光照周期对处理厌氧出水的膜光生物反应器中膜污染影响的研究

《ACS ES&T Water》：Influence of Photoperiod on Membrane Fouling Reported in a Membrane Photobioreactor for Reclamation of Anaerobic Effluent

本综述研究了在膜光生物反应器（MPBR）中，不同光暗周期（9/15小时与12/12小时）如何影响微藻-细菌菌群的动态、生物质特性以及膜污染行为。研究发现，较长的光照时间（12/12小时）促进了光合微生物的生长，形成了更大的生物絮体，并导致主要由可逆滤饼层构成的膜污染，易于通过物理清洗去除。相比之下，较短光照（9/15小时）则导致更多可溶性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）产生，引发了更严重的内部残留污染。研究还探讨了无曝气搅拌（R3）模式，证实了MPBR在无需外部供氧下进行部分硝化和营养物质回收的潜力，为低能耗的厌氧-膜光生物反应器（UASB-MPBR）组合工艺用于废水深度处理与资源回收提供了重要见解。

　　

引言

厌氧技术处理生活污水因其较低的污泥产量和通过沼气生产进行能量回收的潜力而受到关注。然而，上流式厌氧污泥床（UASB）等厌氧工艺在氨氮去除和磷回收方面存在局限，需要后续处理以满足排放标准。膜光生物反应器（MPBR）结合了光生物反应器（PBR）与膜过滤技术，为处理富含营养物的厌氧出水提供了一种有前景的替代方案。然而，膜污染仍然是MPBR应用的主要限制，其性能在很大程度上取决于污染物（如胞外聚合物EPS和可溶性微生物产物SMP）的有效控制。本研究旨在评估不同光周期（代表有利和不利的辐照条件）对实验室规模MPBR处理实际UASB出水的性能、生物质动态和膜污染行为的影响。

材料与方法

实验使用来自西班牙加那利群岛一座污水处理厂的UASB中试装置的厌氧出水作为进水。基于当地典型年的日照数据，设定了两种光暗周期：9小时光照/15小时黑暗（代表11月至4月，试验R1）和12小时光照/12小时黑暗（代表5月至10月，试验R2和R3）。MPBR工作容积为2.8升，配备中空纤维超滤膜。试验R1和R2采用底部曝气进行混合，而R3则采用磁力搅拌（150 rpm）替代曝气，以研究混合方式的影响。所有试验的水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）分别设定为3.5天和9天。通过监测跨膜压（TMP）来评估膜污染，并分析了生物质的物理化学特性、光合微生物群落组成以及污染物去除效率。

光照周期对生物质的影响

生物质物理化学特性

两种光照周期下，悬浮液的pH值均保持稳定在7.8-7.9左右。在12/12光周期（R2）下，生物质生产力（BP）和总悬浮固体（TSS）浓度均高于9/15光周期（R1）。具体而言，R2的平均生物质生产力为62.8 ± 3.9 mg VSS/L·d，而R1为47.6 ± 9.2 mg VSS/L·d。此外，R2中挥发性悬浮固体与总悬浮固体的比值（VSS/TSS）也更高（78.3% vs 69.4%），表明其生物质有机成分占比更高。颗粒尺寸分析显示，R2的平均粒径（d₅₀= 86.0 μm）显著大于R1（d₅₀= 55.5 μm），这可能与更长的光照促进了微藻和细菌的聚集形成更大的生物絮体有关。

悬浮液中光养生物的鉴定

通过显微镜观察发现，两种光周期下主要的自养微生物均为绿藻、硅藻和蓝细菌。在12/12光周期（R2）下，绿藻的相对丰度从77.4%增加至82.6%，而蓝细菌从9.0%下降至3.0%。在9/15光周期（R1）下，绿藻比例略有下降，而硅藻比例从21.1%显著增加至31.8%。这表明更长的光照时间有利于绿藻和硅藻的生长。

微藻-细菌菌群的行为

呼吸测量测试结果表明，在12/12光周期下培养的悬浮液（R2）具有更高的微藻光合作用产氧率（sOPR为8.2 mg O₂/gTSS·h），而9/15光周期下（R1）的sOPR为5.0 mg O₂/gTSS·h。同时，R2中硝化细菌的耗氧率（sOUR）也更高（6.3 vs 2.3 mg O₂/gTSS·h），说明在较长光照下，微藻与硝化细菌的共生关系更为活跃。

膜过滤实验

跨膜压（TMP）的演变揭示了不同的膜污染模式。在9/15光周期（R1）下，初始跨膜压（TMP_i，与内部残留污染相关）在运行后期呈现上升趋势（0.03 kPa/h），同时生物质生产力下降。这可能是由于光照减少导致光合微生物应激或裂解，释放了更多可溶性有机物（如EPS和SMP），加剧了膜孔阻塞和凝胶层形成。相比之下，在12/12光周期（R2）下，TMP_i保持稳定（约7.5 kPa），而最终跨膜压（TMP_f）则迅速升高至20 kPa以上。这表明主要污染形式是可逆的滤饼层，由较大的颗粒物在膜表面沉积所致，与R2中观察到的更大粒径的生物絮体相一致。

长期实验后膜污染的表征

对长期实验后膜污染的阻力分析进一步证实了上述结论。在R2（12/12）中，可通过物理冲洗去除的污染阻力占比高达65.3%，显著高于R1（9/15）的40.8%。相反，R1中的内部残留污染和不可逆污染比例（37.6%和17.8%）均高于R2（23.7%和13.1%）。这明确说明延长光照促进了更易通过物理清洗去除的可逆污染的形成。

污染物去除与再生水水质

两种光周期下，MPBR对化学需氧量（COD）和溶解性有机碳（DOC）的去除效率相似（73-76%和64-67%），并能产生几乎无固体的渗透液。在氮转化方面，两种条件下均实现了接近99%的氨氮去除和完全硝化。然而，在12/12光周期（R2）下，硝化过程更稳定，这得益于更高的光合产氧量。总磷（TP）的去除率在R1和R2中分别为18.7%和26.6%，较长的光照促进了自养微生物对磷的更多同化。

无曝气条件下12/12光暗周期的MPBR性能

第三个实验（R3）在12/12光周期下，用机械搅拌替代了底部曝气。结果显示，其生物质中光养微生物的组成与R2相似，绿藻和硅藻占主导（93-94%）。然而，膜污染行为发生了变化：TMP_i上升至约15 kPa，表明内部残留污染加剧。这可能是由于缺乏曝气导致流体力学条件改变，以及可能因搅拌造成的生物质损伤，释放了更多胶体和可溶性有机物（BPC浓度高达38.6 ± 7.1 mg/L）。在营养物去除方面，R3在无外部曝气下，依靠微藻供氧实现了91.9 ± 6.8%的氨氮去除和部分硝化，氮回收率（NRR）达到6.1 ± 1.3 mg N/L·d，磷回收率（PRR）为1.2 ± 0.5 mg P/L·d，为低能耗运行提供了可能性。

结论

本研究证实，光照周期是调控MPBR处理UASB出水性能的关键因素。将光照时间从9/15小时延长至12/12小时，能有效增强微藻活性，提高生物质产量和有机质比例，并促使形成更大的生物絮体。这一生物质特性的转变直接改变了膜污染性质：较长光照下，污染主要表现为易于物理清洗去除的可逆滤饼层；而较短光照则导致更多可溶性污染物的积累，引发更严重的内部残留污染。混合策略也至关重要，在12/12光周期下，用机械搅拌替代曝气（R3）虽证明了系统在无外部供氧下运行并回收营养物的可行性，但也导致了更显著的内部污染。综合而言，采用12/12光周期并结合曝气混合（R2）能在膜污染控制、生物质特性及氮转化稳定性之间取得最佳平衡。这些发现为优化UASB-MPBR组合工艺用于可持续废水处理和资源回收提供了重要的实验依据和设计指导。