動態(tài)膜生物反應(yīng)器中投加殼聚糖延緩膜污染的實驗研究

張賢芳， 凌 琪， 伍昌年， 趙秋燕， 方 濤， 鮑 超

（安徽建筑大學(xué)水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥230601）

0 引 言

動態(tài)膜生物反應(yīng)器（Dynamic Membrane Bioreactor，DMBR）作為一種新型城鎮(zhèn)污水深度處理技術(shù)，具備傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點，即利用膜的固液分離代替沉淀池的功能，實現(xiàn)了污泥齡和水力停留時間的徹底分離，易于實現(xiàn)自動化控制，同時過濾通量大、反沖洗較方便，使其成為一種能克服傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器不足的潛在技術(shù)。與其它膜生物反應(yīng)器一樣，DMBR長期運行存在膜污染問題，且缺乏控制和恢復(fù)的有效方法。目前對于膜污染的控制方法主要集中在抗污染膜材料的開發(fā)、優(yōu)化反應(yīng)器的運行條件與改善污泥混合液特性3個方面［1－3］。通過向膜生物反應(yīng)器內(nèi)投加顆粒物質(zhì)改善污泥混合液性質(zhì)，減緩膜污染，是應(yīng)用最廣泛的一種方式。殼聚糖作為絮凝劑，具有天然、無毒、可生物降解的特點［4］。本文通過平行實驗，研究了在DMBR中投加殼聚糖對污染物去除、污泥混合液特性的影響，以期為膜污染控制的工程實踐提供實驗依據(jù)。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置及水質(zhì)

實驗采用兩套平行DMBR（A：對照反應(yīng)器、B：投加殼聚糖反應(yīng)器），由水箱、缺氧池、好氧池、膜組件組成。兩套系統(tǒng)共用同一個進水水箱，運行時膜組件置于好氧池中，膜基材為300目的尼龍布，膜面積為0.01m2。缺氧池、好氧池中均有攪拌裝置，好氧池設(shè)有曝氣系統(tǒng)。實驗運行HRT為6h，其中好氧池4h，缺氧池2h。以間歇出水方式運行，抽停比為4：1，混合液回流比200%，pH控制在7.0～7.5之間，實驗裝置如圖1。

實驗進水為模擬生活污水水質(zhì)：用葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀和微量元素等混合配水，其質(zhì)量濃度分別為 COD 200～400mg／L，TN 30～60mg／L，TP 3～6mg／L，微量元素適量［5］。實驗用殼聚糖：粒徑0.4mm，粘度（1%溶液）0.2mPa.s，脫乙酰率85.31%，濟南海得貝海洋生物工程有限公司生產(chǎn)。

1.2 分析項目與方法

COD、TN、NH3－N、TP、MLSS和 MLVSS分別采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定［6］，EPS采用甲醛－NaOH法提?。?］，提取液中的多糖、蛋白質(zhì)分別采用苯酚硫酸法［8］和考馬斯亮藍 G－250法［9］，污泥粒徑和Zeta電位分別用馬爾文激光粒度儀（Malvernsizer 2000）和 Zeta電位儀 （Zetasizer NS90）測定。

2 結(jié) 論

2.1 污染物去除效果

在整個實驗運行過程中，污染物平均去除率如表1所示。

表1 污染物去除率（%）

由表1可見，在DMBR中投加殼聚糖后污染物去 除 率 （COD、TN、NH3－N、TP）分 別 增 加4.48%、6.01%、8.64%、13.8%。在反應(yīng)器中，殼聚糖表面逐漸形成的生物膜使得系統(tǒng)內(nèi)大部分活性污泥具有相對致密的污泥結(jié)構(gòu)和較大的污泥粒徑，同時吸附了反應(yīng)器內(nèi)的微生物代謝產(chǎn)物，從而提高了對污染物的去除效果。

2.2 膜通量變化

膜通量值可反映DMBR在運行周期內(nèi)單位時間、單位面積通量的變化情況，同時還能反映膜污染的進展情況。兩套平行DMBR中膜通量隨時間的變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，在整個運行過程中，反應(yīng)器B的膜通量衰減速度低于反應(yīng)器A，反應(yīng)器B的第一次膜組件清洗在第25d，比反應(yīng)器A要遲5d，膜組件清洗的次數(shù)比反應(yīng)器A少兩次。殼聚糖作為有機絮凝劑投加到反應(yīng)器中延緩了泥餅層的形成且形成的泥餅層較疏松［10］，從而使得透水性能比較好，提高了膜過濾性能。

2.3 對EPS的影響

胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是分泌于細(xì)胞外表面的大分子物質(zhì)，源于生物合成和分泌、細(xì)胞溶解和大分子水解，主要有蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)和核酸等，其中蛋白質(zhì)和多糖對膜污染的貢獻最大。有研究［11，12］表明EPS是DMBR膜污染中的主要污染物。反應(yīng)器運行過程中混合液中EPS的變化情況見圖3。

由圖3可知，兩套系統(tǒng)在運行過程混合液中EPS含量均呈增加趨勢，反應(yīng)器A、B的EPS含量（mg／gMLVSS）分別從38.1、33.45增長到175.56、145.2，且反應(yīng)器B比 A 增長的速度要慢，表明殼聚糖投加后對污泥中EPS有一定的吸附作用，減少了其在膜表面的沉積，從而延緩EPS濃度增長。

2.4 對Zeta電位的影響

膠粒表面的電位即為Zeta電位，表征了活性污泥混合液帶電情況，能夠反映活性污泥性質(zhì)的變更趨向，是膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圖4為反應(yīng)器運行過程中Zeta電位的變化情況。

從圖4可以看出，反應(yīng)器A、B在運行期間的Zeta電位（mv）分別從－8.5、－7.2降至－52.4、－46.5，整個實驗進行過程中，EPS濃度的增加將導(dǎo)致生物絮體表面Zeta電位增加，同時殼聚糖是帶正電荷的絮凝劑，可以壓縮膠體雙電層，使膠粒表面的Zeta電位降低，從而提高污泥混合液性能，延緩膜污染。

2.5 對粒徑分布的影響

投加殼聚糖對污泥粒徑分布的影響見圖5。

結(jié)果表明，兩套反應(yīng)器中混合液平均粒徑分別為52.855μm、63.593μm，且反應(yīng)器 B中小于10μm的粒徑所占比例為3.79%，而反應(yīng)器A則為5.76%。在膜反應(yīng)器污泥混合液中粒徑＜10 μm的污泥一直被認(rèn)為是對膜污染貢獻最大的顆粒成分。結(jié)果表明，殼聚糖作為絮凝劑通過電性中和和吸附架橋的作用，對混合液中污泥絮體發(fā)生作用，增大污泥絮體粒徑，改善混合液過濾性能，使得膜污染減輕。

3 結(jié) 論

投加殼聚糖后的污染物去除率（COD、TN、NH3－N、TP）分別增加4.48%、6.01%、8.64%、13.8%，反應(yīng)器A、B膜組件第一次清洗分別在第20d、25d，EPS均呈增加趨勢、反應(yīng)器A、B小于10μm的微粒所占的比例分別為5.76%、3.79%、Zeta電位降低程度反應(yīng)器B＜A。結(jié)果表明投加殼聚糖可有效提高膜通量，增大污泥絮體粒徑，同時對污泥中EPS有一定的吸附作用，減少了其在膜表面的沉積，有助于延緩膜污染。

1 Kimura K，Yamato N，Yamamura H，et al.Membrane fouling in pilot－scale membrane bioreactors（MBRs）treating municipal waste water ［J］.Environmental Science and Technology，2005，39（16）：6293－6299.

2 劉忠洲，張國俊，紀(jì)樹蘭.研究濃差極化和膜污染過程的方法與策略［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2006，26（5）：1－15.

3 馬金霞，王世和，沈倩宇，等.投加顆?；钚蕴繉δど锓磻?yīng)器過濾特性的影響［J］.中國給水排水，2010，26（3）：87－89.

4 王剛，杜興治，王榮生，等.殼聚糖投加對MBR污泥混合液性質(zhì)及膜污染的影響［J］.凈水技術(shù)，2011，30（6）：31－35.

5 劉艷杰，李建政，許修宏，等.高效低溫聚磷菌的篩選及特性研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2012，37（5）：36－40.

6 國家環(huán)境保護局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）［M］.北京：中國環(huán)境出版社，2002.

7 羅曦，雷中方，張振亞，等.好氧／厭氧污泥胞外聚合物（EPS）的提取方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，25（12）：1624－1629.

8 Dubois M，Gilles K A，Hamilton J K.Colorimetric method for determination of sugars and related substance［J］.Analytical Chemistry，1956，28：350－356.

9 Bradford M M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein－dye binding ［J］.Analyt Biochem，1976，72：248－254.

10 仉春華，董玉瑛，施文，等.殼聚糖絮凝作用延緩膜污染的效果研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2011，11（6）：39－42.

11 劉巖，李志東，蔣林時.膜生物反應(yīng)器（MBR）處理廢水的研究進展［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2007，30（1）：98－101，97.

12 Nagaoka H，Veda S，Miya A.Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process［J］.Wat Sci Tech，1996，34（9）：165－172.