、氮和磷）的傳質(zhì)。PHA水箱采用水泵供水。

圖1。增強(qiáng)型MABR系統(tǒng)示意圖。

整個(gè)治療分為兩個(gè)階段。在第一階段，四個(gè)膜組件由空氣壓縮機(jī)充氣，其他四個(gè)膜組件未運(yùn)行。PHA罐的入口管關(guān)閉，以抑制PHA降解。對(duì)于第二階段，所有八個(gè)膜組件都進(jìn)行了充氣。PHA罐的入口管是開放的，出口管的出口靠近膜組件，以便于微生物在膜表面聚集。

2.2.PHA的性質(zhì)

PHA為白色顆粒，直徑約3mm，購(gòu)自深圳益科通環(huán)保材料有限公司。PHA是細(xì)胞內(nèi)合成的聚酯，主要作為碳源和儲(chǔ)能物質(zhì)保存在生物體內(nèi)。PHA完全由可生物降解的碳組成，可完全生物降解為二氧化碳和水，無(wú)任何二次污染。PHA既沒(méi)有填料也沒(méi)有化學(xué)品，這表明降解產(chǎn)物對(duì)地表水中的漁業(yè)和水生植物是安全的。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，微生物對(duì)氮和磷的消耗被證明是一個(gè)緩慢的過(guò)程。實(shí)施碳源添加以保持成分（即碳、氮和磷）之間的平衡應(yīng)緩慢。PHA降解速度慢，適合作為碳源。如上所述，PHA特別適合作為額外碳源的地表水處理。

2.3.中空纖維膜的表征

用掃描電子顯微鏡（SEM，美國(guó)Nova NanoSEM 430）對(duì)膜表面進(jìn)行成像。通過(guò)單反相機(jī)（佳能EOS 1200D，中國(guó)）觀察膜曝氣情況。

2.4.水質(zhì)指數(shù)分析方法

CODCr、NH3–N、硝酸鹽–氮（NO3–N）、亞硝酸鹽–氮（NO2–N）、TN和TP通過(guò)分光光度法進(jìn)行測(cè)量，使用實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)臺(tái)式光度計(jì)（2800，Hach Instruments Inc.，USA）。DO濃度由微電極測(cè)量系統(tǒng)（丹麥Unisense）監(jiān)測(cè)。濁度通過(guò)濁度計(jì)（美國(guó)2100N Hach Instruments Inc.）測(cè)量。生化需氧量（BOD5）由BOD分析儀（BODTrak）檢測(cè)?,美國(guó)哈奇儀器公司）。紫外分光光度計(jì)記錄UV254值。

2.5.生物量和生物脫氫酶活性（DHA）分析

通過(guò)Seredyńska Sobecka等人（2006年）報(bào)告的磷脂提取方法研究了附著在中空纖維膜上的生物量。根據(jù)Len（Lenhard，1968；Lazarova and Manem，1995）的說(shuō)法，脫氫酶活性（DHA）是通過(guò)氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法檢測(cè)的。