基于在线紫外和荧光光谱预警的前馈污染控制技术，用于膜生物反应器的低能耗运行

MBR防垢控制中在线光谱监测与参数前馈调控的协同优化研究，通过构建基于UV-Vis和荧光光谱联用系统实现溶解有机物实时表征，建立光谱特征与膜污染趋势的关联模型，验证了过滤-松弛模式与曝气率协同调控对降低总需氧量24.2%及抑制膜污染的双重效果。

　　

赖一哲|徐逸蓉|刘新卓|肖康|曲芳书|梁帅|薛文超|黄霞

中国科学院大学资源与环境学院北京燕山地球关键带国家研究站，中国北京101408

摘要

膜生物反应器（MBR）在城市水资源回收中起着关键作用，但膜污染仍然是一个普遍存在的问题。将污染控制从基于结果的被动清洗转变为基于特性的主动预防，对于MBR的可持续运行至关重要。这需要实时监测污染物，尤其是溶解性有机污染物。本研究介绍了一种在线紫外-可见光和荧光光谱系统，该系统利用流动比色皿、光纤和微型光谱仪来捕获溶解性有机物质的实时特性。通过建立光谱特征与污染趋势之间的关联，实现了实验室规模的前馈控制策略。结果表明，对过滤-松弛模式（FRM）和曝气速率（AR）的前馈调整均能有效减轻污染。FRM调整在总体上有效减轻了污染，而AR调整则在较低的能耗下同时减轻了总体污染和循环不可逆污染。具体而言，前馈AR使总曝气量减少了24.2%。本研究证实了基于光谱特征的早期预警在主动污染控制中的可行性，促进了MBR的精细运行和有针对性的污染缓解。它还展示了一种智能、节能的MBR系统运行策略。

引言

尽管膜生物反应器（MBR）技术在废水处理和水资源再利用中应用广泛，具有高效的处理性能、小的占地面积和低污泥产量（Li等人，2019；Qu等人，2022；Zhang等人，2021），但其主要限制是膜污染问题。膜污染的复杂性源于多种因素的相互作用，包括膜特性、污染物性质（如浓度、粘度、絮体大小以及胶体或可溶性物质的性质）以及操作条件（如曝气强度、过滤-松弛模式和化学投加量）（Meng等人，2017；Wang等人，2026；Xiao等人，2023；Xu等人，2022；Yilmaz等人，2023）。已经研究了多种先进的污染控制策略，包括膜优化、生物调控和反应器优化（Liu等人，2021；Lu等人，2025；Millanar-Marfa等人，2022；Xie等人，2023；Zang等人，2025a；b）。目前全尺度MBR系统主要依赖经验性的、事后参数（如跨膜压力（TMP）、通量和过滤阻力）来启动物理或化学清洗（González等人，2018；Ma等人，2025；Sandoval-García等人，2025）。这种被动和反应性的反馈策略只能在膜污染已经发生或表观渗透性显著下降后才能触发，从而导致污染控制的延迟，尤其是对于物理清洗而言。

离线分析技术，如激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱、凝胶渗透色谱和红外光谱，已被用于分析关键膜污染物，为污染机制提供了宝贵的见解（Dai等人，2020；Lai等人，2026；Yu等人，2023）。然而，这些方法由于操作繁琐，不适合用于在线实时预警。另一方面，现有的在线监测技术（如激光散射粒子传感器、表面增强拉曼散射和电传感区）主要针对悬浮混合物的物理性质，如粒径和浓度（Shi等人，2025；Wang等人，2024；Wu等人，2009）。标准在线分析仪（如化学需氧量（COD）分析仪）对溶解性有机物质（DOM）的分子性质不够敏感，而这些性质反映了微生物代谢活动和溶液化学性质。因此，开发一种能够实时、在线、灵敏地追踪污染物动态变化的监测技术，对于实现MBR中膜污染的前馈预警和精确控制至关重要。

紫外-可见光（UV-Vis）和荧光光谱能够快速、无损地检测DOM（Li等人，2021；Lin等人，2022）。它们对典型有机污染物（如蛋白质、腐殖酸和富里酸）具有高灵敏度和特异性（Chen等人，2018；Song等人，2018；Xu等人，2022），使得“光谱特征”成为污染物性质和污染行为的敏感指标（Felz等人，2020；Yu等人，2022；Yu等人，2021）。先前的研究已经成功地将离线荧光光谱与污染潜力相关联（Yu等人，2021），实现了废水处理厂的在线智能运行（Rajalashmi等人，2021；Wang等人，2023），或在模型层面验证了膜污染前馈控制的可行性（Zhu等人，2025）。然而，将光谱分析集成到MBR过程中以实现连续在线监测膜有机污染物仍是一个未解决的挑战。探索是否可以通过实时光谱特征指导的主动操作参数（如过滤-松弛周期和曝气强度）控制策略来有效减轻膜污染，从而推动MBR管理从被动“污染后清洗”向基于特性的主动“污染前预防”转变，也是值得的。

本研究建立了一种基于流动比色皿、光纤和微型光谱仪的在线UV-Vis和荧光光谱监测系统，用于收集混合物上清液和膜过滤过程中的光谱信号。研究目标是：（1）将光谱分析从离线转移到在线，验证不同操作条件下的光谱信号与污染行为之间的关联，以选择适合在线监测的光谱特征；（2）利用在线光谱特征作为早期预警信号，设计和实施前馈控制策略，验证在较低能耗下实现膜污染控制的可行性。本研究提出并验证了一种主动预防膜污染的控制策略，指导MBR的精细运行。

MBR设置和操作

本研究使用了两个相同的实验室规模淹没式厌氧/好氧膜生物反应器（A/O-MBR）进行合成市政废水处理（图1a）。每个反应器的总体积为15.3升，包括9.0升的好氧区和6.3升的厌氧区。合成废水（表S1）含有葡萄糖和淀粉作为主要碳源（COD浓度为200–600毫克/升），NH₄Cl和尿素作为氮源（总氮含量约为54.0毫克/升），以及K₂HPO₄作为磷源（总磷含量约为5.3毫克/升）

MBR性能和污染趋势概述

出水水质保持稳定（图S1），COD始终低于40毫克/升，TP低于1毫克/升（FRM前馈控制阶段除外）。TMP直接指示膜过滤状态，而基于TMP时间序列的精细指标揭示了运行过程中的污染发展趋势。TMP_total和TMP_{cycle-irreversible}的明显模式在三种FRM控制条件下没有显著差异，但在三种条件下表现出不同的变化

结论

本研究建立了一个带有在线光谱监测系统的实验室规模MBR，用于对基于在线光谱特征的膜污染早期预警策略进行短期连续验证。光谱特征与关键污染指标（包括污染潜力和污染速率，尤其是TMP的微妙变化）之间存在显著相关性。结果表明，在线光谱特征（UVA254、UVA280和AFI）具有潜力

数据可用性

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附录A. 补充信息

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CRediT作者贡献声明

赖一哲：撰写——初稿、可视化、数据管理。徐逸蓉：撰写——初稿、可视化、数据管理。刘新卓：撰写——审稿与编辑、可视化。肖康：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。曲芳书：撰写——审稿与编辑。梁帅：撰写——审稿与编辑。薛文超：撰写——审稿与编辑。黄霞：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52370059）和北京自然科学基金（项目编号JQ22027）的支持。