SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器处理阿特拉津废水研究

发布：2021-03-01　点击：1072

  膜曝气-生物膜反应器（MABR）是一种新型的膜-生物废水处理工艺，在MABR中采用基因工程菌生物膜可以强化难降解污染物的生物去除. 本研究在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜，运行SPG膜曝气-生物膜反应器（SPG-MABR）处理阿特拉津废水，考察了气压、 挂膜生物量和液体流速对SPG-MABR运行性能的影响，以及基因工程菌生物膜的变化. 结果表明，提高气压可以增大透氧系数，从而提高阿特拉津和COD的去除速率以及复氧速率. 提高挂膜生物量能够加快阿特拉津和COD的生物去除，但生物膜厚度增加使得氧传质阻力增大，复氧速率降低. 层流状态下减小SPG-MABR中的液体流速，有利于污染物向生物膜扩散传质，从而提高污染物去除速率. 气压为300 kPa、 生物量为25 g·m^-2、 液体流速为0.05 m·s^-1时，SPG-MABR反应器对阿特拉津5 d的去除率可以达到98.6%. 在SPG-MABR运行过程中，基因工程菌生物膜呈现微生物多态化趋势. 生物膜表面逐渐被其他微生物细胞覆盖，基因工程菌分布减少，生物膜内部仍以基因工程菌细胞为主. 

膜曝气-生物膜反应器(membrane aerated biofilm reactor，MABR)将膜技术与生物膜技术相结合，逐渐成为水处理工艺研究的热点之一. MABR反应器中膜外表面附着生长生物膜，膜内腔为压缩氧气或空气，气相中的氧通过膜孔扩散进入生物膜，在生物膜内完成污染物的去除. MABR反应器采用无泡曝气，氧直接以分子状态扩散进入生物膜，传质液膜阻力可以忽略，传质效率高，因而MABR反应器可以获得接近100%的极高氧利用效率. 同时，MABR反应器中生物膜异向传质，底物和氧的浓度梯度方向相反，有助于实现处理功能活性层化，从而具有去除有机污染物和同步硝化反硝化脱氮功能。

目前，MABR中用于曝气的膜材料主要有3类：微孔膜、 致密膜和复合膜，此外还有采用可透气性织物或陶瓷膜进行无泡曝气的报道. SPG(shirasu porous glass)膜是一种具有均匀微小孔径的无机玻璃微孔膜，在产生微气泡过程中得到应用，也可以作为一种可能的膜材料应用于MABR反应器，但目前未有相关的研究报道.

基因工程菌应用于生物强化可以有效去除难降解污染物，加速处理启动过程，提高系统抗冲击能力，增强微生物群落结构及功能的稳定性. 生物膜中细胞接触频率高，降解基因在生物膜中的迁移频率远远高于液相环境. 运行膜曝气-基因工程菌生物膜反应器有利于降解基因在生物膜内的水平迁移，从而改善生物强化效果及其稳定性.

阿特拉津是世界上用量最大的除草剂，环境残留严重，生态风险较高，且废水排放不当会污染水源并危害农业生产. 传统生物处理过程对阿特拉津的处理效果较差，而采用基因工程菌生物强化可以有效提高阿特拉津生物去除效率. 本研究在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜，运行SPG膜曝气-生物膜(基因工程菌)反应器(SPG-MABR)处理阿特拉津废水，考察了不同运行条件下SPG-MABR中基因工程菌生物膜对阿特拉津的生物强化去除效果，并探讨了SPG-MABR的氧传质能力以及生物膜传质阻力和生物活性对氧传质能力的影响，以期为难降解废水提供一种新的生物强化处理技术. 

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