英文原题：Flux Improvement and Biofilm Performance of an Oblique Gravity-Driven Ceramic Membrane Bioreactor Coupled with Electrocoagulation for Roofing Rainwater Purification
通讯作者：宋伟，广东工业大学
作者：Xing Du, Rong Ma, Zhenhao Liang, Kuang Ke, Lijing Chu, Lifan Liu, Wei Song, Jiayu Tian
近日，广东工业大学杜星和宋伟课题组在ACS ES&T Engineering上发表了斜置EC-GDCMBR在屋面雨水净化领域的研究成果，展示了斜置EC/GDCMBR系统在屋雨水可持续处理中的优势和可靠性，并揭示其在屋面雨水处理中的应用潜力。
雨水收集（RWH）被认为是避免地表径流的有效方法，其中用于某些家庭用途的RWH被认为是实现城市雨水利用和供水需求的有前景的方法。然而，由于健康和环境问题，受污染的屋面径流雨水收集后需进行有效处理后被利用。膜过滤在雨水处理中逐渐受到关注，因为处理后水安全清洁，工艺更简单，操作更容易。此外，为了有效利用屋顶雨水重力势能，利用过滤器和清水箱之间的建筑高度差，可根据建筑从屋顶到雨水收集池的高度开发膜生物反应器，并进行原位收集和自然净化。斜置-GDCMBR通过重力压实，从而改善生物膜的形成，以去除包括有机物、氮和磷等的残留污染物；且生成的滤饼还可以抑制一些杂质流入膜通道，减缓膜堵塞。开发EC-斜置GDCMBR工艺对屋面雨水进行处理，以加速絮体沉淀效率。快速成型滤饼层还可以改善生物膜的生长，从而防止EC-GDCMBR生物膜的脱落和破裂。
围绕上述研究思路，广东工业大学杜星和宋伟课题组受传统斜板（管）沉淀池的启发，开发斜置EC-GDCMBR的新运行模式，用于屋面雨水净水。斜置EC-GDCMBR系统可以改善陶瓷膜表面中的生物膜形成和孔隙率，实现屋面雨水的处理和回用。在82 d的长期运行中，与传统EC-GDCMBR系统相比，斜置系统不仅表现更高的膜通量，而且表现出更低的不可逆结垢阻力，证实斜置陶瓷膜有助于减轻膜污染。
图1. （a）两种EC-GDCMBR系统在82天运行时间内的膜渗透通量；（b）斜置系统与侧置系统的膜阻分布。
在斜置EC-GDCMBR稳定运行期间，污泥EPS中的多糖（PS）含量呈增加趋势，而蛋白质（PN）含量保持稳定，且斜置EC-GDCMBR的PN/PS值在稳定期高于侧置EC-GDCMBR。斜置EC-GDCMBR膜池浓缩液和污泥中ATP浓度均明显高于传统系统，表明斜置EC-GDCMBR生物膜中存在更多的活性微生物。此外，根据共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析和三磷酸腺苷（ATP）定量也证实了斜置EC-GDCMBR具有更高的生物活性。
图2. 两种EC-GDCMBR系统中的（a）多糖、（b）蛋白质、（c）PN/PS和（d）ATP浓度的生物活性分析;（e）膜池中生物膜和污泥的CLSM。
在斜置EC-GDCMBR系统污泥中反硝化菌丰度为15.38%，但在生物膜中未有检出，说明斜置EC-GDCMBR系统中的反硝化主要发生在沉积物中，而不是在生物膜表面。并且，对氨氮去除起关键作用的Nitrospira在斜置EC-GDCMBR生物膜和污泥中的丰度分别为3.35%和1.51%。污泥和生物膜中的不同丰度可以证明硝化过程主要发生在生物膜上，在有机碳源（天然或附加有机化合物）存在下导致NH3-N的异养硝化与羟基胺，亚硝酸盐和硝酸盐氧化。然后，Proteobacteria已被证实为系统中污泥的主要微生物群落，而Denitratisoma的丰度也表现出最高水平。
图3. （a）细菌属和未分类组的属水平的累积丰度和（b）GraPhlAn系统发育树图，其中来自斜置EC-GDCMBR和侧置EC-GDCMBR系统的生物膜和污泥
斜置EC-GDCMBR系统对CODMn的平均去除率为58.0%。由于腐殖质大分子和芳香族化合物的团聚，在EC过程中可以有效降低屋面废水中的有机化合物。然后，由于膜池中硝化和反硝化细菌的异养生长，这些化合物将通过微生物的生长和代谢被除去。
图4. （a）HRT和电流密度在电絮凝过程中对UV254去除的影响;（b）有机化合物通过两种EC-GDCMBR系统去除（a）UV254和（c）CODMn。
两种EC-GDCMBR系统中处理屋面雨水时的EEM光谱表明对腐殖酸类物质（峰A和B）和蛋白质类荧光团（峰C和D）的生物降解作用。斜置EC-GDCMBR中生物降碳效果较好，主要由于生物膜和污泥中ATP含量较高，生物活性较高。在斜置EC-GDCMBR系统中，污水中的细菌总数也从2.8×105 CFU/mL明显下降到2.5×103 CFU/mL。
图5. （a~g） EEM和（h）斜置EC-GDCMBR和横置EC-GDCMBR系统对屋面雨水的细菌丰度分析。
总之，依靠屋面雨水重力势能的斜置EC-GDCMBR系统可显著提高稳定膜通量，且随着生物膜孔隙率的提高，陶瓷膜表面的絮体沉降得到改善。在稳定通量和低不可逆结垢下，膜性能的提高表明在斜置EC-GDCMBR中具有更长的稳定运行周期和显著的膜耐久性，也证实了斜置EC-GDCMBR系统理想的水净化性能，可以满足农村缺水区再生水的需求。
相关论文发表在ACS ES＆T Engineering上，广东工业大学杜星副教授为文章的第一作者，宋伟特聘副教授为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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