《Water Research》：Coupled UASB–GDM system with electrospun nanofiber membranes for decentralized wastewater treatment
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研究耦合式上流式厌氧污泥层（UASB）与重力驱动膜（GDM）系统，采用电纺纳米纤维膜（ESN）处理市政污水。在37℃下测试不同水力停留时间（24/16/8h）和两种膜（裸聚物B-ESN与纳米黏土复合C-ESN），系统实现COD>99%高效去除，营养物（TN/TP）去除率C-ESN达78%/74%。通量稳定在2.0-3.8L·m?2·h?1，生物膜中检测到局部磷酸盐沉淀。16S rRNA测序显示甲烷菌门主导生物膜，协同降解有机物与稳定膜通量。该低能耗系统适用于分散式污水处理及非饮用回用场景。
穆斯塔法·N·塔赫尔（Mustafa N. Taher）| 萨玛·A·阿尔-穆特瓦利（Sama A. Al-Mutwalli）| 伊萨克·奥武苏-阿吉曼（Isaac Owusu-Agyeman）| 雷杰普·卡安·德雷利（Recep Kaan Dereli）| 泽内普·切泰乔卢（Zeynep Cetecioglu）| 德里亚·Y·科塞奥卢-伊梅尔（Derya Y. Koseoglu-Imer）| 弗兰克·利普尼兹基（Frank Lipnizki）
土耳其伊斯坦布尔技术大学环境工程系
摘要
本研究评估了一种耦合式上流式厌氧污泥床（UASB）反应器和重力驱动膜（GDM）系统的性能以及生物膜介导的通量稳定性，该系统配备了静电纺纳米纤维膜（ESN），用于分散式废水处理。系统在37°C的完全厌氧条件下运行，水力停留时间（HRT）分别为24小时、16小时和8小时，同时保持恒定的有机负荷率为1.5 kg COD·m?3·d?1。测试了两种类型的ESN：一种为纯聚合物膜（B-ESN），另一种为纳米粘土复合膜（C-ESN）。该集成系统在所有阶段都实现了高效的有机物去除，24小时HRT时的COD去除率超过99%；在较短HRT下，C-ESN的COD去除率为97–95%，B-ESN为95–92%。营养物质的去除趋势相似，C-ESN的表现始终优于B-ESN，在24小时HRT时TN去除率可达78%，TP去除率为74%。考虑到进料的可生物降解性和高COD:N比，水中的TN和TP减少最有可能是由于物质分配到污泥/生物膜相关固体中，而吸附和矿物沉积起到了次要作用。通量分析显示，在50 mbar的恒定静水压力下，通量最初迅速下降，随后在2.0–3.8 L·m?2·h?1的范围内自我调节并趋于稳定，无需反冲洗或化学清洗。X射线衍射证实生物膜中积累了鸟粪石和磷酸钙，这表明主要的营养物去除机制是时间依赖性的矿物沉积而非整体沉淀。生物膜表征和16S rRNA测序显示，Methanobacteriaceae和Methanosaetaceae家族菌群在UASB和膜生物膜中占主导地位，促进了有机物的降解并维持了稳定的通量。这种耦合的UASB–GDM系统是一种低能耗、自维持的处理方案，适用于分散式和小规模社区废水处理，具有非饮用水再利用和未来资源回收的潜力。
引言
重力驱动膜（GDM）过滤作为一种创新的水和废水处理方法，依靠重力驱动过滤过程，无需高能耗的压力源。该技术因其简单性、能源效率以及低维护要求而备受关注，特别适合分散式和资源有限的应用场景（Ding等人，2017；Lee等人，2023）。GDM系统在超低跨膜压力（TMP）下运行，通常由水柱对膜表面的重力产生40-100 mbar的压力，从而无需泵、反冲洗或化学清洗（Peter-Varbanets等人，2009）。相反，自然形成的生物膜通过捕获固体和容纳降解有机物的微生物群落来支持过滤和生物降解（Derlon等人，2012；Huang等人，2023）。这种协同作用使得GDM特别适合处理进水质量变化较大且需要稳定性能的分散式废水（Chomiak等人，2015；Pronk等人，2019；Ribarova等人，2024）。GDM能有效去除市政废水、灰水和生活污水中的有机物、营养物质和微生物。将生物预处理与GDM结合使用可进一步提高处理效果，实现高达70%的有机物去除率，并减少污染（Pu等人，2022；Gong等人，2023）。这种协同方法能够保持稳定的通量和水质，增强了其分散式应用的可靠性。有氧GDM（A-GDM）系统因被动充氧和好氧生物膜在同时去除有机物和营养物质方面的有效性而越来越受欢迎（Pronk等人，2019；Ali等人，2023）。然而，厌氧GDM（Ana-GDM）由于需要厌氧条件、微生物活性较低、污染问题以及较低的通量率和有限的营养物质去除能力而研究较少（Lin等人，2013；Tran等人，2024）。Ana-GDM系统结合了厌氧消化和低能耗膜过滤的优势，实现了能源正向的废水处理，减少了污泥产生和处置成本。氮和磷等营养物质被保留在出水中，有利于资源回收。产甲烷生物膜在维持厌氧条件的同时促进了甲烷（CH?）的产生。通过减少能源消耗、污泥产生和维护成本，Ana-GDM系统提供了一种符合循环经济目标的经济高效、低影响的解决方案，特别适合分散式和资源匮乏的环境。
研究继续通过开发先进的膜材料、优化渗透性和选择性、控制污染以及定制系统配置来改进GDM系统。静电纺纳米纤维膜（ESN）作为一种有前景的解决方案，具有高表面积、可调的孔结构和互连的孔隙性。这些特性增强了污染物与膜的相互作用，提高了通量，并允许调整渗透性和选择性的平衡，使ESN非常适合GDM应用。与传统膜相比，ESN的生产更为简单、环保且成本更低。此外，ESN膜采用了多种过滤机制，包括物理筛分（尺寸排除）、多层孔结构的深度过滤以及纤维表面的吸附（Du等人，2024；Han等人，2024）。
本研究旨在设计并评估一种新型的Ana-GDM系统，该系统结合了简化版的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器和利用ESN的GDM系统。虽然其他研究已经广泛探讨了UASB与厌氧膜生物反应器（AnMBR）（Hu等人，2020；Robles等人，2021）或浸没式Ana-GDM系统（Pu等人，2022）的结合，但据作者所知，这是首次将UASB与使用ESN处理市政废水（MWW）的Ana-GDM模块进行耦合。与压力驱动的AnMBR配置不同，所提出的系统仅依赖膜表面的低静水压力（无主动压力），从而降低了能源需求和操作复杂性，并实现了无需物理或化学清洗的生物膜介导的通量稳定。本研究考察了系统的多个性能方面，包括有机物、营养物质和固体的去除情况，以及通量的发展、稳定性和生物膜形成动态。系统在三个不同的操作阶段进行了评估，这些阶段由UASB反应器的水力停留时间（HRT）决定。使用了两种类型的ESN：纯聚合物膜（B-ESN）和复合膜（C-ESN）。此外，研究还利用16S rRNA扩增子测序全面分析了UASB反应器中的污泥群体和GDM上形成的生物膜中的微生物群落动态。本研究的结果表明，所提出系统的简单性和实用性证明了其作为小型社区处理方案的有效性，并具有非饮用水再利用应用的潜力。
市政废水的组成和特性
本研究使用的进料废水模拟了市政废水（MWW），其主要成分和宏观及微观营养物质见表S1及相应的含量。为了确保处理系统始终使用新鲜的进料，合成MWW每天都会重新制备。
实验装置和方案
实验装置包括一个进料池、一个在37±1°C下运行的UASB反应器，以及一个与之耦合的GDM系统，还有一个渗透液收集池。
UASB和GDM系统的性能
系统的性能基于COD和营养物质的去除情况进行了评估，如图2和图3所示。为了在每个操作阶段保持恒定的有机负荷率（OLR）1.5 kg COD·m?3·d?1，进水COD浓度分别调整为1500 ± 23.1 mg·L?1、1000 ± 16.0 mg·L?1和500 ± 20.1 mg·L?1。这种设计确保了系统性能的变化反映了水力停留时间（HRT）的影响，而非有机负荷的差异。
结论
在37°C的厌氧条件下运行的耦合UASB–GDM系统通过ESN实现了高效的有机物去除和生物膜介导的通量稳定，无需反冲洗或化学清洗。在三个操作阶段中，COD去除率均较高（第一阶段超过99%；第二和第三阶段分别为97–95%和95–92%）。营养物质的去除率也较高，其中C-ESN在第一阶段的TN去除率高达78%，TP去除率为74%。最大稳定通量分别为3.75 L·m?2·h?1。
未引用的参考文献
Du等人，2019年；欧盟委员会，无日期；Xiong和Liu，2010年
CRediT作者贡献声明
穆斯塔法·N·塔赫尔（Mustafa N. Taher）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、数据整理、概念化。
萨玛·A·阿尔-穆特瓦利（Sama A. Al-Mutwalli）：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、数据分析。
伊萨克·奥武苏-阿吉曼（Isaac Owusu-Agyeman）：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、方法论设计、数据整理。
雷杰普·卡安·德雷利（Recep Kaan Dereli）：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、方法论设计。
泽内普·切泰乔卢（Zeynep Cetecioglu）：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、方法论设计。
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。
