氯酚类化合物（CPs）是一类具有工业重要性的有机化合物，全球年产量约为20万吨（Tabassum等人，2024年）。它们在纺织染色、木材加工和农药制造中的广泛使用常常导致未经适当处理就释放到环境中（Andreozzi等人，2011年）。CPs排放的不当管理导致了环境污染，对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁（Chen等人，2021年；Zada等人，2021年；Yadav等人，2023年）。在各种CPs中，3,4-二氯苯酚（3,4-DCP）尤其令人担忧，因为它在氯化苯和五氯苯的微生物降解过程中大量产生（Arora和Bae，2014年）。河流水中存在3,4-DCP凸显了氯化酚类化合物的环境持久性和潜在的生态威胁（Andreozzi等人，2011年）。
CPs稳定的芳香结构使其生物降解缓慢且不完全，这一过程受多种环境因素影响（Yadav等人，2023年）。虽然物理和化学处理方法可以有效消除CPs，但高昂的运行成本和有毒副产品的产生常常限制了它们的应用。相比之下，依赖微生物群落的生物处理方法为CPs的降解提供了一种可持续且高效的替代方案。好氧微生物利用单加氧酶和双加氧酶将芳香环羟基化并裂解，生成毒性较低的中间产物。在厌氧条件下，还原脱卤酶利用发酵产生的氢作为电子供体促进脱氯反应，最终将CPs矿化为二氧化碳和甲烷（Yang等人，2021年）。
已经采用了多种生物处理系统来去除CPs，包括活性污泥、序批反应器（SBR）、好氧颗粒污泥和膜生物反应器（MBR）（Carucci等人，2010年；Li等人，2019年；Mahendiran等人，2024年）。MBR因其高效的污染物去除能力、优异的生物质保留性能和稳定的出水质量而受到重视，对于4-氯苯（4-CP）的去除效率可达到99–100%，对于2,4-二氯苯（2,4-DCP）的去除效率可达96%（Zhang等人，2016年；Carucci等人，2010年；Li等人，2019年）。然而，MBR的应用常常受到膜污染的阻碍，尤其是由于生物膜、细胞外聚合物物质（EPS）和可溶性微生物产物（SMP）的积累（AlSawaftah等人，2022年；Mannina等人，2023年）。EPS和SMP通过复杂的物理化学相互作用显著促进了MBR的生物污染（Drews，2010年；Liu等人，2012年）。EPS促进了污泥的聚集，并在低溶解氧（DO）或有毒CP暴露等应力条件下增强了膜附着力，导致生物膜形成密集且跨膜压力（TMP）升高（Tian等人，2011年；Li等人，2019年）。过多的EPS不仅影响污泥的沉降性能，还会破坏MBR的运行稳定性（AlSawaftah等人，2022年）。此外，SMP在膜表面形成持久的凝胶层，导致过滤阻力增加（Teng等人，2018年；Miwa等人，2022年）。因此，优化操作参数以控制EPS和SMP的组成对于减轻膜污染和维持MBR系统的稳定处理性能至关重要。
将生物载体整合到MBR系统中已被证明可以提高处理效率并减少膜污染（Chen等人，2021年；Zhu等人，2022年）。载体上的生物膜增强了微生物活性并调节了污泥特性，同时载体还对膜表面具有清洁作用，减少了膜上的沉积物层（Song等人，2019年；Zhu等人，2020年）。值得注意的是，海绵载体能够减少EPS中的蛋白质和多糖成分，延长膜的使用寿命并保持过滤性能（Han等人，2018年）。因此，整合生物载体是一种有效的策略，可以提升MBR系统的性能。
最近，海绵膜生物反应器（Sponge-MBR）的发展标志着在提高污染物去除效率和减轻生物污染方面的一个有前景的进展（Nguyen等人，2023年）。其独特的多孔结构、较大的表面积和高吸附能力为生物膜的发展提供了有利条件（Guo等人，2010年；Alsalhy等人，2018年）。研究表明，与传统MBR相比，Sponge-MBR的污染去除率可降低10–40倍（Nguyen等人，2019年）。此外，海绵基质促进了好氧和厌氧微区的形成，为难以降解的化合物（如CPs）提供了复杂的降解途径（Yang等人，2021年；Nguyen等人，2023年）。
尽管有这些优势，但Sponge-MBR系统在处理含3,4-DCP的氯化酚类化合物方面的应用仍然有限。大多数先前的研究主要集中在传统MBR系统的处理性能或短期适应反应上，对于水力停留时间（HRT）如何调节微生物适应、EPS/SMP的产生以及在高毒性化合物持续暴露下的膜污染行为关注较少。HRT是生物处理过程中的关键操作参数，特别是对于有毒和难以降解的有机污染物（Wei等人，2015年）。确定最佳HRT不仅对于实现高处理效率至关重要，还有助于减少运行时间并提高大规模应用的经济可行性（Lv等人，2022年）。然而，大多数关于使用MBR系统去除DCP的研究都是在相对较长的HRT下进行的，通常约为24小时（Li等人，2019年；Long等人，2020年）。这样的长HRT带来了显著的经济和操作限制，从而限制了MBR的实际应用。
在这种情况下，在单个生物反应器内结合好氧、缺氧/厌氧环境是一种有前景的策略，有助于提高难降解有机化合物的生物降解效率。因此，开发了一种实验室规模的Sponge-MBR以克服这些限制。本研究的目标是：（i）评估HRT对污染物去除和微生物动态的影响，并确定3,4-DCP处理的最佳HRT；（ii）在30天的时间内，评估不同生物质组分下的处理性能、膜污染和微生物多样性。这些发现支持了Sponge-MBR系统在处理有毒化合物方面的实际应用。
