通过磷石膏-粉煤灰陶粒实现的磷酸盐稳定与去除机制的洞察

《Process Safety and Environmental Protection》：Insights into the Phosphate Stabilization and Removal Mechanism Enabled by Phosphogypsum-Fly Ash Ceramsite

本研究通过0.8V低电场辅助的厌氧陶瓷膜反应器（E-AnCMBR）处理高浓度有机废水，在有机负荷率3.80 kgCOD/(m3·d)时实现COD、NH4+-N和磷的最高去除率分别为98.5%、52.4%和63.0%，甲烷产量达0.51 L/gCOD。电化学作用与微生物协同作用有效抑制EPS积累，形成大絮体结构，降低膜污染风险，同时提升产甲烷效率。

　　本文主要探讨了一种改进型的厌氧陶瓷膜反应器（E-AnCMBR）在处理高浓度有机废水方面的应用潜力。研究通过引入低电压的电场（0.8 V）来优化反应器的运行效果，从而提高污染物去除率、增强能源回收能力，并有效缓解膜污染问题。该研究结果表明，在特定的有机负荷率（OLR）条件下，E-AnCMBR能够实现较高的化学需氧量（COD）、氨氮（NH??-N）和磷的去除效率，同时提高沼气产量，展现出在可持续污水处理中的良好前景。

在处理高浓度有机废水的过程中，污染物种类繁多，包括可生物降解和难降解的有机物、氨氮以及磷等，这给废水处理带来了严峻的挑战。传统的厌氧膜生物反应器（AnMBR）虽然在处理这类废水方面具有较高的生物量保留能力和良好的运行稳定性，但膜污染问题仍然是制约其应用的主要障碍。相比之下，无机基陶瓷膜（如氧化铝、碳化硅）由于其光滑、刚性的结构，以及对恶劣环境（如高温、强酸碱性和氧化性）的强耐受性，表现出更优异的抗污染性能。因此，使用这类膜构建的厌氧陶瓷膜生物反应器（AnCMBR）在处理高浓度有机废水时，具有更低的膜污染倾向和更强的稳定性。

然而，尽管AnCMBR在实际应用中取得了一定成效，仍然存在一些关键问题。例如，能源回收效率有限、氨氮和磷的去除率不高，以及不可避免的膜污染现象。特别是膜污染通常由膜孔堵塞和滤饼层形成引起，导致跨膜压（TMP）迅速上升，从而影响处理效率。为了克服这些问题，近年来研究者开始关注电化学辅助的AnMBR（E-AnMBR）技术，其被证明是一种有效提升污染物去除、促进沼气生成以及缓解膜污染的策略。

E-AnMBR通过引入电场，可以激活厌氧微生物，丰富电活性物种（如Geobacter），从而提高系统中电子转移的速率，增强污染物降解和沼气生成的效率。此外，电化学氢气演化所产生的静电斥力和气体冲刷作用也有助于膜污染的控制。在众多配置中，带有牺牲阳极和阴极膜的E-AnMBR受到了广泛关注。在这些系统中，电凝聚、电氧化以及增强的生物转化过程可以同时发生，但目前对这些过程之间的协同作用，尤其是它们如何共同影响污染物去除、沼气生成和膜污染控制，仍然缺乏深入理解。

为了进一步探索这些机制，本文采用了一种带有铁阳极和导电阴极膜的E-AnCMBR，用于处理不同有机负荷率下的合成高浓度有机废水。研究通过160天的连续运行，评估了E-AnCMBR在污染物去除、沼气生成和膜污染控制方面的表现。同时，通过分析污泥和胞外聚合物物质（EPS）的理化特性，进一步探讨了E-AnCMBR抗膜污染的机制。此外，研究还对不同有机负荷率下E-AnCMBR中的细菌和古菌群落进行了分析，以揭示长期电场对微生物群落的影响，以及其如何促进系统性能提升和膜污染控制。

研究结果显示，在有机负荷率为3.8 kgCOD/(m3·d)的条件下，E-AnCMBR对COD、NH??-N和磷的去除率分别达到了98.5 ± 0.5%、52.4 ± 0.9%和63.0 ± 0.9%，同时沼气产量也达到了0.51 ± 0.02 L/gCOD，是当前研究中所记录的最高值。这些数据表明，E-AnCMBR在提高处理效率和能源回收方面具有显著优势。此外，由于电凝聚和静电斥力的共同作用，污泥混合物表现出较低的膜污染倾向，这有助于维持系统的长期稳定运行。

在研究过程中，还发现铁（Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ))的存在增强了电活性菌（如Desulfobacterota）与产甲烷菌之间的协同作用。这种协同效应不仅有助于提高污染物的去除效率，还对沼气生成和膜污染控制起到了积极作用。通过电化学和物理效应的结合，E-AnCMBR在长期运行中展现出良好的性能稳定性，提高了产甲烷效率，并有效缓解了膜污染问题。

此外，研究还指出，E-AnCMBR在处理高浓度有机废水方面，不仅能够有效去除污染物，还能提高能源回收率，为实现可持续的污水处理提供了一种高效的方法。通过对E-AnCMBR运行机制的深入研究，本文为电化学辅助技术在废水处理中的应用提供了新的思路和基本参考。研究结果表明，E-AnCMBR在提高处理效率、能源回收和膜污染控制方面具有广阔的应用前景，特别是在处理高浓度有机废水的场景中。

综上所述，本文通过实验研究和数据分析，揭示了E-AnCMBR在处理高浓度有机废水中的关键作用机制。研究结果不仅为相关技术的发展提供了理论支持，也为实际工程应用提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索不同电场强度和操作条件对E-AnCMBR性能的影响，以优化其在实际废水处理中的应用效果。同时，研究者还可以关注电化学辅助技术在其他类型废水处理中的适用性，以拓展其应用范围。通过这些努力，E-AnCMBR有望成为一种高效、可持续的污水处理技术，为环境保护和资源回收做出更大贡献。