《Journal of Environmental Management》：Performance of two-step moving bed biofilm reactor (MBBR) process for the treatment of P-nitrophenol
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摘要对硝基苯酚是一种在工业中有多种用途的重要污染物，它会干扰氧化磷酸化过程，从而抑制生物量生长。因此，妥善处理对硝基苯酚并使其不再对环境造成危害至关重要。虽然已有研究探讨了利用悬浮生物量或某些生物膜反应器来处理该物质，但采用串联式移动床生物膜反应器进行处理的研究却极为少见。本研究
摘要
对硝基苯酚是一种在工业中有多种用途的重要污染物，它会干扰氧化磷酸化过程，从而抑制生物量生长。因此，妥善处理对硝基苯酚并使其不再对环境造成危害至关重要。虽然已有研究探讨了利用悬浮生物量或某些生物膜反应器来处理该物质，但采用串联式移动床生物膜反应器进行处理的研究却极为少见。本研究采用了两种串联的移动床生物膜反应器，针对浓度高达100毫克/升的对硝基苯酚进行了处理，并深入研究了其对COD去除率、硝化作用以及生物膜密度的影晌。实验结果表明，当对硝基苯酚的负荷为50毫克/(升·天)时，其去除率可达到100%；第一个反应器主要负责去除有机物，而第二个反应器则起到进一步净化的作用。随着对硝基苯酚负荷从50毫克/(升·天)升高到100毫克/(升·天)，其去除率随之下降，同时硝化作用也会减弱，特别是在第一个反应器中会出现铵盐积累现象，系统出水中的COD浓度也会上升。研究表明，对硝基苯酚可通过生物方法有效去除，吸附作用的作用微乎其微。移动床生物膜反应器能够在不产生任何副产品的情况下，处理浓度高达50毫克/升的对硝基苯酚（负荷为50毫克/(升·天)）。
引言
工业化进程中，各种有毒化合物在环境中不断积累，这些化合物会破坏生态平衡并危害人类及其他生物的生存（Sahinkaya和Dilek，2005）。在对硝基苯酚这类有毒化合物中，它因其广泛应用于农业以及聚合物、颜料、药品、石化产品、炸药和皮革制造等行业，而被视为重要污染物之一（Carrera等人，2011；Kimura等人，2014）。此外，对硝基苯酚还会在木材防腐剂、杀虫剂和涂料的生产过程中作为副产品出现，进而通过废水进入环境（Tempestti等人，2023；Wang等人，2024）。由于其在各领域的广泛使用，对硝基苯酚经常在农业和工业废水中被检测到。该物质对人类具有高度毒性，因此必须将其有效地从环境中去除。
鉴于其经济性和环保性，生物处理法被认为是处理对硝基苯酚的首选方式。微生物能够完全分解许多有毒有机污染物，如对硝基苯酚，且不会产生有害的中间产物（Tchieno和Tonle，2018）。尽管已有许多物理化学方法被提出用于处理含对硝基苯酚的废水，但生物处理法似乎仍是最为有效且环保的方案（Alam和Saha，2022；Badamasi等人，2025），因为有大量研究证明对硝基苯酚可以通过生物方法有效去除（Bhushan等人，2000；Chauhan等人，2010；Kimura等人，2014；Vikram等人，2012、2013；Wei等人，2010；Xu等人，2021；Yamamoto等人，2011；S. Zhang等人，2012）。虽然生物处理法已被广泛认为是一种有效的处理手段，但对硝基苯酚对敏感的硝化过程的影响同样不容忽视。在生物处理过程中，对硝基苯酚的生物降解与硝化作用之间的关系极为重要，因为有毒污染物会损害硝化细菌，导致硝化过程变慢甚至完全停止。这种现象主要是由于酚类和硝基芳香族化合物会破坏自养硝化菌的细胞膜，扰乱其代谢途径，进而抑制氨氧化细菌的活性和数量（Chi等人，2015；Fan等人，2021；Ferrer-Polonio等人，2022）。此外，这些有毒化合物或其代谢中间产物还可能直接抑制关键的硝化酶，尤其是在氨氧化过程中起重要作用的氨单加氧酶（AMO）（Chawley和Jagadevan，2023）。另外，对硝基苯酚的硝基分解过程中产生的铵盐和亚硝酸盐等含氮中间产物，也可能打破氮平衡，给敏感的自养硝化菌带来额外压力（Chi等人，2015）。不过，经过驯化的微生物若能高效降解对硝基苯酚，就能降低其毒性，有助于维持硝化过程的正常进行（Zhang等人，2021）。
与悬浮生长系统相比，生物膜工艺通常表现出更优异的性能，这主要是因为生物膜工艺具有更高的生物量保留率，且更能抵御由对硝基苯酚等物质引发的毒性冲击（Zheng等人，2025）。正因如此，那些能够同时氧化对硝基苯酚和氨的生物膜基处理工艺目前备受关注，在废水处理技术中逐渐成为更受欢迎的选择（Borghei和Hosseini，2004；Li等人，2011；Nakhli等人，2014）。这种趋势形成的主要原因包括处理性能和能力的提升、生物量浓度的增加、固体停留时间的延长，以及生物膜工艺中所产生的胞外聚合物保护层。在相关研究中，为去除对硝基苯酚，人们采用了多种不同的生物膜基生物反应器结构，包括供氧型移动床生物膜反应器（Mei等人，2019）、移动床生物膜反应器（MBBRs）（Tong等人，2022b）、固定床反硝化柱生物反应器（Yenilmez等人，2023）、好氧流化床反应器（Ji等人，2017）、膜曝气生物膜反应器（Tong等人，2022a）、厌氧流化床生物反应器（Zheng等人，2025）以及厌氧-好氧流化床生物反应器（Zheng等人，2025）。这些研究都证明了生物膜工艺在处理对硝基苯酚方面的高效性与优势。
在各类生物膜基系统中，移动床生物膜反应器因其具备较强的抗高冲击负荷能力、拥有较大表面积的载体结构，以及能够适应不同运行条件而脱颖而出（?degaard，2006）。在移动床生物膜反应器系统中，生物膜附着在在反应器内自由移动的载体上，为微生物的生长提供了广阔的空间，同时也具备了抵抗冲击负荷的能力（Chen等人，2008；Tolêdo等人，2024）。此外，移动床生物膜反应器既可用于好氧环境，也可用于厌氧或缺氧环境（di Biase等人，2019），而且作为一种投资和运营成本较低的工艺，它仍能实现较高的污染物去除效率，因此具有很高的经济价值（Al Hosani等人，2022；Latif，2022；Yang等人，2020）。
尽管已有不少研究探讨了利用不同生物膜工艺处理对硝基苯酚的方法，但关于在移动床生物膜反应器系统中处理对硝基苯酚的研究却相对较少。有一项研究对比了两种不同的载体材料——Kaldness K1和Bee Cell 2000——在252至1610毫克/升的对硝基苯酚浓度范围内去除该物质的效果（Ghaderi和Attarzadeh，2025）。实验结果显示，在入口对硝基苯酚浓度为252毫克/升、反应时间為24小时的情况下，Bee Cell 2000载体和Kaldness K1载体的去除率分别达到了83%和79%。虽然这些结果表明在移动床生物膜反应器系统中确实可以处理对硝基苯酚，但仍有必要开展更深入的系统性能研究。尤其需要全面分析不同生物反应器结构对整体性能的影响，尤其是对硝化过程稳定性的影响。将移动床生物膜反应器以多级串联的方式运行，有助于优化生物量分布并提升污染物去除效率，与单级系统相比，串联式的移动床生物膜反应器能实现更高的处理效果（Bal等人，2025）。
如前文所述，在实际的工业生产中，对硝基苯酚是与农业活动以及聚合物、颜料、药品、石化产品、炸药和皮革制造等众多工业过程密切相关的重要污染物（Carrera等人，2011；Kimura等人，2014）。它还会在木材防腐剂、杀虫剂和涂料的生产过程中作为副产品出现（Tempestti等人，2023；Wang等人，2024）。虽然这些废水中的对硝基苯酚浓度因生产流程的不同而有所差异，但在实验室研究中，为了评估生物处理系统的处理能力、耐毒性以及性能极限，通常会使用浓度在5至1250毫克/升之间的对硝基苯酚，而通过这类实验也取得了较高的去除效率（Ji等人，2017；Mei等人，2019；Tong等人，2022a、2022b；Wang等人，2024；Zheng等人，2025）。在本研究中，为了与现有文献中采用不同生物处理工艺的串联式移动床生物膜反应器的处理效果进行比较，我们选择了与以往研究相似的高浓度对硝基苯酚作为处理对象。因此，本研究旨在通过针对两阶段实验室规模的移动床生物膜反应器系统展开全面实验研究，填补现有文献中的空白。我们在不同的反应时间和对硝基苯酚负荷条件下，评估了系统中每个移动床生物膜反应器的处理性能，详细分析了对硝基苯酚的去除效率、其对硝化作用的抑制效应、COD的去除情况以及其对生物膜生长的影响。
章节节选
移动床生物膜反应器（MBBR）的装置结构
在本研究中，我们使用了两个串联的圆柱形反应器作为移动床生物膜反应器，每个反应器的总容积和有效工作容积分别为4.5升和3.0升（见图1）。通过蠕动泵持续向反应器中输入液体，以此调节反应器的反应时间。同时，反应器还会进行充氧处理，以确保充分混合，并使溶解氧浓度保持在至少3毫克/升的水平。
每个反应器中填充了180个塑料载体，填充体积比为50%。这些载体为Wabe-2型号，其材质由
COD氧化处理效果
图2展示了移动床生物膜反应器运行过程中COD浓度的变化情况。在最初的六个时间段里，进水COD的平均浓度约为554±4毫克/升；但在后续的四个时间段里，由于添加了对硝基苯酚，进水中的有机负荷增加，COD浓度分别上升到了P7阶段的648±4毫克/升、P8阶段的676±2毫克/升、P9阶段的682±4毫克/升，以及P10阶段的813±5毫克/升。从化学计量关系来看，1毫克的对硝基苯酚相当于1.61毫克的COD。因此，25毫克、50毫克的
结论
在本研究中，我们让两个串联的移动床生物膜反应器在不同的负荷条件下长期运行，以去除对硝基苯酚。同时，我们还详细研究了对硝基苯酚对COD去除率、硝化作用以及生物膜密度的影晌。由于采用了串联设计，不同反应器中的生物膜功能实现了专业化分工：大部分有机化合物和对硝基苯酚都在第一个反应器中被去除，而第二个反应器则起到了进一步净化的作用。在高浓度对硝基苯酚的存在下，第一个反应器中的亚硝酸盐氧化作用会受到抑制，而第二个反应器则主要
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CRediT作者贡献说明
Baraa Ahmed Hatib：研究设计、实验方法、结果验证、数据可视化、初稿撰写。Alper Bayrakdar：概念构思、初稿撰写、文章审阅与修改。Azade Attar：研究实施、结果验证、文章审阅与修改。Erkan Sahinkaya：概念构思、资金筹集、项目指导、初稿撰写、文章审阅与修改。
利益冲突声明
作者声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
Baraa Ahmed Hatib|Alper Bayrakdar|Azade Attar|Erkan Sahinkaya
土耳其伊斯坦布尔埃森勒尔区达武特帕萨校区，耶尔德兹理工大学化学与冶金工程系生物工程专业，邮编34220
