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）作為碳源來促進(jìn)微生物生長。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?，在地表水處理過程中，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)，越來越多的研究人員對具有嚴(yán)重富營養(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，物理方法通常對永久性管理無效，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）。對于傳統(tǒng)方法（如活性污泥法），在現(xiàn)場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。總之，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)原位處理過程中，如果沒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)一步的后處理過程，通過補(bǔ)充碳資源來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，無二次污染。當(dāng)PHA用于細(xì)菌生長時(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)果對通過提高TN和TP去除效率來推進(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)有效長度為20cm的復(fù)合中空纖維膜。膜組件可以通過浮筒漂浮在水面上，并通過空氣壓縮機(jī)充氣?？紤]到地表水流速較低，在強(qiáng)化MABR過程中，通過旋轉(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，無任何二次污染。PHA既沒有填料也沒有化學(xué)品，這表明降解產(chǎn)物對地表水中的漁業(yè)和水生植物是安全的。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，微生物對氮和磷的消耗被證明是一個(gè)緩慢的過程。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Nova NanoSEM 430）對膜表面進(jìn)行成像。通過單反相機(jī)（佳能EOS 1200D，中國）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通過分光光度法進(jìn)行測量，使用實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)臺(tái)式光度計(jì)（2800，Hach Instruments Inc.，USA）。DO濃度由微電極測量系統(tǒng)（丹麥Unisense）監(jiān)測。濁度通過濁度計(jì)（美國2100N Hach Instruments Inc.）測量。生化需氧量（BOD5）由BOD分析儀（BODTrak）檢測?,美國哈奇儀器公司）。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）的說法，脫氫酶活性（DHA）是通過氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法檢測的。