倒置A2／O－動態(tài)膜生物反應(yīng)器工藝中EPS分布及對膜污染的影響

李祖成， 凌 琪， 伍昌年， 李 晶， 張賢芳， 宋 箭， 陶 勇

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

膜 生 物 反 應(yīng) 器 （membrane bioreactor，MBR）集膜分離技術(shù)和活性污泥的生物降解作用于一體，具有出水水質(zhì)好，占地面積小，生物量大，污泥產(chǎn)泥率低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于污水處理［1］。但是其能耗高、膜組件造價昂貴和膜污染等問題又限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。以廉價尼龍布、無紡布等為膜基材的動態(tài)膜生物反應(yīng)器（dynamic membrane bioreactor，DMBR）保 留 了傳統(tǒng)MBR的優(yōu)點，大幅降低了膜組件的成本，由于膜基材孔徑較大，膜阻力小，初始通量大，可實現(xiàn)重力出水，能有效降低能耗和運行費用［2］。倒置A2／O工藝將缺氧池前置，反硝化細菌對污水中硝酸鹽進行還原而實現(xiàn)脫氮；聚磷菌減少了反硝化細菌對碳源的競爭，在厭氧池中充分釋磷，而后進入好氧池吸磷，提高了系統(tǒng)的除磷能力［3］。倒置 A2／O－MBR組合工藝?yán)媚ど锓磻?yīng)器中高濃度硝酸鹽和高活性污泥濃度，經(jīng)回流至缺氧和厭氧環(huán)境，便于提高脫氮除磷效果，該工藝處理城市生活污水研究已有報道［4］，而倒置 A2／O－DMBR組合工藝處理污水的研究還沒有報道。相關(guān)研究［5］發(fā)現(xiàn)污泥混合液中 胞 外 聚 合 物 （extracellular polymeric substances，EPS）對 MBR的膜污染有重要影響，DMBR工藝也是如此，EPS組成非常復(fù)雜，主要成分是糖類和蛋白質(zhì)，兩者的TOC占整個EPS的70%～80%［6］，其他成分還有核酸、脂類、腐殖酸、糖醛酸或氨基糖等。Sheng等人［7］認為EPS在微生物細胞外的分布呈現(xiàn)為具有流變性的雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層與細胞表面結(jié)合緊密，稱為緊密粘附（tightly bound，TB）的EPS，簡稱 TBEPS；外層則較疏松，可向周圍環(huán)境擴散，無明顯邊緣，稱為松散附著（loosely bound，LB）的EPS，簡稱LB－EPS。本文選用倒置 A2／O－DMBR處理模擬的市政污水，EPS含量主要以多糖和蛋白質(zhì)含量總和來表征，通過研究工藝沿程各反應(yīng)池在運行過程中EPS的含量和組成的變化，為研究和控制膜污染提供依據(jù)。

1 實驗部分

1．1 裝置與流程

小試實驗裝置由缺氧池、厭氧池、好氧池、膜組件等組成，實驗流程如圖1所示。缺氧池、厭氧池設(shè)置攪拌器，好氧池和缺氧池均設(shè)有微孔曝氣系統(tǒng)。膜基材為300目尼龍布，膜面積0．2m2。以間歇出水方式運行，抽、停時間分別為8min、2min。

圖1 小試裝置圖

1．2 運行參數(shù)

實驗用水為模擬市政污水，其COD、TN、NH3－N和TP的濃度（mg／L）分別為300～500、40～5、35～45和3～6。

試驗期間水溫為15～30oC，試驗運行總HRT為12h，其中缺氧池3h、厭氧池3h、好氧池（膜池）6h；好氧池污泥的質(zhì)量濃度控制在5000～7000mg／L；回流比為200%；好氧池DO的質(zhì)量濃度控制在1．5～3mg／L，pH 值控制在7．2～8之間，污泥齡為21d。

1．3 分析方法

進出水水質(zhì)分析采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法，蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍法，多糖采用苯酚硫酸法［8］，DO采用HACH LDO101溶解氧儀（美國哈希公司）測定，pH 值由雷磁（PHS－3C）PH 計（上海盛磁儀器有限公司）測定，TOC由TOC分析儀（德國元素分析系統(tǒng)公司）（Liqid TOC II）測定。

2 結(jié)果與討論

2．1 工藝中EPS沿程分布

采用倒置A2／O－DMBR工藝，不排泥連續(xù)運行30d，EPS沿程分布如圖2所示。由圖2可以看出，好氧池（膜池）、缺氧池、厭氧池的EPS濃度均呈現(xiàn)隨著運行時間延長而增加，好氧池、缺氧池和厭氧池 EPS分別從2．69、3．2和4．6 mg／g MLVSS增加到 11．2、9．3 和 10．1mg／g MLVSS。三個反應(yīng)池相比，厭氧池中EPS濃度多數(shù)情況下高于好氧池和缺氧池。李瑩等［9］在研究MBR中污泥EPS變化及其對反應(yīng)器運行的影響過程中分析了EPS在MBR工藝運行過程中的分布情況，選用浸入式中空纖維膜作為膜材料，運行91d后發(fā)現(xiàn)EPS含量可達50mg／gMLVSS。楊文靜等［10］在研究膜生物反應(yīng)器操作條件對EPS含量及膜污染的影響時也分析了EPS在MBR工藝中的分布情況，以平板膜為研究對象，運行108d發(fā)現(xiàn)EPS含量也可達到49．10mg／g MLVSS。與文獻相比，實驗過程中EPS含量較低，主要是膜基材尼龍布孔徑較大，EPS在工藝沿程中積累量少的緣故。

圖2 工藝沿程中EPS含量變化

2．2 工藝沿程中多糖／蛋白質(zhì)的變化

EPS中多糖／蛋白質(zhì)的比值的沿程分布如圖3所示。由圖3可知，整個運行過程中，工藝沿程多糖／蛋白質(zhì)均呈現(xiàn)先增加后減小的變化。沿程各反應(yīng)池多糖／蛋白質(zhì)比值分別為:好氧池（8．2～21）、缺氧池（7．0～21）和厭氧池（8．21～21．5）。運行15d后，各反應(yīng)池中多糖／蛋白質(zhì)比值逐漸增大，均出現(xiàn)峰值，在隨后運行的15d中各反應(yīng)池多糖／蛋白質(zhì)不斷減小，其中運行到25d時各反應(yīng)池中多糖／蛋白質(zhì)比值均出現(xiàn)了一個相對穩(wěn)定值，26～30d時多糖／蛋白質(zhì)比值變化很小。吳振宇等［11］在研究有機底物對活性污泥EPS的影響過程中發(fā)現(xiàn)，不同的碳源得到的EPS中多糖／蛋白質(zhì)值不同，發(fā)現(xiàn)以葡萄糖、蛋白胨為碳源培養(yǎng)過程中活性污泥EPS中多糖／蛋白質(zhì)值分別為22．9、4．8。小試以蔗糖為碳源，好氧池中多糖／蛋白質(zhì)比值為8．2～21。

圖3 工藝沿程中多糖／蛋白質(zhì)變化

2．3 工藝沿程中TB－EPS／LB－EPS的變化

TB－EPS位于細胞體表面，與細胞壁緊密結(jié)合；而LB－EPS分布在TB－EPS外部，結(jié)構(gòu)松散，密度較小。由于LB－EPS含量相對較少，以TBEPS／LB－EPS值來表征工藝運行過程中EPS內(nèi)部的變化情況。工藝沿程中TB－EPS／LB－EPS的變化如圖4所示，由圖4可知，各反應(yīng)池中TBEPS／LB－EPS變化趨勢相近，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化。工藝運行的前15d，TB－EPS／LB－EPS不斷增加，到15d達到最大（峰值），而后運行中TB－EPS／LB－EPS均下降，其中好氧池下降最快，各反應(yīng)池 TB－EPS／LB－EPS比值分別為:好氧池（4．5～32），缺氧池（10．5～28），厭氧池（11．7～31）。

圖4 工藝沿程中TB－EPS／LB－EPS變化

2．4 EPS對膜污染的影響

膜污染是指與膜接觸的料液中微粒膠體粒子或溶質(zhì)大分子與膜發(fā)生物理、化用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)的吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性不可逆變化現(xiàn)象［12］。EPS對膜通量的影響如圖5所示，由圖5可知，隨著運行時間的延長，好氧池中EPS濃度從2．7mg／g MLVSS增加到10．9mg／g MLVSS，其中蛋白質(zhì)濃度從0．87mg／L增加到5．73mg／L，LB－EPS濃度從0．49mg／L增加到8．6mg／L，而膜通量從71．1L／m2．h減小到16．1L／m2．h，運行15d后，經(jīng)過氣水反沖洗后膜通量只恢復(fù)到初始通量的一半，并且恢復(fù)后通量下降迅速，清洗次數(shù)增加，最終導(dǎo)致膜污染加重，說明EPS濃度越高，加劇了膜污染。近年來，許多研究認為EPS是膜污染最重要的生物因素。李紹峰等［13］在研究胞外聚合物EPS對MBR膜污染的影響中發(fā)現(xiàn)，EPS濃度與膜污染程度之間存在線性關(guān)系，EPS與Rc（一致性相關(guān)系數(shù)）回歸的相關(guān)系數(shù)為0．9以上，在污泥的每一個生理狀態(tài)，EPS含量越高，膜污染越嚴(yán)重。結(jié)合圖3和4，運行20d后，多糖／蛋白質(zhì)值下降，蛋白質(zhì)含量增多；運行15d后，TB－EPS／LB－EPS 值 逐 漸 下 降，LB－EPS增大，加劇了膜污染，膜通量隨之下降，這與圖5中膜通量的變化趨勢一致。

圖5 EPS與膜通量關(guān)系

3 結(jié)論

采用倒置A2／O－DMBR工藝，以尼龍布為膜基材，連續(xù)運行30d，工藝沿程各反應(yīng)池中EPS均隨運行時間的延長而增加。好氧池中EPS濃度從2．7mg／g MLVSS增加到10．9mg／gMLVSS，EPS中蛋白質(zhì)和LB－EPS的含量分別從0．87mg／L，0．49mg／L增加到5．73mg／L，8．6mg／L，膜通量從71．1L／m2．h減小到16．1L／m2．h，膜污染加劇，清洗周期縮短。

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