不同預(yù)處理精度對(duì)膜生物反應(yīng)器污泥性質(zhì)和微生物種群的影響

彭爭(zhēng)梁，李漢沖，王煊博，王巧英，吳志超

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092；2.上海金山廊下污水處理有限公司，上海 201516；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor，MBR)是一種膜分離技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合的污水處理技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)水處理和市政污水處理領(lǐng)域，同時(shí)MBR技術(shù)也存在一些不足，主要表現(xiàn)在投資成本高、膜污染、膜組件阻塞等方面。其中，膜組件堵塞是MBR工程在運(yùn)維過(guò)程中遇到的難題之一[1-2]。

阻塞現(xiàn)象大致可以分為兩類：一類是頭發(fā)絲等纖維類物質(zhì)纏繞在膜組件上并與雜質(zhì)結(jié)合形成緊密的纏繞物，另一類是大顆粒雜質(zhì)與污泥形成泥餅沉積在膜表面，這都將導(dǎo)致膜污染加劇和膜組件板結(jié)[3]。研究指出[4]，市政污水中毛發(fā)及纖維類物質(zhì)大多為粒徑大于100 μm的有機(jī)物，雖然占比很少，但這些物質(zhì)卻是造成MBR膜組件阻塞的主要原因。

為了解決阻塞現(xiàn)象對(duì)MBR造成的不利影響，可以從以下幾方面入手：一是在阻塞現(xiàn)象發(fā)生后通過(guò)膜清洗去除纏繞物及膜表面的沉積物；二是通過(guò)過(guò)濾污泥混合液，將污泥中較大粒徑的雜質(zhì)分離出來(lái)，減少膜組件阻塞的可能性；三是通過(guò)高精度預(yù)處理進(jìn)水，防止雜質(zhì)進(jìn)入后續(xù)的生物處理工藝。其中，高精度預(yù)處理系統(tǒng)從源頭上分離雜質(zhì)，是防止膜組件阻塞最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。因此，本文通過(guò)研究不同精度的預(yù)處理對(duì)MBR生物處理系統(tǒng)的影響，重點(diǎn)考察MBR污泥的性質(zhì)及其微生物群落結(jié)構(gòu)是否受到高精度污水雜質(zhì)分離的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和運(yùn)行參數(shù)

1.1.1 上海某污水處理廠MBR中水回用工程

該MBR中水回用工程處理規(guī)模為400 m3/d，進(jìn)水為污水處理廠沉砂池出水，沉砂池前設(shè)有格柵間隙為3 mm的格柵，主體工藝為平板膜MBR，MBR出水經(jīng)消毒后作為廠區(qū)中水使用。該中水回用工程共設(shè)有5個(gè)MBR池，各池運(yùn)行參數(shù)稍有不同，其1#MBR池主要工藝參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)如表1所示，該MBR反應(yīng)池中設(shè)有上、中、下三層膜支架，每層支架中裝有110片尺寸為1 000 mm×500 mm×10 mm的平板膜。

如圖1所示，該中水回用工程在未經(jīng)過(guò)雜質(zhì)預(yù)處理的情況下，膜組件阻塞現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

1.1.2 預(yù)處理精度為1 mm和0.1 mm的MBR現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置

兩套MBR現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置除了預(yù)處理精度不同之外，其他設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)均一致，總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)300 d。兩套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置的預(yù)處理濾篩均采用滌綸濾網(wǎng)，孔徑分別為1 mm和0.1 mm(有效過(guò)濾面積為0.5 m2)，濾網(wǎng)及其攔截的雜質(zhì)如圖2所示。為了避免在裝置運(yùn)行過(guò)程中微網(wǎng)堵塞，采用較小的微網(wǎng)通量(3.6 m3·m-2·d-1)，同時(shí)濾篩采用曝氣沖刷(曝氣強(qiáng)度為5 m3·m-2·min-1)的方式維持網(wǎng)面清潔。為防止微網(wǎng)表面形成污染層造成分離精度的變化，試驗(yàn)每24 h更換一次微網(wǎng)，換下的微網(wǎng)用毛刷刷洗后，用5‰濃度的次氯酸鈉溶液浸泡2 h，晾干后備用。

圖1 中水回用工程膜組件阻塞情況Fig.1 Membrane Clogging Phenomenon in Reclaimed Water Reuse System

圖2 孔徑1 mm(a)和0.1 mm(b)的濾網(wǎng)攔截的雜質(zhì)Fig.2 Impurities Intercepted by 0.1 mm (a)and 1 mm (b) Screen

為了與MBR中水回用工程中的1#MBR池進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)水同樣采用該污水處理廠沉砂池出水，且兩套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置的水力停留時(shí)間、膜通量、曝氣強(qiáng)度等參數(shù)與1#MBR池相同；同時(shí)，為了研究不同預(yù)處理精度對(duì)MBR出水水質(zhì)和生物脫氮除磷過(guò)程的影響，兩套試驗(yàn)裝置增設(shè)了厭氧段和缺氧段，其工藝流程及反應(yīng)器示意圖如圖3所示。反應(yīng)器內(nèi)液位通過(guò)進(jìn)水浮球閥控制；厭氧區(qū)(停留時(shí)間為1.7 h)和缺氧區(qū)(停留時(shí)間為3.6 h)均設(shè)有直桿攪拌機(jī)；缺氧區(qū)和好氧區(qū)設(shè)有污泥回流泵，回流比分別為100%和200%；通過(guò)自吸泵出水，出水量通過(guò)蝶閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)；利用曝氣機(jī)進(jìn)行穿孔管曝氣，曝氣量通過(guò)氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)；跨膜壓力(TMP)通過(guò)水銀壓力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 400 m3/d MBR中水回用工程1#池主要工藝參數(shù)Tab.1 Main Parameters of MBR System 1# for Reclaimed Water Reuse with Capacity of 400 m3/d

圖3 (a)工藝流程及(b)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of (a) Process Flow and (b) Experiment Plant

1.2 試驗(yàn)分析方法

1.2.1 物理化學(xué)指標(biāo)法分析方法

試驗(yàn)所涉及的測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試方法如表2所示。

1.2.2 CSS的測(cè)試方法

采用大顆粒懸浮物濃度(coarse suspended solids，CSS)來(lái)表征污泥混合液中的雜質(zhì)濃度。CSS 100、CSS 500、CSS 1 000分別表示粒徑大于100、500 μm及1 000 μm雜質(zhì)的濃度。其測(cè)試條件與方法如表3所示[5]。

1.2.3 污泥混合液過(guò)濾性能測(cè)試方法

本文采用膜生產(chǎn)廠家推薦的兩種方法測(cè)定污泥混合液的過(guò)濾性能。方法一：取50 mL污泥混合液，用孔徑2 μm濾膜(有效過(guò)濾區(qū)域?yàn)橹睆?0 cm圓形區(qū)域)在常壓下(1.03 MPa)重力過(guò)濾5 min，用濾液體積(mL)表示污泥混合液的過(guò)濾性能；方法二：取50 mL污泥混合液，用孔徑0.2 μm濾膜(有效過(guò)濾區(qū)域?yàn)橹睆? cm圓形區(qū)域)在-0.4 MPa壓力下過(guò)濾 5 min，用濾液體積(mL)表示污泥混合液的過(guò)濾性能。

1.2.4 微生物多樣性測(cè)試方法

本文采用高通量Miseq測(cè)序法進(jìn)行微生物多樣性測(cè)試[6]。

表2 常規(guī)測(cè)試指標(biāo)一覽表Tab.2 List of Routine Test Specification

表3 CSS測(cè)試指標(biāo)一覽表Tab.3 List of CSS Test Specification

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置運(yùn)行中的雜質(zhì)累積情況

2.1.1 CSS隨時(shí)間的變化

在裝置運(yùn)行的194～238 d，每7 d對(duì)三個(gè)MBR系統(tǒng)的污泥混合液進(jìn)行采樣，分別用孔徑100、500 μm及1 000 μm的濾篩進(jìn)行過(guò)濾，測(cè)定其CSS 100、CSS 500及CSS 1 000值，結(jié)果如表4所示。

表4 CSS含量測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test Results of CSS Contents

注：其中1#裝置的CSS 1000，2#裝置的CSS 500、CSS 1000，由于含量過(guò)低，測(cè)試中未檢出

CSS值的大小反映了污泥混合液中相應(yīng)粒徑大小的顆粒物含量，即容易纏繞和阻塞膜組件的雜質(zhì)。相關(guān)研究表明，污泥中這類顆粒物與膜阻塞現(xiàn)象有密切關(guān)系，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生膜組件阻塞現(xiàn)象的MBR污水處理廠污泥的CSS值要明顯高于未發(fā)生膜阻塞現(xiàn)象的MBR污水廠污泥。由表4可知，對(duì)于本試驗(yàn)中的三個(gè)MBR系統(tǒng)，CSS 500和CSS 1 000的值較小，而CSS 100值則可以看出明顯差別。發(fā)生膜組件阻塞現(xiàn)象的1#MBR池和1#裝置中CSS 100含量高達(dá)1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未發(fā)生膜組件阻塞現(xiàn)象的2#裝置中CSS含量?jī)H有36±22 mg/L，如圖4所示。

圖4 各MBR系統(tǒng)的污泥混合液中CSS 100含量Fig.4 Content of CSS 100 in Each MBR System

2.2 污泥粒徑

在兩套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置運(yùn)行238 d后，測(cè)定其污泥粒徑，其Dx10、Dx50、Dx90如表5所示。由表5可知，中水回用工程1#膜池中的污泥粒徑(Dx90=168 μm)要比1#裝置(Dx90=47.7 μm)及2#裝置(Dx90=37.1 μm)中的污泥粒徑大得多，而1#裝置與2#裝置中污泥粒徑的差異并不顯著。粒徑在0.1～10 μm，1#裝置(17.9 %)中污泥顆粒物的百分?jǐn)?shù)要小于2#裝置(22.9%)，而對(duì)于孔徑為0.2～2 μm的膜來(lái)說(shuō)，粒徑為0.1～10 μm的顆粒物最容易進(jìn)入膜內(nèi)部堵塞膜孔徑。

表5 污泥粒徑Dx10、Dx50、Dx90Tab.5 Sludge Grain Sizes of Dx10,Dx50,Dx90

2.3 污泥過(guò)濾性能

污泥的過(guò)濾性在一定程度上能表征膜污染的趨勢(shì)，被作為MBR系統(tǒng)污泥性質(zhì)的重要指標(biāo)[7]，污泥過(guò)濾性能越好即代表單位時(shí)間內(nèi)膜可以過(guò)濾的污泥混合液越多，相應(yīng)地，當(dāng)過(guò)濾量相同時(shí)過(guò)濾性能較好的污泥對(duì)膜造成的污染也較少。本試驗(yàn)采用相關(guān)文獻(xiàn)中提到的兩種污泥過(guò)濾性能的測(cè)試方法測(cè)定三個(gè)MBR系統(tǒng)中污泥混合液的過(guò)濾性能，測(cè)定結(jié)果如表6所示。由表6可知，三種污泥的過(guò)濾性能有較大差異，2#裝置污泥的過(guò)濾性能最好，1#裝置污泥過(guò)濾性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的過(guò)濾性能最差，這可能是因?yàn)槲勰嗔捷^大的MBR污泥過(guò)濾性能較差，而粒徑較小的MBR污泥過(guò)濾性能較好。

表6 污泥過(guò)濾性能(n=8)Tab.6 Sludge Filtration Performance (n=8)

2.4 污泥毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)

研究表明，CST與污泥濃度基本上呈線性相關(guān)。因此，可以用CST/SS比值來(lái)表示不同濃度污泥的脫水性能。此外，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，CST與MBR的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)即膜的臨界通量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系[8-9]。

在裝置運(yùn)行的194～238 d，測(cè)定了1#膜池、1#裝置、2#裝置中MBR污泥的毛細(xì)吸水時(shí)間和污泥黏度，如表7所示。由表7可知，1#膜池污泥CST較高，1#裝置污泥次之，2#裝置污泥最低，考慮三種污泥的污泥濃度不同所造成的影響，對(duì)比其CST/SS值，仍與CST值排序相同，這說(shuō)明對(duì)城鎮(zhèn)污水進(jìn)行高精度污水雜質(zhì)分離有助于提高剩余污泥的脫水性能。

表7 污泥毛細(xì)吸水時(shí)間(n=8)Tab.7 Capillary Suction Time of Sludge (n=8)

2.5 三維熒光分析

1#膜池、1#裝置、2#裝置中MBR污泥的EPS和SMP的EEM圖譜如圖5所示。

由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可知，EPS的EEM圖譜中主要有一個(gè)熒光峰B，位于(Ex/Em)280/330 nm，該峰與類蛋白質(zhì)物質(zhì)有關(guān)，為色氨酸熒光。觀察不同預(yù)處理精度下EPS的EEM圖譜變化情況可知，三種MBR污泥峰B的熒光強(qiáng)度差別不大，峰B熒光強(qiáng)度的變化規(guī)律與預(yù)處理精度的相關(guān)性并不明顯。

圖5 污泥SMP及EPS的三維熒光圖Fig.5 3D Fluorescence of SMP and EPS of Sludge

由圖5可知：SMP的EEM圖譜中主要有3個(gè)熒光峰B、C和D，分別位于(Ex/Em)280/330、320/430 nm和250～450 nm；其中B峰與類蛋白質(zhì)物質(zhì)有關(guān)，為色氨酸熒光；C峰和D峰分別為類胡敏酸物質(zhì)和類富里酸物質(zhì)。觀察不同預(yù)處理精度下MBR污泥SMP的EEM圖譜變化情況可知：B峰的熒光強(qiáng)度均隨著預(yù)處理精度的提高而降低，其中中水回用工程中1#膜池污泥B峰的熒光強(qiáng)度要明顯高于兩套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置；1#裝置污泥的C峰熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，2#裝置次之，1#膜池污泥最弱；1#裝置與2#裝置的D峰熒光強(qiáng)度沒(méi)有明顯差別，1#膜池污泥D峰熒光強(qiáng)度較弱。

上述結(jié)果表明，預(yù)處理精度的不同主要對(duì)MBR污泥中SMP的成分造成了一定影響，這也將會(huì)直接影響各個(gè)MBR系統(tǒng)的膜污染速率，而預(yù)處理精度對(duì)污泥中EPS成分的影響不大。

2.6 微生物分析

本文在反應(yīng)器運(yùn)行的第250 d，從中水回用工程1#MBR池(A1)、1#MBR裝置的好氧池(A2)，以及2#MBR裝置好氧池(A3) 中取活性污泥。樣品在運(yùn)輸過(guò)程中采用干冰或液氮保存，至實(shí)驗(yàn)室后在3 000 r/min條件下離心10 min，回收沉淀物，并在實(shí)驗(yàn)室中存放于-80 ℃冰箱內(nèi)，以待進(jìn)一步分析。

本試驗(yàn)中主要針對(duì)三種樣品A1～A3中原核細(xì)菌的微生物多樣性進(jìn)行分析，主要分析污水中雜質(zhì)經(jīng)不同目數(shù)雜質(zhì)分離器去除后，對(duì)后續(xù)生物處理過(guò)程中微生物種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。本試驗(yàn)采用的新一代測(cè)序方法(NGS)是通量高、拼接長(zhǎng)度長(zhǎng)的Miseq測(cè)序技術(shù)。3個(gè)樣品的微生物統(tǒng)計(jì)學(xué)信息如表8所示。

表8 A1～A3樣品微生物多樣性測(cè)試統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)與α多樣性指數(shù)Tab.8 α Diversity Index and Statistical Parameters of Microbial Diversity Test for A1～A3 Samples

圖6 A1～A3樣品在各細(xì)菌門(mén)的相對(duì)豐度Fig.6 Isotopic Abundance Ratio in Bacteriophyta of A1～A3

由表8可知，三個(gè)樣品測(cè)序的均一性較好，優(yōu)化后有效序列數(shù)量為39 186～42 238條，因此可不進(jìn)行樣品抽平而進(jìn)行后續(xù)分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，三組樣品的平均測(cè)序序列長(zhǎng)度為438.92 bp，與擴(kuò)增區(qū)域的基因片段長(zhǎng)度 (468 bp) 基本吻合。經(jīng)去除沒(méi)有重復(fù)的單序列 (singletons) 后，A1～A3獲得25 206、27 952與26 287條可聚類序列 (reads)，經(jīng)聚類后，在97%的相似度下各獲得766、898個(gè)以及897個(gè)OTUs(operational taxonomic units,OTUS)。α多樣性指數(shù)表明，經(jīng)污水雜質(zhì)分離器對(duì)進(jìn)水處理后，反應(yīng)器內(nèi)微生物的豐度與多樣性均有所提升。其中，A1的Chao豐度指數(shù)為817，Shannon多樣性指數(shù)為5.48，而A2與A3的Chao豐度指數(shù)升至916與925，Shannon多樣性指數(shù)則升至5.69與5.81。三個(gè)樣品的測(cè)序覆蓋率均超過(guò)99%，說(shuō)明測(cè)序結(jié)構(gòu)非常具有代表性。

通過(guò)對(duì)三個(gè)樣品發(fā)育學(xué)信息對(duì)比，可進(jìn)一步得知污水雜質(zhì)分離器的使用對(duì)后續(xù)微生物種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。三個(gè)樣品在不同細(xì)菌門(mén)水平上的相對(duì)豐度如圖6所示。Miseq高通量測(cè)序技術(shù)從三個(gè)樣品中共發(fā)現(xiàn)16個(gè)細(xì)菌門(mén)，其中變形菌門(mén) (Proteobacteria) 與擬桿菌門(mén) (Bacteroidetes) 是豐度最高的兩個(gè)細(xì)菌門(mén)，細(xì)分至這兩個(gè)門(mén)的微生物分別占到A1、A2與A3細(xì)菌總數(shù)的63.4%、55.2%與52.8%。相比于A1樣品，A2與A3樣品中Candidate_division_TM7與Candidate_division_OD1的相對(duì)豐度均顯著下降，而Proteobacteria的相對(duì)豐度也略有降低。相比之下，綠彎菌門(mén) (Chloroflexi)，WCHB1-60、芽單胞菌門(mén) (Gemmatimonadetes)、浮霉菌門(mén) (Planctomycetes) 及硝化螺旋菌門(mén) (Nitrospirae) 在A2與A3中的相對(duì)豐度得到了顯著提升。其中綠彎菌門(mén)等通過(guò)光合作用產(chǎn)能的細(xì)菌相對(duì)豐度的提升是由于中水回用工程1#MBR池在室內(nèi)，而1#和2#試驗(yàn)裝置則放置在室外。

將分類學(xué)繼續(xù)細(xì)分至細(xì)菌屬水平上可以得到更多的微生物多樣性信息。表9給出了在A1、A2與A3中至少兩個(gè)樣品中相對(duì)豐度高于0.5%的主要細(xì)菌屬的相對(duì)豐度。由表9可知，Candidate_division_TM7_norank與Saprospiraceae_uncultured是A1中主要的細(xì)菌屬，占到所有細(xì)菌的22.7%，而這兩個(gè)細(xì)菌屬在A2與A3中的相對(duì)豐度則顯著下降。而Ottowia、Chitinophagaceae_uncultured及Brevundimonas也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。相比之下，Caldilineaceae_uncultured、NS9_marine_group_norank、TK10_norank、WCHB1-60_norank、硝化螺旋菌屬 (Nitrospira)、Gemmatimonadaceae_uncultured等細(xì)菌屬在A2與A3中相對(duì)豐度得到了提升。例如，A1中Nitrospira的相對(duì)豐度為0.10%，而A2中Nitrospira的相對(duì)豐度為2.0%，A3中Nitrospira的相對(duì)豐度為2.4%。Nitrospira，是污水處理廠和實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器中主要的亞硝酸氧化菌，其在A2和A3中的富集說(shuō)明污水雜質(zhì)分離器的使用會(huì)對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而部分對(duì)污水處理有重要作用的微生物可能在這一過(guò)程中得到了富集。

表9 A1～A3樣品中主要細(xì)菌屬的相對(duì)豐度Tab.9 Isotopic Abundance Ratio of Major Bacteria Count of A1～A3

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)中的三個(gè)MBR系統(tǒng)，CSS 500和CSS 1 000的值較小，而CSS 100值則可以看出明顯差別。發(fā)生膜組件阻塞現(xiàn)象的1#MBR池和1#裝置中CSS含量高達(dá)1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未發(fā)生膜組件阻塞現(xiàn)象的2#裝置中CSS含量?jī)H有36±22 mg/L。

(2)三種污泥的過(guò)濾性能有較大差異，2#裝置污泥的過(guò)濾性能最好，1#裝置污泥過(guò)濾性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的過(guò)濾性能最差。從CST的測(cè)定結(jié)果可以看出對(duì)城鎮(zhèn)污水進(jìn)行高精度污水雜質(zhì)分離有利于提高剩余污泥的脫水性能。

(3)污泥混合液中的EPS和SMP三維熒光圖譜分析表明預(yù)處理精度的不同主要對(duì)MBR污泥中SMP的成分造成了一定影響，并影響各個(gè)MBR系統(tǒng)的膜污染速率，而預(yù)處理精度對(duì)污泥中EPS成分的影響不大。

(4)微生物多樣性分析結(jié)果表明，污水中雜質(zhì)被去除的同時(shí)，污泥中的微生物種群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，對(duì)污水處理有重要作用的微生物在這一過(guò)程中得到了富集。

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