混合SBR-微藻基MBR在真实废水处理中的应用：运营参数对系统性能影响的探究

《Biochemical Engineering Journal》：Application of hybrid SBR-microalgae-based-MBR for real wastewater treatment: Insights into role of operational parameters on system performance

集成序批式反应器（SBR）与微藻增强膜生物反应器（MMBR）处理真实污水，优化SBR循环时间（6h）和曝气率（0.75 L/h），氨、磷、COD去除率分别达97%、99%、98%。人工神经网络（ANN）模型（R=0.94）揭示参数交互作用，证实该系统可有效提升污水处理效率并减少膜污染，为实际应用提供新思路。

　　近年来，随着工业化和城市化进程的加快，全球范围内的废水排放量显著增加。据2021年的统计数据显示，全球每年产生的市政废水总量已达到1266×10?立方米，其中约有90×10?立方米的废水未经过处理。在许多发展中国家，由于缺乏完善的污水处理技术，大量未经处理的废水直接排放到环境中，对生态系统的健康和人类的生活质量构成了严重威胁。同时，传统的集中式污水处理厂在处理能力、运行成本和适应性方面也面临诸多挑战，特别是在面对水质和水量波动时，其效率和稳定性难以保障。因此，探索更为高效、灵活且可持续的污水处理技术成为当前研究的重要方向。

在众多污水处理技术中，单一处理单元在面对复杂且多变的水力负荷和有机负荷时往往表现出一定的局限性，无法满足日益增长的污水处理需求。为此，研究人员开始关注技术的融合与创新，将不同处理工艺进行组合，以期提高整体处理效率。其中，序批式反应器（SBR）与膜生物反应器（MBR）的结合受到了广泛关注。SBR作为一种周期性运行的生物处理系统，能够有效去除有机物和营养物质；而MBR则通过膜分离技术实现固液分离，提高出水水质。然而，这两种技术在实际应用中仍然存在一些问题，如膜污染、生物量流失以及出水水质不稳定等。因此，如何进一步优化这些系统，提升其运行效率和稳定性，成为当前研究的热点。

针对上述问题，本研究提出了一种新型的污水处理系统，即基于微藻的膜生物反应器（MMBR），并将其与SBR相结合，构建了一个序批式反应器-膜生物反应器（SBR-MMBR）联合系统。该系统利用了微藻的自然代谢能力，将生物处理与膜过滤技术有机结合，以期在提高污染物去除率的同时，降低运行成本并提升系统的可持续性。微藻，特别是*Chlorella vulgaris*，因其高效的营养物质去除能力和氧气生成能力，被广泛应用于废水处理领域。在这一系统中，*Chlorella vulgaris*被涂覆在ZIF-67/PVA纳米纤维细胞膜上，以增强其在膜生物反应器中的附着性和稳定性，同时减少膜污染的风险。

本研究的主要目标是评估SBR-MMBR系统在不同操作条件下的性能表现，并探讨其在实际废水处理中的可行性。实验在68天内进行，共分为6种不同的操作模式，以考察不同进水浓度和操作参数对系统性能的影响。实验结果显示，在SBR周期时间为6小时、曝气速率为0.75升/小时的条件下，该系统能够实现超过97%的氨氮去除率、超过99%的磷酸盐去除率以及超过98%的化学需氧量（COD）去除率。这一数据远高于传统MBR和SBR系统的去除效率，表明SBR-MMBR联合系统在处理实际废水方面具有显著优势。

为了更深入地理解不同操作参数对系统性能的影响，本研究还采用了人工神经网络（ANN）模型对实验数据进行了分析。通过建立ANN模型，研究人员能够模拟和预测系统在不同条件下的污染物去除效率，并揭示各参数之间的交互作用。模型的总体相关系数（R值）达到了0.94，表明其具有较高的预测精度。此外，敏感性分析进一步表明，废水的特性参数，如COD、氨氮和磷酸盐的浓度，对系统的运行效果具有决定性影响。这一发现对于优化系统运行条件、提高处理效率具有重要意义。

从技术原理来看，SBR-MMBR系统的工作机制主要依赖于SBR和MMBR两部分的协同作用。SBR部分通过周期性的进水、反应、沉淀和排水过程，有效去除废水中的有机物和营养物质。在这一阶段，废水中的有机负荷被微生物分解，氨氮通过硝化和反硝化作用被去除，而磷酸盐则通过生物吸附和化学沉淀等机制被去除。随后，处理后的废水进入MMBR系统，其中*Chlorella vulgaris*在ZIF-67/PVA纳米纤维膜的表面生长，通过光合作用产生氧气，同时利用其自身的代谢过程进一步去除残留的氮、磷和有机物。这种结合不仅提高了污染物的去除效率，还减少了传统生物处理系统对额外曝气的需求，从而降低了运行成本。

在实际应用中，MMBR系统的运行效率受到多种因素的影响，包括进水水质、操作参数以及膜材料的特性。例如，废水中的COD、氨氮和磷酸盐浓度直接影响微藻的生长和代谢活动，进而影响污染物的去除效率。此外，曝气速率和膜面的流速也对系统的运行效果起到关键作用。较高的曝气速率可以促进微生物的活性，提高有机物的降解效率；而膜面的流速则影响微藻在膜表面的附着情况，从而影响膜污染的程度。因此，在系统设计和运行过程中，需要综合考虑这些参数，以实现最佳的处理效果。

为了确保系统的稳定运行，研究人员还对膜污染的机制进行了深入探讨。膜污染是MBR系统运行过程中面临的主要问题之一，通常由微藻生物质和胞外聚合物（EPS）的积累引起。这些物质会在膜表面形成一层阻碍层，降低膜的通透性，从而影响系统的处理效率。在本研究中，通过采用ZIF-67/PVA纳米纤维膜，研究人员发现这种膜材料具有良好的抗污染性能，能够有效减少微藻生物质对膜的堵塞。此外，通过优化操作条件，如控制进水流量和调整曝气速率，也可以进一步降低膜污染的风险，延长膜的使用寿命。

从环境和经济角度来看，SBR-MMBR系统具有显著的优势。首先，该系统能够实现高效的污染物去除，提高出水水质，满足严格的排放标准。其次，由于微藻的光合作用可以产生氧气，系统在运行过程中可以减少对额外曝气的依赖，从而降低能耗和运行成本。此外，微藻生物质本身具有较高的资源价值，可以被回收用于生物燃料、肥料或动物饲料的生产，实现废水处理的资源化利用。这种多目标处理模式不仅有助于减少环境负担，还能够创造额外的经济收益，推动污水处理技术的可持续发展。

在实际应用中，SBR-MMBR系统还面临着一些挑战。例如，微藻的生长需要充足的光照，而在深水反应器或大规模应用中，光照的不足可能会限制其代谢能力，进而影响污染物的去除效率。因此，在系统设计时，需要合理考虑反应器的结构和光照条件，以确保微藻能够获得足够的能量进行生长和代谢。此外，系统的运行还需要考虑到废水的来源和特性，不同类型的废水可能需要不同的预处理步骤，以确保后续处理过程的顺利进行。

总体而言，本研究的成果表明，SBR-MMBR联合系统在处理实际废水方面具有广阔的应用前景。通过将SBR的高效生物处理能力与MMBR的膜分离技术相结合，研究人员成功构建了一个能够有效去除氨氮、磷酸盐和COD的污水处理系统。该系统不仅提高了污染物的去除效率，还降低了运行成本，同时具备资源回收的潜力。此外，通过引入人工神经网络模型，研究人员能够更全面地理解系统运行机制，为后续的优化和扩展提供了理论支持。未来，随着技术的进一步成熟和成本的降低，SBR-MMBR系统有望在更大范围内推广，为全球污水处理行业提供一种高效、经济且可持续的解决方案。