【摘 要】
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水资源短缺已经成为人类面临的最大挑战之一,工业生产和人类活动造成的水污染已对生态环境和社会可持续发展构成威胁。灰水源分离、处理和再利用是应对水资源短缺和综合水管理的有效途径。利用物理、化学、生物等方法处理灰水已有大量研究,高效低成本的灰水原位处理成为水处理领域有待解决的难题之一。因此,本研究采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜构建氧基质膜生物膜反应器（O2-MBfR）,探究不同工艺运行条件（系统p
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水资源短缺已经成为人类面临的最大挑战之一,工业生产和人类活动造成的水污染已对生态环境和社会可持续发展构成威胁。灰水源分离、处理和再利用是应对水资源短缺和综合水管理的有效途径。利用物理、化学、生物等方法处理灰水已有大量研究,高效低成本的灰水原位处理成为水处理领域有待解决的难题之一。因此,本研究采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜构建氧基质膜生物膜反应器（O2-MBfR）,探究不同工艺运行条件（系统pH、碳氮比、膜内压）对灰水处理性能的影响;利用红外光谱、三维荧光、激光共聚焦、高通量测序技术分析反应器内生物膜形成和微生物组成特征;应用响应面法（RSM）来模拟和优化反应器处理灰水的工艺条件;优化条件下使用间歇式O2-MBfR来处理灰水,探究十二烷基苯磺酸钠（LAS）和氮的去除动力学,揭示其去除机理。主要研究内容和结果如下:（1）系统进水pH单因素影响实验结果表明,中性条件下有机物和氮的去除效率最高,而酸性和碱性条件对污染物的去除均会有抑制作用。与接种污泥相比,进水pH=5的反应器生物膜中产生了含硅的有机化合物和多糖类物质,而pH值为7和9的系统中生物膜物质组成无明显变化。系统pH显著影响反应器内微生物群落结构组成,pH为5系统中α-Proteobacteria和β-Proteobacteria的相对丰度低于pH值7和9系统中对应微生物的丰度,这也可能会影响O2-MBfR中碳和氮去除效果。（2）COD/TN单因素影响实验结果表明,COD/TN会显著影响O2-MBfR灰水处理性能。低碳氮比（15 g COD/g TN）下过高的氨氮使得硝化菌的好氧氨氧化过程与异养菌的有机物好氧降解竞争利用氧气,而高碳氮比（30 g COD/g TN）下的氮源不足也会影响微生物的正常生长代谢,以上条件均会降低系统中有机物和氮的去除性能。系统的COD/TN为25 g COD/g TN时,有机物和氮的去除效率最高。不同COD/TN下生物膜的物质组成结构相似,都存在有蛋白质、多糖和脂肪烃类有机物。COD/TN为25 g COD/g TN时,系统中α-Proteobacteria和γ-Proteobacteria菌的相对丰度最高,随着COD/TN的降低,硝化菌、亚硝基单胞菌和硝化螺菌的相对丰度增加,氨氮和总氮的去除通量增大。（3）膜内压（LAP）单因素影响实验结果表明,LAP为0 psi和0.5 psi时,氧气供应不足使得有机物生物降解和硝化反应受到抑制;当LAP不低于1.0 psi,有机物和氮的去除效率显著提高且基本维持稳定。与此同时,LAP的升高有利于LAS降解菌和氨氧化菌的累积,这都会提高系统的脱氮除碳效果。（4）采用响应面法（RSM）对系统的pH、COD/TN及LAP进行了条件优化,结果表明,COD去除率和TN去除通量的回归模型具有显著性（P＜0.05）,各因素对COD和TN去除影响大小顺序为COD/TN＞系统pH＞LAP。系统pH和COD/TN以及COD/TN和LAP的交互作用对COD去除效率和TN去除通量影响显著。系统的优化运行条件为COD/TN 22 g COD/g TN、pH值7.0、LAP 0.82 psi,此时的COD、LAS和TN的去除率分别为95.1%、99.6%和83.5%。（5）优化条件下的O2-MBfR间歇运行实验结果表明,系统中的三维动态生物膜中可同时实现氨化、硝化、反硝化和有机物矿化作用,氮和有机物可在O2-MBfR中高效去除。24小时的处理时间内,超过94%的LAS被生物降解、4%的LAS被胞外聚合物（EPS）吸附,残留的可溶性LAS低于1%,而膜吸附仅贡献不超过2%的LAS去除率。EPS吸附使得水相中LAS的浓度逐渐减少,生物降解使其在O2-MBfR系统中被持续去除。LAS的降解过程包括EPS对LAS快速吸附、LASEPS的解吸、LASEPS的释放,以及LASEPS在好氧条件下的生物降解。
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