膜生物反應(yīng)器操作條件對EPS含量及膜污染的影響

1、第30卷 第6期膜 科 學(xué) 與 技 術(shù)V o l. 30 N o. 62010年12月M EM BR AN E SCI EN CE A ND T ECH N OL OG Y Dec. 2010膜生物反應(yīng)器操作條件對EPS 含量及膜污染的影響楊文靜, 樊耀波*, 徐國良, 袁棟棟, 于 艷(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制室, 北京100085摘 要:通過3組平行膜生物反應(yīng)器(M BR 的長期實驗, 考察了不同污泥負(fù)荷和曝氣強度下, 膜污染狀況、EPS 濃度及其組分含量之間的關(guān)系. 結(jié)果表明:污泥負(fù)荷越高, 混合液中所含溶解性EPS 含量越高, 被污染膜片所粘附的多糖也越多, 膜污染速率越快

2、; MBR 混合液的可過濾性與溶解性EPS, 特別是多糖有較好的線性關(guān)系, 這表明多糖是重要的膜污染物質(zhì). 當(dāng)污泥負(fù)荷在0. 08kg COD/(kgM LV SS d 左右時, 反應(yīng)器能較長時間穩(wěn)定運行. 在穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中, 曝氣強度對EPS 濃度影響不明顯.關(guān)鍵詞:M BR; 胞外聚合物; 膜污染; 污泥負(fù)荷; 曝氣量中圖分類號:T Q028. 8; X703. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1007 8924(2010 06 0041 08膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, MBR 是將膜技術(shù)和生物處理技術(shù)結(jié)合的一種新型、高效和發(fā)展中的污水處理工藝技術(shù)1, 具有出水水質(zhì)

3、好、污泥產(chǎn)率低和脫氮效果好等優(yōu)點2.MBR 出水水質(zhì)優(yōu)良的一個重要原因是其具有有效截留水中膠體物質(zhì)的作用, 這是其特有的技術(shù)優(yōu)勢, 然而, 這又造成了被膜截留膠體物質(zhì), 特別是微生物胞外聚合物(EPS, Extracellular poly meric substances 在生物單元的積累和對膜的污染. 膜污染導(dǎo)致MBR 通量下降、增加膜組件清洗和更換頻率、增加MBR 投資和運行費用, 嚴(yán)重阻礙著MBR 的大規(guī)模推廣和應(yīng)用.在MBR 中, EPS 一般有兩種存在形式, 一種是以松散狀態(tài)存在于液相的膠體或溶解性物質(zhì), 即溶解性EPS(dissolved EPS, s -EPS ; 另一種是以附

4、著狀態(tài)存在于細(xì)胞壁上的包囊類聚合物, 即附著性EPS(bound EPS or extracted EPS, b -EPS 3. EPS 作為一種優(yōu)勢膜污染物已被大量研究證明和學(xué)界承認(rèn)1.近年來, 有關(guān)M BR 中EPS 方面的研究報道已較多, 但是大多研究針對的EPS 問題較為局限和孤立, 對所研究問題間的相互關(guān)系、M BR 運行條件對EPS 產(chǎn)生量的影響、進而通過運行條件和控制參數(shù)優(yōu)化來控制EPS 膜污染的研究報道較少. 此外, 已有EPS 研究采用的原水大多以人工配水為主, 研究結(jié)果與處理實際廢水的情況存在一定差異. 因此, 通過研究M BR 運行參數(shù)對E PS 產(chǎn)生的影響規(guī)律, 以探索

5、有效控制M BR 中EPS 膜污染的途徑與方法, 對M BR 研究與應(yīng)用具有明顯科學(xué)和實用價值.本研究以實際生活污水為處理對象, 通過長期運行3套平行的M BR 系統(tǒng), 重點考察不同污泥負(fù)荷和曝氣強度對MBR 中EPS 濃度的影響及其與膜污染的關(guān)系, 以探討膜污染控制機理、有效防止膜污染的途徑、最佳運行條件和操作參數(shù), 為新型M BR 的開發(fā)研究與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和參考.1 實驗裝置、儀器與方法1. 1 實驗裝置實驗在3組平行一體式M BR 實驗裝置上同步進行; 每組實驗裝置容積為12L, 裝置示意圖參見圖1.收稿日期:2009 11 02; 修改稿收到日期:2009 12 21基金項目:國家

6、高級技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 項目(2006A A 06Z333 ; 國家自然科學(xué)基金資助項目(50678168 , , , , . 圖1 實驗裝置圖Fig. 1 Diag ram o f M BR ex periment setups實驗通過選定和保持不同操作條件, 觀察MBR 的水處理效能、EPS 含量、組分及膜污染狀況. 實驗裝置中采用的膜組件為平板膜. 膜組件參數(shù)見表1.表1 膜組件參數(shù)T able 1 Specificatio ns of the membrane modules項 目參數(shù)說明制造廠商中科膜平均膜孔徑/ m 0. 24有效膜組件寬/cm 10有效膜組件長/cm 10單

7、片有效膜面積/m 20. 02固有膜阻力R m /m -13. 4510111. 2 實驗水質(zhì)及污泥接種實驗原水為本研究中心雜排水, 實驗水質(zhì)見表2. 接種污泥取自本研究中心污水處理站. 在反應(yīng)器正式運行前, 對接種污泥馴化約30天, 然后把馴化后的污泥混合液平均分配到3個平行反應(yīng)器中, 每個反應(yīng)器的污泥濃度調(diào)節(jié)到約4000m g/L.表2 實驗水質(zhì)T able 2 Composition of feed w ater 項 目濃度COD/(mg L -1 190320BOD 5/(mg L -1 80240氨氮/(mg L -1 3566總磷(mg L -1 415pH7. 68. 3濁度/(

8、N T U 40601. 3 實驗儀器與方法1. 3. 1 實驗儀器實驗中常規(guī)項目測定采用的儀器與方法參見表3.表3 實驗儀器與方法T able 3 Inst ruments of t he ex per iments 測定項目實驗儀器污泥黏度N DJ -1旋轉(zhuǎn)式黏度計濁度L P2000濁度儀COD ET 3150B 多功能消解器氨氮納氏試劑比色法M L SS 、M L V SS 、V SS重量法1. 3. 2 胞外聚合物提取與分析EPS 是對多種不同類的高分子物質(zhì)的總稱, 包括多糖、蛋白質(zhì)、糖醛酸、核酸、腐殖酸、(磷 脂類以及其他位于細(xì)胞表面和細(xì)胞間隙的聚合物質(zhì), 主要來源于微生物的分泌、細(xì)

9、胞表面產(chǎn)生和脫落的物質(zhì), 如鞘壁、莢膜、黏液以及微生物對原水基質(zhì)和上述物質(zhì)消解的產(chǎn)物等4.理論上, EPS 組成和各組分含量主要取決于M BR 所處理污水的類型和反應(yīng)器的操作條件. 但是, 由于不同生物聚集體中EPS 性質(zhì)的不同, 各研究者提取EPS 的目的不同, 所以, 迄今為止對EPS 提取和分析還沒有一個統(tǒng)一的方法. 值得注意的是, 這些方法大都是非完全定量的, 通常是對部分EPS 的提取和分離, 而且在提取過程中可能發(fā)生細(xì)胞破裂和聚合物的破壞5. 經(jīng)過對多種方法的比較, 本實驗選擇加熱離心法6分別提取溶解性EPS (s -EPS 和固著性EPS(b -EPS. 胞外聚合物具體的提取與分

10、析流程參見圖2.膜表面EPS 的測定方法:將膜組件取出, 輕輕刮下膜片上污泥, 并用蒸餾水沖洗, 將清洗液和污泥稱重并攪拌均勻, 再按照b -EPS 提取方法測定, 將測定結(jié)果換算成單位mg /m 2.由于EPS 的主要成分是多糖和蛋白質(zhì), 兩者T OC 占整個EPS 的70%80%7, 所以本文用多糖和蛋白質(zhì)之和來表征EPS. 其中多糖測定采用蒽酮比色法, 以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物8. 蛋白質(zhì)測定采用Bradford(考馬斯亮藍(lán) 法, 以牛血清蛋白(BSA 為標(biāo)準(zhǔn)物9. 圖2 EPS 的提取流程方法F ig. 2 Pro cesses and methods fo r EP S ex tr acti

11、on1. 3. 3 膜污染表征方法(1 膜污染表征:根據(jù)達(dá)西定律1, 膜污染用膜阻力來表征, 其中膜總過濾阻力R t 由膜固有阻力R m 和膜污染阻力R f 組成, 參見式(1.J = p /( R t = p / (R m +R f (1式中, J 為膜通量, m 3/(m 2 s ; p 為膜兩側(cè)的壓力差, Pa; 為濾出液黏度, Pa s; R t 為膜總過濾阻力, m -1; R m 為膜固有阻力, m -1; R f 為膜污染阻力, m -1(2 混合液過濾指數(shù)(FI 6:混合液過濾指數(shù)(FI 為在保持過膜壓差(1kPa 條件下, 采用0. 2 m 微孔濾膜過濾混合液和清水30m i

12、n 所得透水量之比, 參見式(2. FI 值高表示混合液過濾性好.F I =Q 1/Q 2(2式中, Q 1為30m in 過濾混合液的膜透水量, mL; Q 2為30min 過濾清水的膜透水量, mL.2 結(jié)果與討論2. 1 污泥負(fù)荷對EPS 及膜污染的影響污泥負(fù)荷(F/M 在一定程度上反應(yīng)了生化水處理工藝有機物的供給情況, 探討F/M 對M BR 處理效果、活性污泥性質(zhì)、EPS 產(chǎn)生量、組成及其對膜污染的影響具有重要實際意義.在本部分實驗中, 每個反應(yīng)器中放置兩片完全相同的膜組件作為考察對象, 考察不同污泥負(fù)荷下膜污染狀況. 為了使3個反應(yīng)器具有不同的負(fù)荷, 在MBR1和M BR2中分別增

13、設(shè)膜面積為0. 04m 2和0. 02m 2的一組膜片, 以增加膜生物反應(yīng)器產(chǎn)水量. 多增加膜組件的出水壓差、運行時間、清洗方式等均, , ,不考察其膜污染狀況, 在反應(yīng)器運行過程中, 視具體情況對這兩組增加膜片進行清洗, 以保持M BR1和M BR2具有較高的污泥負(fù)荷. 本部分其他實驗操作條件保持一致, 實驗連續(xù)運行108天, 各反應(yīng)器具體操作條件參見表4.表4 反應(yīng)器操作參數(shù)T able 4 Operational conditio ns o f the submer ged M BR S項 目M BR 1M BR 2M BR 3反應(yīng)器有效容積/(L 12污泥齡(day 30曝氣強度/(m

14、 3 h -1 0. 23溫度/(# 2529抽停時間比4min 運行1min 停膜面積/(m 2 0. 04(考察膜組件 平均通量/(L m -2 h -1 15(考察膜組件產(chǎn)水量/(L h -11. 831. 220. 61總膜面積/m 20. 080. 060. 04水力停留時間/h 6. 613. 419. 8污泥負(fù)荷/kg COD(kgM L V SS d -10. 150. 180. 100. 120. 070. 082. 1. 1 水處理效果表5給出了3個反應(yīng)器運行108天COD 去除率的分析結(jié)果. 通過上清液COD 濃度和膜出水COD 濃度可以看出生物反應(yīng)器和整個MBR 有機物

15、的去除效果. 從表5可以看出, 3個反應(yīng)器COD 去除率均達(dá)到87%以上, 其中生物反應(yīng)器對COD 去除率貢獻(xiàn)為77%87%, 膜截留對COD 去除率貢獻(xiàn)為6%10%.隨著反應(yīng)器污泥負(fù)荷的增加, 有(kgM LV SS d 左右時, 反應(yīng)器可具有較好的水處理效果.表5 COD 平均去除率、溶解氧濃度以及比耗氧速率T able 5 A ver age of CO D remo val, DO and SOU R M BR COD/(mg L -1 (CO D 去除率/%進水上清液膜出水M BR119032057. 1(77. 2 32. 5(87. 0 M BR219032044. 8(82.

16、1 21. 3(91. 5 M BR319032032. 4(87. 017. 7(93. 12. 1. 2 污泥濃度和污泥黏度污泥濃度和污泥黏度是有關(guān)膜污染的常用影響因子和控制參數(shù). 從圖3可以看到, 3個反應(yīng)器的污泥濃度, 均隨著系統(tǒng)運行時間的增加而逐漸增大, 且污泥負(fù)荷越高, 增長速度越快; 而在系統(tǒng)運行60天之后, 趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài), 即反應(yīng)器中污泥增長速率和排泥速率達(dá)到動態(tài)平衡.本文的污泥黏度指反應(yīng)器污泥混合液黏度. 在相同環(huán)境條件下, 污泥黏度的大小反映了反應(yīng)器內(nèi)混合液的粘滯性. 由圖4可以看到, 3個反應(yīng)器中的污泥黏度都呈現(xiàn)逐漸增長趨勢, 且污泥負(fù)荷越大, 污泥濃度越高, 粘滯

17、性增長越快.2. 1. 3 EPS 與膜污染狀況由表6和表7可知, 隨著反應(yīng)器污泥負(fù)荷的增加, s -EPS 總量和其中多糖呈增加趨勢, 而b -EPS 及其組分未發(fā)現(xiàn)此規(guī)律, 且在s -EPS 中, 多糖占了較大比例, 而在b -EPS 中, 蛋白質(zhì)占了較大比例. 圖5給出了膜污染阻力隨時間的變化趨勢. 由圖5可知, 污泥負(fù)荷越高的系統(tǒng), 膜污染阻力(R f 上升越快. 該實驗結(jié)果表明, s -EPS 在膜污染中起到很大作用, 其含量越多, 膜污染速率越快.圖5出現(xiàn)的小峰是在反應(yīng)器連續(xù)運行的第13天, 由于污水泵堵塞, 進水中斷, 而反應(yīng)器仍在出水, 導(dǎo)致膜片小部分露出水面, 膜堵塞情況加重

18、, 壓力均有所上升. 情況發(fā)現(xiàn)之后立即停止出水, 在反應(yīng)器空曝氣12h 后, 再次啟動, 過膜壓力基本回落到之前水平.表6 混合液s-EPS 的平均組分含量及比值T able 6 A ver age of s-EPS in the mix ed liquo r 項 目s -EPS M BR1M BR2M BR3總量/(mg L -1 14. 108. 207. 74蛋白質(zhì)/(mg L -1 4. 513. 444. 15多糖/(mg L -1 9. 594. 763. 59蛋白質(zhì)/多糖0. 470. 721. 16蛋白質(zhì)/總EPS0. 320. 420. 54 表7 混合液b -EPS 的平均

19、組分含量及比值T able 7 Av erag e of b EPS in the m ixed liquor項 目b -EPS M BR1M BR2M BR3總量/mg (g V SS -135. 0631. 6038. 53蛋白質(zhì)/mg (g V SS -124. 5622. 7027. 23多糖/mg (g V SS -110. 508. 9011. 30蛋白質(zhì)/多糖2. 312. 552. 41蛋白質(zhì)/總EPS0. 700. 720.71 圖5 膜污染阻力隨時間的變化趨勢實驗結(jié)束后, 測試了3個反應(yīng)器的混合液過濾指數(shù)F I 、混合液EPS 以及被污染膜片上的附著EPS. 由圖6看出,

20、隨著反應(yīng)器負(fù)荷的增加, 其混合液可過濾性逐漸變差, 且過濾指數(shù)與混合液中的溶解性EPS, 尤其是其中的多糖呈現(xiàn)一定的線性負(fù)相關(guān)性. 而附著性EPS 則與過濾指數(shù)無明顯相關(guān)關(guān)系. 由此也可以得出, 溶解性多糖是一種重要的膜污染物質(zhì). 圖6 混合液過濾指數(shù)FI 與EPS 含量的關(guān)系F ig. 6 R elationship between FI and EPSin the mix ed liquid圖7顯示了污染膜片上粘附EPS 的含量. 可以看出, 隨著3個反應(yīng)器污泥負(fù)荷的增加, 膜片上所粘附EPS 中多糖數(shù)量也逐漸增加, 蛋白質(zhì)數(shù)量則基本持平. 由此也可以得出, 多糖和蛋白質(zhì)都是膜污染物質(zhì),

21、多糖者對膜污染的貢獻(xiàn)更大. 圖7 污染膜片粘附EPS 的含量由實驗結(jié)果可知, 較高的MBR 污泥負(fù)荷, 會使其混合液中的溶解性EPS, 特別是多糖增多, 使污泥濃度、污泥黏度提高、混合液的粒徑分布趨小及可過濾性變差, 從而導(dǎo)致膜工作壓力升高, 膜污染速率加大. 反之, 污泥負(fù)荷較低時, 因底物較少, 水中溶解性、膠體性有機物被降解和吸收得更徹底, 水中EPS 減少, 有利于混合液可過濾性的提高和膜污染的控制. 污泥負(fù)荷在0. 08kg COD/(kgM LVSS d 左右時, 反應(yīng)器具有較好的水處理效果、較穩(wěn)定的運行狀況和產(chǎn)生較低的膜污染.2. 2 曝氣量對EPS 及膜污染的影響以往有關(guān)M B

22、R 曝氣量的研究, 主要側(cè)重在曝氣強度對膜污染減緩上, 關(guān)于曝氣量對活性污泥性質(zhì)和EPS 含量影響的研究報道較少. Ji 和Zhou 10等曾研究認(rèn)為, 曝氣量會直接影響絮體中EPS 的數(shù)量和沉積在膜表面EPSp 和EPSc 的比例. Par k11研究認(rèn)為, 曝氣量太大會破壞污泥絮體結(jié)構(gòu), 使更多的EPS 被釋放到混合液中. 雖然, 以上研究報道涉及到曝氣量對活性污泥性質(zhì)和對EPS 的影響問題, 但在MBR 新型工藝開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計和運行參數(shù)探索中, 曝氣量對EPS 及膜污染的影響仍需開展更多深入細(xì)致的研究工作.本部分研究工作, 采用與圖1同樣的3組平行M BR, 進行了110天連續(xù)運行實驗,

23、 系統(tǒng)考察了曝氣量對反應(yīng)器水處理效果、膜通量、污泥濃度、EPS 濃度和膜污染的影響. 實驗操作參數(shù)見表8.表8 反應(yīng)器操作參數(shù)T able 8 Operational conditio ns o f the submer ged M BR S項 目M BR 1M BR 2M BR 3反應(yīng)器有效容積/L 12膜片數(shù)3膜面積/m 20. 06污泥齡/d30污泥負(fù)荷/(kgCOD (kgM L V SS d -10. 1平均通量/(L m -2 h -1 20溫度/#17. 526. 6抽停時間比4min 運行1min 停水力停留時間/h 12曝氣量/(m 3 h -10. 150. 250. 45

24、 3個反應(yīng)器計算的表觀氣水比分別是150, 250,450, 但由于膜清洗所需的氣水比直接與膜的高度負(fù)46 膜 科 學(xué) 與 技 術(shù) 第 30 卷 第6期 楊文靜等: 膜生物反應(yīng)器操作條件對 EPS 含量及膜污染的影響 47 及蛋白質(zhì)/ 多糖的變化趨勢. 其中多糖的變化趨勢和 s- EP S 相似, 而蛋白質(zhì)含量則相對比較穩(wěn)定, s EPSp/ s- EP Sc 隨著 運行時間的增加而減小. 但總 體而言, 在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的后期, 曝氣量或曝氣強 度對溶解性 EPS 濃度影響不明顯. 2. 2. 4 固著性 EP S 圖 10 給出了 b - EP S 及其組分, 蛋白質(zhì)和多糖 比例隨時間的變化

25、. 由圖 10( a, b 可以看出, 在整個 系統(tǒng)運行期間, s- EPS 和 b - EPS 含量較穩(wěn)定, 但 總體上呈現(xiàn)緩慢下降趨勢. 在曝氣量最大的 M BR3 中, b - EPS 含量高于另外兩個反應(yīng)器. 圖 10( b 顯 示了 3 個反應(yīng)器中 b- EPS 蛋白質(zhì), 多糖及蛋白質(zhì)/ 多糖隨時間的變化狀況. 在前 30 天里, 蛋白質(zhì)/ 多糖 在 3 個反應(yīng)器中依次為 M BR3 MBR2 MBR1, 之 后 M BR1 中蛋白質(zhì)/ 多糖比例上升, 超過 M BR2 和 M BR3. 分析其原因是不同曝氣 量下活性污泥中溶 解氧含量不一樣, 導(dǎo)致微生物生長速率和生長狀態(tài) 不同,

26、從而使其產(chǎn)物也不同. L iao 等 12 也認(rèn)為微生 物生長速率的改 變會影響其產(chǎn)物 EP S 的組成. 但 是, 在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的后期, 類似溶解性 EP S, 曝氣 量對固著性 EPS 濃度的影響同樣不明顯. 3 結(jié)論 1 污泥負(fù)荷是 M BR 中 EPS 含量的一個重要 影響因素. 污泥負(fù)荷越高, 混合液中所含有的溶解性 EPS 濃度或含量越高, 膜污染 速率越快. 污泥負(fù)荷 為 0. 08 kgCOD/ ( kg ML VSS 的膜污染速率. 2 M BR 中隨著污泥負(fù)荷的增加, 混合液可過 濾性變差, 且混合液過濾指數(shù) FI 與混合液中的溶 解性 EPS, 尤其是其中的多糖呈現(xiàn)較好

27、的負(fù)線性相 關(guān)性; 附著性 EP S 則與混合液過濾指數(shù)相關(guān)關(guān)系不 明顯; 混合液 中溶解性 EPS 的多糖是主 要膜污染 物質(zhì). 3 隨著反應(yīng)器 負(fù)荷的 增加, 膜 片上所附 著的 EPS 中多糖數(shù)量也逐漸增加, 蛋白質(zhì)數(shù)量則基本持 平. 膜片上所附著 EP S 的多糖和蛋白質(zhì)都是膜污染 物質(zhì), 而多糖對膜污染的貢獻(xiàn)更大. 4 在 M BR 運行初期, 曝氣量不同對 EP S 含量 和組分均有所影響. 隨著曝氣量的增加, s - EPS 和 b - EPS的含量及多糖成分有所 增加, 但 在長期穩(wěn) 定運行的 M BR 系統(tǒng)中, 曝氣量對 EP S 總體濃度影 響不明顯. 參 考 文 獻(xiàn) d

28、左右時, M BR 會 具有較好的水處理效果、 較穩(wěn)定的運行狀況和較低 1 顧 國 維, 何 義 亮. M BR 在污 水 處 理 中 的 研 究 與 應(yīng)用 M . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002: 1- 2, 292. 2 Williams M D, P irbazari M . M embrane bior eactor process for remov ing biodeg radable o rg anic matter from water J . Water Res, 2007, 41( 17 : 3880- 3893. 圖 10 F ig. 10 b- EP S 及其組分蛋

29、白質(zhì)和多糖的 比例隨時間的變化 Changes of b - EP S and the com ponents in the sludg e flo cs 3 Rosenber ger S, K raume M . Filter ability of activated sludg e in membr ane bio reactor s J . Desalinatio n, 2002, 146( 1- 30 : 373- 379. 4 Laspidou C S, Rittmann B E. A unif ied theo ry fo r ex 48 tr acellular polymeri

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35、imet r ic metho d fo r deter minat ion o f sugar s and related sub The effect of operation conditions on EPS concentration and membrane fouling in MBR YA N G Wenj ing , F A N Yaobo , X U G uoliang , Y UA N D ongd ong , Y U Yan ( Departm ent o f Water Pol lut ion Cont rol T echnolog y, Research Cente

36、r for Eco Environment al Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China Abstract: In t his paper, t hr ee set s of m em brane bior eacto r ( MBR w ere o perat ed t o ex amine their per f orm ance, including t he m em brane fo uling, the concent rat io n and com po sit io n of ex t racellular po lymeric subst ances( EPS in dif ferent operat ion conditio ns. T he result s show ed t hat hig her F/ M cont ribut ed to more s EP S i