膜曝气生物膜反应器处理磺胺类废水初探
- 处理对象的来源与性质
磺胺类废水的来源主要包括: (1) 制药企业废水未处理或处理后未达标直接排放，(2)在人类、畜牧或者水产养殖业的使用过程中进入水体; (3) 无用或者过期的磺胺类医药被大量抛入排水沟或者垃圾箱，其中具有药物活性的物质可能伴随废水进入自然水体中或者在填埋场通过渗滤液直接进入地下水，就会对地表水或者地下水产生间接污染。
磺胺类抗生素是研究人员关注较多的一类抗生素, 其在国内外污水处理厂中检测出的种类多、浓度高.常见的磺胺类抗生素有磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺吡啶和磺胺甲恶唑。磺胺甲恶唑在美国和澳大利亚污水处理厂进水浓度较高, 分别为4 255 ng/L[1]和3 000 ng/L[2],磺胺吡啶在英国检测出浓度高达12 397 ng/L[3],在国内, 磺胺甲恶唑和磺胺吡啶在进水中检测出的浓度较低, 分别为850 ng/L[4]和530 ng/L[5]。此外，磺胺嘧啶对大多数革兰氏阳性菌和阴性菌均有抑制作用[6]，本课题采用的正是生物膜技术处理废水，因此这是本课题要尝试攻克的难点所在。
- 处理的意义
新型冠状肺炎的全面爆发再次将抗生素类药物引进了大众视野，作为治疗新冠肺炎的主要药物，其排放后的难处理污水必然会成为我们未来需要面对的主要问题。其中磺胺类抗生素废水的处理，就是本课题所要重点研究的。
磺胺类作为一类大分子抗生素, 设计时主要是针对人体和动物体内的病原性致病菌, 这也使其必然也对人体和环境中其他有机体产生潜在的健康威胁。这类生物难降解的大分子抗生素在水体中富集, 可能引起水体和底泥中的微生物、藻类、无脊椎动物、鱼类及两栖类动物等慢性中毒, 破坏生态系统;污染土壤、饮用水与食物等, 进而对人类的健康造成损害, 可能有过敏反应、激素分泌异常甚至三致作用等潜在危害。因此如何处理磺胺类废水成为人们越来越关注的问题。
- 采取的技术方法的理论原理
本课题采用的是膜曝气生物膜反应器（MABR）处理磺胺类废水。MABR是一种利用透气膜进行曝气的污水生物处理组合新工艺，采用无泡曝气提高了氧向生物膜内的传质。氧气利用率接近100％，是传统曝气的5~7倍。氧气提供量和船只速录可以通过内膜压力进行控制。由于在曝气过程中不产生气泡，可以避免在供氧过程中产生的泡沫带出水中的挥发性有机物，因此产生的臭气也比较少。膜曝气生物膜反应器的生物量是传统活性污泥反应器生物量的10倍，曝气膜尚生长的生物膜具有传质异向性，可以高效地同时进行硝化反硝化和COD的去除。
在MABR中，膜有两方面作用：一方面是作为固定细菌的载体，另一方面是作为供氧的材料。MABR采用透气性致密膜通过膜腔体供氧生物膜固定在膜的外表面，废水中的有机物由液相主体向生物膜传递，与氧气形成反向传递。
在常规的生物膜中，好氧区在表面、缺氧区在中间、厌氧区在内层。溶解氧浓度和有机底物浓度的变化是一致的，由外向内逐渐降低。由于在生物膜和溶液界面附近，有机物的存在会使自养硝化菌和兼性菌为了获得溶解氧而进行竞争，而生长速率较慢的自养硝化菌在竞争中处于劣势，对有机废水很难实现同时硝化和反硝化。
在MABR生物膜中，氧和底物浓度的最大值出现在不同的位置，所以生物膜中存在明显的分层现象。紧靠透气膜载体表面的生物膜处溶解氧浓度最大，有机物经过外侧生物膜的降解后浓度降低,为硝化菌创造了良好的生存环境，有利于硝化反应的进行。生物膜液体界面附近高浓度的有机物和含量较少的氧气促进了反硝化菌的生长，有利于反硝化反应的进行。因此，在MABR中可以实现同步硝化和反硝化进行脱氮及有机物的去除。[7]
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