磁粉-EMBR耦合体系处理苯酚废水效能及膜污染减缓机制解析

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随着石油化工、染料印刷、制药和钢铁冶金等行业的不断发展,我国工业废水特别是含酚废水的排放量显著增加,由此导致的水环境污染问题已经得到国内外研究者的广泛关注。膜生物反应器(Membrane-Bioreactor,MBR)作为一种新兴、高效的水处理技术在废水处理领域被广泛应用,但在运行过程中由难降解酚类化合物导致的膜污染问题一直限制其快速发展和广泛应用。近年来,电场膜生物反应器(Electric field attached MBR,简称EMBR)在提升废水处理效率和减缓膜污染方面具有显著优势,另外磁粉因具有磁致生物效应、吸附能力、电子转移能力等特性,在废水处理方面应用前景广阔。但是,现阶段关于磁粉-EMBR耦合体系处理苯酚废水效能的研究鲜有报道。因此,本研究开发出了一种新型磁粉-EMBR耦合体系,系统考察了该耦合体系处理苯酚废水效能和膜污染情况,并利用微生物多样性分析和宏基因组测序技术揭示其提升苯酚废水处理效能和减缓膜污染的机制。通过测定各体系中苯酚和COD降解率及苯酚关键酶活性和ATP含量,以探究各体系处理苯酚废水的效能。结果表明,G4体系(磁粉-EMBR耦合体系)的苯酚和COD降解效率>G2体系(EMBR体系)>G3体系(磁粉-MBR体系)>G1体系(传统MBR体系),其主要归因于关键酶活性和ATP含量的增加。利用微生物多样性分析和宏基因组测序技术,对各体系混合液中微生物群落结构和功能基因的变化进行考察,结果表明,施加适当的电场和投加磁粉可富集具有降解苯酚功能的优势菌,而电场和磁粉的耦合协同效应进一步富集降解苯酚的优势菌。此外,与G1、G3和G2体系相比,G4体系中苯酚降解相关功能基因和电子转移相关功能基因表达量显著上调,编码EPS合成相关功能基因表达量显著下调,从而提升苯酚废水处理效能和减缓膜污染。通过测定各体系混合液中活性污泥特性、溶解性微生物代谢产物(SMP)、Zeta电位绝对值的变化以及胞外聚合物(EPS)的含量,以揭示磁粉-EMBR耦合体系减缓膜污染的机制。结果表明,G4体系中TMP平均增长率显著低于G2、G3和G1体系,有效减少了膜污染周期,且G4体系中Zeta电位绝对值显著高于G2、G3和G1体系,增强了膜污染物与阴极膜间的静电斥力。同时,与G1体系相比,G4体系中SMP和EPS含量显著低于G2和G3体系。通过红外光谱(FTIR)分析,结果表明G4体系EPS中蛋白类和多糖类等官能团的吸收峰振动收缩强度比G2、G3、G1体系均有所减弱。此外,利用微生物多样性分析膜表面的微生物群落动态变化,结果表明,施加适当的电场和投加磁粉可降低参与生物膜形成优势菌的相对丰度,而电场和磁粉的耦合协同效应进一步降低其相对丰度。
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