湍流上流水动力优化技术使得高效率厌氧膜生物反应器能够有效处理难降解的PTA（对苯二甲酸）废水

《Journal of Water Process Engineering》：Turbulent up-flow hydrodynamic optimization enables high-rate anaerobic membrane bioreactor for refractory PTA wastewater treatment

针对PTA废水处理中芳香污染物毒性和膜污染问题，开发新型湍流上流 compartmentalized AnMBR，通过强剪切力抑制膜污染并提高处理效率，实现>98.2% COD去除率、>99.9%芳香物降解及0.346 L·g-COD?1甲烷产量，4小时超短水力停留时间，长期运行稳定。

　　

经宇静|孙一博|胡凌天|邓瑞|刘兆斌|吴新涛|高一静|史丹妮|王建东|甄广音|梅静静|卢学勤

华东师范大学生态与环境科学学院，上海，200241，中国

摘要

利用厌氧膜生物反应器（AnMBRs）处理提纯的对苯二甲酸（PTA）废水时，会面临芳香污染物毒性和膜污染的问题。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的湍流上流分隔式AnMBR（TUC-AnMBR），通过创建可控的湍流上流状态产生强大的水动力剪切力，以减轻膜污染并提高处理效率。在长期运行过程中，该反应器在极短的水力停留时间（4小时）下，甲烷产量达到了0.346 L·g-COD^?1，总COD去除率超过98.2%，芳香化合物降解率超过99.9%。施加的剪切应力促进了富含蛋白质的EPS（胞外聚合物物质）的分泌，并促进了污泥颗粒的再团聚，从而加速了强健颗粒污泥的形成。这种污泥环境有利于关键共生菌群的生长，包括（12.75%）和（14.03%），增强了种间电子传递，有效控制了膜污染（跨膜压力< 0.024 kPa·d^?1）。TUC-AnMBR表现出优异的处理稳定性，凸显了剪切诱导的水动力优化在高效废水处理中的潜力。这项工作推动了低碳厌氧技术应用于难处理工业废水处理领域的发展。

引言

提纯的对苯二甲酸（PTA）是生产聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的基本原料，全球年产量超过7600万吨，这得益于纺织和包装行业的需求增长[1]。每生产一吨PTA会产生3–10立方米的高浓度PTA废水（COD 8–15 g·L^?1），其中含有难以降解的芳香污染物，如对苯二甲酸（TA）、对甲苯酸（p-TA）和4-羧基苯甲醛（4-CBA）[2]。这些化合物具有显著的生态毒性和致癌潜力，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁，其在处理后的废水中持续存在，凸显了先进处理技术的迫切需求[3]。传统的厌氧技术（如上流式厌氧污泥床UASB）常常存在启动缓慢、生物质流失以及对有毒物质敏感等问题，阻碍了这些难降解芳香污染物的有效甲烷回收和矿化[4]。

厌氧膜生物反应器（AnMBRs）通过分离水力停留时间（HRT）和固体停留时间（SRT），成为处理高浓度工业废水的一种有前景的解决方案，从而防止了生物质损失并提高了处理稳定性[5]。AnMBRs结合了厌氧消化和膜过滤技术，可实现高有机负荷率（OLR为5–20 kg COD·m^?3·d^?1）和优异的出水质量（COD去除率>90%[6] [7]。然而，实际应用中仍受到膜污染的挑战，这导致能耗增加、污泥颗粒化速度缓慢，并限制了产甲烷活性[8]。以往关于AnMBRs处理PTA废水的研究报道了66–91%的COD去除效率，但存在膜污染导致的停机时间和过程不稳定等问题[9]。例如，胡等人（2024年）开发的上流式流化床AnMBR尽管COD去除率超过95%，但仍存在持续的膜污染问题[10]，这表明需要进一步的水动力优化。

最近的研究集中在创造有利于微生物生态系统的流体力学条件上，例如提供多孔介质（如K1或AnoxKaldnes载体）以促进微生物聚集[11]，以及引入湍流诱导的剪切力来破坏污染层[12]。尽管这些方法具有潜力，但许多方法依赖于外部添加物。使用特定载体（如塑料介质）[13]或添加剂（如活性炭粉末或金属混凝剂）[14]会增加材料成本，由于需要额外的泵送或混合操作，还会增加运营能耗，并使废物处理和系统控制变得复杂。相反，人们越来越关注利用固有的流体力学原理（如剪切应力和流动状态），在不添加外部添加物的情况下同时促进颗粒化、代谢活性和抗污染性能[15]。这种范式转变符合向碳中和废水处理方向发展的趋势，其中能源效率和可持续性至关重要[16]。

然而，在处理难降解的PTA废水时，传统AnMBRs仍面临限制其效率和可扩展性的瓶颈[2]。这些问题包括在高有机负荷下生物质保留不足和颗粒化缓慢[4]，芳香污染物毒性和细小固体加速了膜污染，以及限制产甲烷活性的次优共生活性[3]。为了解决这些相互关联的挑战，我们通过精确控制流体力学条件，开发了一种新型的湍流上流分隔式AnMBR（TUC-AnMBR）。该系统利用湍流上流产生高剪切应力，我们假设这将同时促进污泥颗粒化、抑制膜污染，并富集有利于产甲烷的共生菌群。TUC-AnMBR被用于处理合成PTA废水，重点关注有机物的去除效率、甲烷产量、污染行为和微生物群落动态。通过将水动力优化与生物过程强化相结合，本研究旨在提供一种可扩展、高效的难处理废水处理策略，推动厌氧技术向工业应用和碳中和目标迈进。

部分内容摘要

合成废水的制备

合成PTA废水含有1000 mg·L^?1的乙酸钠（NaAC）、500 mg·L^?1的苯甲酸（BA）、500 mg·L^?1的对甲苯酸（PT）和500 mg·L^?1的对苯二甲酸（TA）[17]。其他营养成分包括（mg·L^?1）：NaHCO₃ 1000；NH₄Cl 200；MgSO₄·7H₂O 42.5；K₂HPO₄ 24.8；KH₂PO₄ 9.9；CaCl₂·2H₂O 13；以及微量元素（mg·L^?1）：NiCl·7H₂O 5.3；FeCl₃·6H₂O 4.1；MnCl₂·4H₂O 1.1；ZnCl₂ 0.6；CoCl₂·2H₂O 0.6；(NH₄)₂MoO₄·4H₂O 0.4；CuCl₂·2H₂O 0.3；NaBO₂·10H₂O 0.2

TUC-AnMBR的配置和运行条件

TUC-AnMBR

芳香污染物的去除和长期过程稳定性

三种主要芳香污染物——对苯二甲酸（TA）、对甲苯酸（PT）和苯甲酸（BA）的去除效率随着水力停留时间（HRT）的逐渐缩短而显著变化（图1a-c）。在启动阶段（24小时HRT），TA的去除效率迅速从87.4%提高到98.9%，并在25天内保持在98%以上（图1a），表明功能适应性强的微生物群落迅速建立[27]。随着HRT从24小时减少到

结论

本研究证明了湍流上流分隔式AnMBR在处理难降解PTA废水方面的卓越效果，在极短的水力停留时间（4小时）下，实现了超过98.2%的COD去除率、超过99.9%的芳香化合物去除率以及0.346 L·g^?1的甲烷产量。湍流上流状态可以产生强大的水动力剪切力（0.8–1.2 Pa），有效抑制污染，将跨膜压力上升速率降至0.024 kPa·d^?1，同时促进了

CRediT作者贡献声明

经宇静：撰写——原始草稿、方法论、数据整理、概念构思。孙一博：软件开发、方法论、实验研究。胡凌天：实验研究、概念构思。邓瑞：资源协调、数据整理。刘兆斌：方法论、实验研究。吴新涛：监督、数据分析。高一静：验证、方法论。史丹妮：资源协调、实验研究。王建东：实验研究、概念构思。甄广音：撰写——审稿与编辑、监督

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了上海市自然科学基金（编号25ZR1402123、25ZR1401109）和重庆市自然科学基金（编号CSTB2023NSCQ-MSX0546）的资助。