在厌氧酸化膜生物反应器中，利用NaOH反冲洗实现pH值的同步调节和污染物的减缓：性能与机制分析

《Journal of Membrane Science》：Simultaneous pH regulation and fouling mitigation in anaerobic acidification membrane bioreactors using NaOH backwashing: performance and mechanistic insights

挥发性脂肪酸回收、NaOH反冲洗、膜污染控制、AAMBR系统、蛋白质降解结构重组

　　

吴梦飞|赵品|宋伟龙|王新华

中国江苏省江南大学环境与生态学院厌氧生物技术重点实验室，无锡214122

摘要

厌氧酸化膜生物反应器（AAMBRs）在从城市废水中回收挥发性脂肪酸（VFA）方面受到了越来越多的关注。然而，两个主要挑战限制了其性能：维持碱性或酸性pH值以抑制产甲烷菌，以及处理严重的膜污染问题。在这项研究中，我们介绍了一种新的方法，通过使用0.2 mol/L的NaOH（pH 12）进行反冲洗，同时调节pH值并减轻膜污染。结果表明，NaOH反冲洗将AAMBR的pH值稳定在大约10，从而支持了高效的VFA生产。值得注意的是，与纯水反冲洗相比，它使膜通量下降幅度减少了75%，显示出显著的抗污染能力。这种改善归因于污染层的重构以及可逆和不可逆污染物的减少，尤其是蛋白质。NaOH反冲洗减少了关键的桥接离子（如Ca²⁺），进而减少了污染层的厚度并增加了其孔隙率。此外，由于蛋白质是膜表面的主要污染物，NaOH反冲洗增强了它们的代谢转化和降解，同时改变了蛋白质的二级结构分布——这些因素共同促进了AAMBR中污染的减少。总体而言，这项研究表明，在线NaOH反冲洗是一种有效的策略，可以同时减轻膜污染并维持AAMBR系统的碱性pH条件。

引言

近年来，由于厌氧膜生物反应器（AnMBRs）具有较高的处理效率和能源回收潜力，因此在废水处理领域受到了广泛关注[1]，[2]。然而，包括出水质量不佳、严重膜污染和甲烷回收率低在内的几个挑战仍然限制了它们的实际应用[3]，[4]，[5]。特别是甲烷回收率不足导致整体有机物回收率较低，限制了AnMBRs在废水处理中的更广泛应用。为了克服这一限制，提出了厌氧酸化膜生物反应器（AAMBRs）作为替代处理策略[6]，[7]，[8]。在该系统中，首先使用正向渗透（FO）膜浓缩城市废水，然后将富集的有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs），在pH 5时产量为0.48 ± 0.01 mg VFAs/g COD_feed，在pH 10时产量为0.51 ± 0.03 g VFAs/g COD_feed [7]。尽管AAMBRs显著提高了有机物回收率，但膜污染仍然是阻碍其稳定运行的主要瓶颈。

先前的研究表明，有机污染物——尤其是蛋白质（PN）——是AAMBRs中膜污染的主要来源[9]，[10]，[11]。这种污染严重影响了系统的性能，并限制了AAMBRs的实际应用，凸显了有效控制污染的必要性。尽管如此，针对AAMBRs的污染缓解研究仍然很少。化学强化反冲洗（CEB）在AnMBRs中展示了强大的经济可行性和操作实用性[12]，[13]，[14]。通过将传统的物理反冲洗与氢氧化钠（NaOH）或次氯酸钠（NaClO）等化学清洗剂结合使用，CEB可以有效减少膜污染[13]，[15]，[16]。物理反冲洗可以去除膜表面松散附着的沉积层，从而解决可逆污染问题[12]，而NaOH因其稳定性和分解天然有机物（NOM）的能力而常被用作化学试剂[17]，[18]。例如，在MBRs中间歇性添加NaOH已被证明可以有效缓解膜污染[18]。此外，最近的研究表明，NaOH可以改变有机污染物的结构并增强膜系统中污染的可逆性[19]。尽管NaOH在减轻有机污染方面显示出明显潜力，但迄今为止其在AAMBRs中的使用仅限于调节pH值以维持碱性条件和支持VFA生产[6]，[8]。迄今为止，尚未有关于NaOH用于AAMBRs中污染缓解的报道。

基于NaOH在减轻有机污染方面的有效性以及AAMBRs通过添加碱来控制pH值的能力，我们提出了一种将NaOH反冲洗集成到AAMBR过程中的策略，以实现pH值的同步调节和污染的减轻。据我们所知，这种方法此前尚未被报道。在这项研究中，我们提出了一种将NaOH反冲洗集成到AAMBR过程中的策略，以实现pH值的同步调节和污染的减轻。虽然以VFA生产作为酸化性能的指标进行监测，但主要关注的是在碱性条件下控制污染的机制。此外，系统地研究了NaOH反冲洗对污染层结构特性和膜污染物组成（特别是PN含量和二级结构变化）的影响。这些分析旨在阐明NaOH反冲洗减轻膜污染的机制。研究结果为未来的研究和开发有效的AAMBR系统污染控制策略提供了宝贵的见解。

部分摘录

AAMBR的运行条件

在这项研究中，两个相同的实验室规模AAMBR并行运行，每个的有效体积为4.5升。每个系统包括一个进水单元、一个厌氧生物反应器、一个反冲洗单元和一个气体循环系统（图S1）。每个生物反应器中浸入了一个中空纤维膜模块（PVDF；中国河南中天膜技术有限公司），该膜模块的孔径为0.1 μm，内/外直径分别为1.2/2.0 mm，膜面积为0.1 m²。

两个AAMBR的运行性能

在整个运行过程中，两个AAMBR的pH值都稳定在大约10。AAMBR1通过每天直接添加NaOH来维持pH值，平均每天消耗20.0 ± 0.5克NaOH。相比之下，AAMBR2采用在线NaOH反冲洗来控制pH值，每天消耗17.3 ± 1.0克NaOH。这些结果表明，在线NaOH反冲洗策略不仅确保了pH值的稳定，还略微减少了化学物质的消耗。

结论

本研究探讨了通过NaOH反冲洗同时控制AAMBRs的pH值和减轻膜污染的可行性。使用0.2 M NaOH的在线反冲洗维持了稳定的pH值10，并支持了高效的VFA生产。重要的是，膜污染显著减轻，TMP（膜传递率）的增长率比使用纯水反冲洗时降低了75%。这种改善主要归因于污染层的结构变化和污染物沉积的减少。

作者贡献声明

宋伟龙：撰写——审稿与编辑，监督。吴梦飞：撰写——初稿，调查，数据管理。赵品：撰写——初稿，监督，项目管理。王新华：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [资助编号 52470037]和中央高校基本科研业务费 [资助编号 JUSRP202404006]的支持。