污水处理厂出水中溶解性有机物的来源解析及其在生物活性颗粒活性炭过滤器中的去除机制研究

本研究针对污水处理厂(WWTP)出水中溶解性有机物(DOM)的来源与去除难题，通过分析传统活性污泥系统(CAS)与膜生物反应器(MBR)预处理对颗粒活性炭过滤器(GAC)性能的影响，揭示了上游工艺参数(如SRT、F:M比)对可溶性微生物产物(SMP)组成的关键调控作用，并首次证实腐殖质(HS)占GAC滤池生物可利用DOM的22%。该成果为优化四级处理工艺链中生物-吸附协同机制提供了重要理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂(WWTP)出水中残留的有机微污染物(OMP)对水环境构成严峻挑战。传统活性污泥系统(CAS)虽能有效去除大部分污染物，但出水中仍含有复杂溶解性有机物(DOM)，这些物质既可能干扰后续深度处理工艺，又为受体水体带来生态风险。特别值得关注的是，作为四级处理核心单元的颗粒活性炭过滤器(GAC)，其性能深受上游生物处理阶段产生的可溶性微生物产物(SMP)影响——这些由微生物代谢产生的有机物会与目标污染物竞争吸附位点，同时可能促进滤料表面生物膜的形成，引发"有益生物降解"与"有害生物堵塞"的矛盾效应。

为破解这一难题，Larissa Gra?团队在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，首次系统解析了污水处理厂DOM的组分特征及其在生物活性炭(BAC)过滤器中的归趋行为。研究创新性地将CAS与超滤(UF)膜组合作为预处理工艺，通过长达4年、46,000个床体积(BV)的中试实验，结合实验室规模SMP定向培养与LC-OCD-OND(液相色谱-有机碳检测-有机氮检测)分子分级技术，揭示了DOM组分在吸附-生物降解耦合过程中的竞争机制。

关键技术方法包括：1) 构建CAS-UF-GAC三级中试系统，持续监测DOC去除效率；2) 采用批次反应器定向培养利用相关产物(UAP)和生物量相关产物(BAP)；3) 通过Zahn-Wellens测试评估DOM生物降解性；4) 运用Freundlich等温线模型量化吸附性能；5) 采用LC-OCD-OND进行DOM分子量分级。

3.1 长期DOC去除性能

数据分析显示，GAC过滤器在初始运行阶段(0-11,000 BV)的DOC去除率与水温显著相关(R²=0.64)，但随着生物膜成熟，温度影响减弱(R²<0.16)。在EBCT=40分钟条件下，BAC过滤器对CAS-UF出水的DOC去除率稳定在25-30%，表明系统具有持续降解特定DOM组分的能力。

3.2 DOM来源与去除特性

实验室培养的SMP组分分析表明，UAP的生物可利用性(35%)显著高于BAP(13%)。令人意外的是，实际GAC进水样品显示更高生物降解性(38%)，LC-OCD-OND检测发现其中34%为腐殖质(HS)——这类源自饮用水源的顽固性有机物在CAS中未被降解，却成为BAC滤池微生物的重要碳源。

3.3 化学组成特征

分子量分布显示，UAP含84%低分子量(LMW)化合物，而BAP中高分子量(HMW)组分占比达26%。超滤膜对生物聚合物(BP)的截留率高达74%，有效减少了这类会阻碍吸附的物质的穿透。

3.5 吸附去除贡献

在1000 mgPAC/L剂量下，HS占吸附总量31-43%。值得注意的是，当BP浓度降低时，HS吸附效率提升，证实HMW物质存在"孔隙阻塞效应"。

3.6 工艺组合影响

UF预处理虽降低总DOC负荷12%，但选择性截留BAP相关HMW组分，使更多LMW物质得以进入GAC孔隙。BAC滤池最终DOC去除中，疏水性有机碳(HOC)和HS分别贡献30%和27%。

这项研究颠覆了"SMP主导出水DOM"的传统认知，证实饮用水源输入的HS占BAC生物可利用基质的22%。实践层面，研究建议：1) UF预处理可缓冲CAS工艺波动对GAC的影响；2) 降低EBCT(<40分钟)可能提升BAC运行效率；3) HS与LMW组分的协同去除需作为工艺设计考量因素。这些发现为构建"CAS-MBR-GAC"协同处理系统提供了关键理论依据，对实现《欧盟水框架指令》要求的OMP去除目标具有重要指导价值。