使用厌氧固定生物膜反应器系统分析聚合物替代品作为生活污水处理载体介质的可行性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Analysis of polymer alternatives as carrier media in domestic wastewater treatment using an anoxic fixed biofilm reactor system

本研究通过对比聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PM）等聚合物作为缺氧固定生物膜反应器（FBR）的载体介质，发现PVC因高亲水性（接触角71.78°）表现出最佳生物膜形成性能（TAS 2.30 mg/cm2，厚度473.98 μm），显著提升COD去除效率至90.26%，并有效降解氨氮、亚硝酸盐等污染物，为低成本 decentralised 污水处理提供依据。

　　

Mhd. Fauzi | Prayatni Soewondo | Marisa Handajani | Teddy Tedjakusuma | Ansiha Nur | Muammar Qadafi

印度尼西亚卡拉旺市Singaperbangsa大学环境工程专业，邮编41361

摘要

聚合物因其能有效促进微生物生长，常被用作废水处理中的载体介质。本研究旨在分析多种聚合物作为家用废水处理载体介质的适用性，采用的是厌氧固定生物膜反应器（FBR）系统。研究的聚合物包括聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PM）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。此外，还使用了一种具有250 m2/m3比表面积的蜂窝结构PVC载体介质。在五种聚合物中，PVC表现出最低的水接触角（WCA）（71.78°），这表明其具有较高的亲水性，有利于微生物附着。因此，在PVC表面形成的总附着固体（TAS）达到2.30 mg/cm2，生物膜厚度为473.98 μm，这一结果通过扫描电子显微镜（SEM）得到验证。在厌氧FBR系统中使用蜂窝结构PVC作为载体介质时，化学需氧量（COD）的去除效率达到90.26%，相应的去除速率为0.2583/h。此外，该系统对NH??的去除效率为60.07%，NO??为88.77%，NO??为96.00%，TKN为63.31%，TP为78.34%。利用Oxford Nanopore Technologies进行微生物鉴定后发现，这些微生物能够降解有机物和营养物质，从而解释了高污染去除效率的现象。总体而言，PVC由于其显著的亲水性、较强的生物膜形成能力以及有效的有机物和营养物质去除效果，在家用废水处理系统中展现出巨大潜力。

引言

对于财政资源有限的发展中国家而言，建造昂贵的集中式废水处理系统往往不切实际[1]。因此，分散式或本地化的废水处理系统成为管理家用废水和减轻环境污染的更合适选择。其中，基于生物膜的处理方法应用广泛，特别是固定生物膜反应器（FBR）系统，该系统可在厌氧或好氧条件下运行[2]。FBR包含有机和无机载体介质，如砾石、生物球、Kaldnes颗粒、木材、竹子、沸石等材料，这些介质为微生物提供附着表面[3][4]。载体介质在FBR系统中起着关键作用，它们为微生物定殖和生物膜形成提供了基础，从而促进了有机物降解和营养物质去除等过程[5]。 基于生物膜的技术，包括FBR和移动床生物膜反应器（MBBR），被推荐用于分散式家用废水处理系统[6][7]。基于生物膜的处理系统具有操作简便等优点，能够处理低浓度和高浓度的废水[8]。系统内形成的生物膜在不同的有机负荷和水力负荷条件下以及废水特性波动时具有更强的抗冲刷能力[5][9]。因此，与悬浮生长系统相比，产生的污泥较少[10]。在选择废水处理系统的载体介质时，应充分考虑所使用的聚合物类型，因为不同聚合物具有不同的物理化学性质，这些性质会影响生物膜的形成和处理效果[5]。 聚合物在废水处理系统中被广泛用作载体介质[11]，同时也在水处理领域有应用[12]。常用的聚合物包括PVC、PM、PE、PP和PET[13]。这些材料通常具有亲水性物理化学性质，能够吸附大量微生物[14]。聚合物的亲水性（WCA < 90°）意味着较高的表面能，有助于细菌的牢固附着。因此，与疏水性介质相比，亲水性聚合物能促进更快的生物膜形成[15]。聚合物表面与微生物之间的强烈相互作用有助于初始附着，随后形成微菌落并发展为大型菌落[16]。这些成熟的生物膜可以降解家用废水中的有机物和营养物质，之后微生物会脱落，重新附着在新表面并继续生物膜形成循环[17]。 尽管基于生物膜的废水处理系统应用广泛，但关于不同聚合物作为生物膜载体介质的比较研究仍较为有限，尤其是在厌氧FBR条件下[18][19]。大多数现有研究集中在好氧系统上[20]，因此尚不清楚聚合物性质如何影响厌氧条件下的生物膜生长和污染物去除。因此，本研究旨在系统评估几种聚合物材料（PVC、PM、PE、PP和PET）在厌氧FBR系统中作为生物膜载体的潜力。本研究的新颖之处在于提供了在厌氧条件下基于聚合物的载体介质的比较评估，突出了聚合物的润湿性和生物膜生长行为，并为选择经济高效的分散式家用废水处理载体介质提供了见解。

材料与方法

本研究分为两个阶段。第一阶段探讨了在体积约为1.2 L的厌氧FBR系统中使用不同聚合物作为载体介质的情况。第二阶段重点评估了在体积约为42 L的厌氧FBR系统中PVC作为载体介质的性能。

聚合物的水接触角（WCA）

^{各种聚合物的WCA值见表1}。结果表明，所有五种聚合物均具有亲水性，WCA值均低于90°。其中，PVC的亲水性最强，其次是PET、PP、PM和PE。较低的WCA值对应更高的亲水性。表面能较低的聚合物（如PE、PP和PVDF）通常更疏水 [24]。因此，可以推断亲水性聚合物具有更高的...

结论

PVC在生物膜形成方面的性能优于其他测试聚合物。这种优异性能归因于其较高的亲水性，这一点通过润湿性测试结果得到证实，PVC的WCA最低（71.78 ± 0.94°）。较低的WCA值表明更高的亲水性，从而提高了聚合物支持生物膜附着和生长的能力。因此，PVC的总附着固体（TAS）最高（2.30 mg/cm2），并且形成的生物膜最厚。

作者贡献声明

Marisa Handajani：撰写、审稿与编辑、验证、监督、软件使用、方法论设计、概念构思。 Teddy Tedjakusuma：撰写、审稿与编辑、验证、监督、软件使用、方法论设计、概念构思。 Mhd. Fauzi：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论设计、数据分析、数据整理、概念构思。 Prayatni Soewondo：撰写、审稿...

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间，作者使用了ChatGPT来完善手稿内容。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢 本研究得到了PPMI-ITB 2024项目的资助，帮助完成了这项研究。