纳米铁改性膜强化厌氧膜生物反应器处理氯酚类废水的微观机制研究

Chlorophenols are highly toxic, readily bioaccumulative and persistent in the environment, and have been included in priority pollutants. Chlorophenols are toxic to microorganisms, therefore it is important to acclimate and maintain the slow growing chlorophenol-degradating microbes in the reactor for the treatment of chlorophenol wastewater. AnMBR has successfully incorporated the anaerobic process with membrane technology. AnMBR is effective in enriching the chlorophenol degradation bacteria and expected to be useful in the treatment of chlorophenols wastewater. However, the low dechlorination efficiency and membrane fouling hinders the practical application of AnMBR. Therefore, it is necessary to construct a novel AnMBR system which is antifouling and suitable for wastewater treatment containing chlorophenols. In this project, the membranes will be modified with iron nanoparticles with reducibility and hydrophily. Functionalized modified membranes will be prepared for efficient treatment of chlorophenols in AnMBR. After iron nanoparticles addition, the filtration performance, anti-fouling performance, stability and chlorophenols removal of the membrane will be investigated. The mechanism of enhanced chlorophenols degradation，microbial community changes and membrane fouling will be investigated. The membrane fouling mechanisms of the modified iron nanoparticles will be analyzed. The results of this project will establish a theoretical basis for the treatment of hardly-degradable industrial wastewater by AnMBR.

氯酚类化合物具有高毒性、易生物累积及环境中的持久性，是一种优先污染物。由于其对微生物具有一定的毒性，因此如何驯化和维持反应器中生长速率慢的高效氯酚降解菌是氯酚废水处理的关键之一。厌氧膜生物反应器（AnMBR）将厌氧生物处理技术与膜技术相结合，可以有效富集氯酚降解菌，预期可在氯酚类废水的处置中发挥重要作用，但脱氯效率低及反应器中膜污染问题限制了其应用。因此，构建抗膜污染且适用于处理氯酚类废水的AnMBR具有重要意义。本项目拟以具有强还原力、亲水性的铁系纳米颗粒对膜进行改性，制备功能化改性膜，并用于AnMBR中高效处理氯酚，探索铁系纳米颗粒的加入对改性后膜的过滤性能、抗污染性能及氯酚类化合物截留去除效果的影响，探讨铁系纳米颗粒的改性对AnMBR对氯酚类化合物强化降解机制、微生物群落结构和膜污染的内在影响，解析铁系纳米粒子改性膜的膜污染机理，为AnMBR在难降解工业废水中的广泛应用提供理论基础。

厌氧膜生物反应器（AnMBR）是集厌氧生物处理技术及膜技术于一体的废水处理工艺，具有出水水质好、回收能源等优点，已被广泛用于处理各种废水。含氯酚类化合物（CPs）是一种优先污染物，但AnMBR对CPs废水的应用较少。如何提高脱氯、减缓膜污染问题是提高AnMBR处理氯酚类化合物效率的关键。本项目以具有强还原力、亲水性的纳米零价铁对膜进行改性，探究纳米粒子的添加对膜性能的影响，搭建膜污染的红外成像平台，分析纳米铁/改性膜的膜污染机制，将纳米铁/改性膜应用于AnMBR处理CPs工业废水，研究纳米铁/改性膜对AnMBR运行、CPs去除效果等的影响，并解析机理。研究结果如下：1）采用一种步骤简单且容易实现的压滤法成功制备nZVI@PVDF膜，零价铁颗粒均匀分布在膜表面并形成一种蓬松多孔的空间堆叠结构。将改性膜应用于超滤过程处理含2-氯酚废水，nZVI@PVDF改性膜表现出较好的2-氯酚（2-cp）去除效果（74.62%），优于以其他材料为基体的铁复合物的去除率，且和以复杂方法（如共混法和交联法）制备的nZVI复合膜的污染物处理效果具有可比性。废水中存在NOM和离子的情况下，nZVI@PVDF膜仍表现出较稳定2-cp去除效果。2）采用AnMBR处理低到高浓度2-cp废水，通过延长水力停留时间，实现低膜污染率下2-cp废水的高效稳定降解，并驯化得到具有2-cp高效降解功能的污泥；分别采用nZVI@PVDF膜和未改性PVDF膜为膜材料，构建AnMBR-1和AnMBR-2，用于处理由低到高浓度2-cp废水（20-200 mg/L）。高2-cp浓度下，AnMBR-1的2-cp去除率、COD去除率、甲烷产率均高于AnMBR-2，且AnMBR-1中苯酚的累积浓度要高于AnMBR-2。batch实验结果表明，nZVI的添加促进了氯酚的脱氯、脂肪酸和甲烷的生成。3）nZVI层可以有效缓解膜污染，膜表面上的污染物含量随过滤时间的增加而增加。在HA-XG和SA-XG体系，XG是造成nZVI/PVDF膜膜污染的主要污染物。该项目的研究结果将为AnMBR的广泛应用奠定理论基础。