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炼焦废水处理中膜生物反应器（MBR）耦合间歇弱超声技术，优化功率密度5.8W/L、照射15min、间隔48h，显著提升COD（90.96%）、酚（99.77%）、氨氮（97.28%）及硝氮（98.10%）去除率，减少18%污泥产量并有效控制膜污染。机制包括超声诱导微生物功能调控（如关键降解菌增殖、脱氢酶活性增强、胞外聚合物蛋白富集），同时降低曝气需求并提高有机负荷50%，为工业废水处理提供节能方案。
贾胜勇|龚阳辉|李英英|魏娜莹|刘泽宇|刘阳|李贵荣|侯秉乾|张敬深|徐子聪|马翠
郑州大学生态与环境学院，中国郑州450001
摘要
提高污染物去除效率和控制膜污染仍然是膜生物反应器（MBR）应用中的主要挑战。本研究开发了一种结合间歇性弱超声的MBR系统，用于焦化废水处理。在最佳条件下（功率密度5.8 W/L、照射时间15分钟、间隔时间48小时），该系统实现了化学需氧量、酚类和氮的高去除效率，并且污泥产量减少了18.0%，同时显著改善了膜污染控制效果。这些性能提升主要归因于超声诱导的微生物适应性和功能调控，包括关键降解菌群的富集、脱氢酶活性的增强以及细胞外聚合物组成的变化（向蛋白质富集方向转变）。该系统降低了曝气需求，并将允许的有机负荷率提高了50%，同时保持了处理效果。这项工作表明，间歇性弱超声可以同时克服传统MBR的主要局限性，为处理难降解工业废水提供了一种节能且实用的策略。
引言
焦化废水是一种复杂且污染严重的工业废水，含有多种难降解和有毒物质，如酚类、多环芳烃和含氮杂环化合物（Ren等人，2019年）。未经处理的焦化废水对人类健康和水生生态系统构成严重威胁。传统的生物处理工艺（如厌氧/好氧、厌氧/好氧和序批反应器）由于其高毒性和低生物降解性，往往难以有效处理焦化废水（Tamang和Paul，2022年）。因此，开发先进的焦化废水处理策略至关重要（Liu等人，2020年；Zhu等人，2019年）。
膜生物反应器（MBR）被认为是处理难降解工业废水的一种有前景的技术。然而，其性能受到三个关键因素的限制：微生物活性受限、膜污染和污泥产量过多。先前的研究表明，在MBR中添加活性炭、纳米颗粒或絮凝剂可以加速有机物降解并延缓膜污染（Al-Asheh等人，2021年；Sun等人，2023年）。然而，这些方法往往引入了新的问题，包括潜在的生态毒性或额外的固体废物产生。因此，推进MBR技术需要开发内在的、非添加性的策略来从根本上解决这些限制（Chen等人，2022年；Liu等人，2021年、2026年）。
最近，将MBR技术与特定频率和能量水平的弱超声结合使用，已成为一种提高污染物去除效率、控制膜污染和减少污泥产量的有前景的方法（Arefi-Oskoui等人，2019年；Frontistis等人，2023年；Li等人，2013年）。研究表明，弱超声可以增强微生物酶活性并增加细胞膜通透性，促进细胞内外的物质传递（Borah等人，2016年；Neumann等人，2017年；Zhang等人，2022年）。此外，超声空化产生的剪切力和羟基自由基有助于污泥絮体的分解和污染物的氧化（Jia等人，2015年；Khataee等人，2015年）。低强度超声还可以作为一种亚致死压力源，诱导微生物群落的方向性演替和功能调整（Huang等人，2020年；Wang等人，2018年）。尽管取得了这些进展，但大多数研究仍集中在连续超声应用上，针对的是孤立的性能指标。这引发了一个关键问题：如何将间歇性弱超声作为一种可控的生态选择压力，引导微生物适应和进化，以实现处理效率、污泥减少和膜污染的综合改善？
本研究提出了一种基于间歇性弱超声的微生物群落工程策略，以应对MBR处理焦化废水中的这些协同挑战。该系统的性能从污染物去除、过剩污泥调控和膜污染缓解三个方面进行了评估。随后，研究了最佳弱超声对MBR曝气需求和处理能力的影响。最后，通过长期运行该集成系统阐明了其作用机制。本研究开发的间歇性弱超声耦合MBR系统旨在提高焦化废水处理效果，同时降低能源和运营成本，从而为工业应用提供实用且可持续的解决方案。
实验设备
间歇性弱超声直接作用于MBR内的活性污泥混合液，而不是膜模块。超声系统由两块换能器板（300 × 100 × 300毫米）组成，通过改变电流来调节超声功率（0至1200瓦）。超声频率设定为20千赫。MBR装置包括一个反应器腔室（421 × 360 × 430毫米）、一个膜模块、两条曝气条等。
最佳参数的确定及其对污染物去除的影响
在不同功率密度、照射时间和应用间隔条件下评估了弱超声的效果。在最佳条件下（超声强度为5.8 W/L、照射时间为15分钟、间隔时间为48小时），污染物的去除效率得到提高（图1、图2、图3）。到第13天时，COD、酚类、NH4+–N和NO3?–N的出水浓度分别降低了90.96%、99.77%、97.28%和98.10%。
经济可行性和未来展望
基于本研究的初步技术经济评估表明，间歇性弱超声策略具有潜在的可行性。曝气需求的降低和处理能力的提高直接转化为较低的运营能源成本，以及由于储罐需求减少而可能带来的资本支出降低。同时，污泥产量的减少进一步降低了污泥处理和处置的相关成本。
结论
本研究中的间歇性弱超声耦合MBR系统表现出更高的污染物去除效率，同时减少了过剩污泥的产生并减轻了膜污染。性能提升归因于超声诱导的微生物适应性和生理调控。作为周期性的生态刺激，弱超声促进了高效降解菌群（如Thauera、Hyphomicrobium）的富集，并维持了其活性。
未引用的参考文献
Liu等人（2026年）。
CRediT作者贡献声明
贾胜勇：撰写——审稿与编辑、方法学研究、资金获取、数据分析。龚阳辉：撰写——初稿撰写、数据可视化、数据分析、数据管理。李英英：撰写——初稿撰写、数据分析、数据管理。魏娜莹：数据分析、数据分析。刘泽宇：数据分析、数据分析。刘阳：数据分析、数据分析。李贵荣：撰写——审稿与编辑、方法学研究、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了黄淮实验室科技创新项目（项目编号：240700004）、河南省水污染控制与修复技术重点实验室开放基金（项目编号：CJSZ2024003）、河南省杰出海外科学家基金（项目编号：GZS2024001）以及中国河南省自然科学基金（项目编号：252300420473、232102320104）的支持。
