复合式膜生物反应器泥饼层中EPS含量及其与膜污染的关系

第4卷第5期2009年5月357复合式膜生物反应器泥饼层中EPS含量及其与膜污染的关系吴成泽，刘永军，杜于蛟，刘强（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055）摘要：对复合式膜生物(HMBR)反应器出水水质以及泥饼层中胞外聚合物(EPS)含量进行116d的监测，进一步研究了EPS含量与膜污染的关系。结果发现，泥饼层中EPS含量与膜污染呈明显的线性相关关系，其中致密性PSE(TB)的含量远高于松散性EPS(LB)含量，EPS在泥饼层中的积累是造成膜污染的重要因素之一。关键词：污水处理；膜污染；胞外聚合物；复合式膜生物反应器中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1673－7180(2009)05－0357－5RelationshipbetweenEPScontentincakeandmembranefoulingofhybridMBRWuChengze，LiuYongjun，DuYujiao，LiuQiang(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’AnUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,710055,China)Abstract:Thewaterqualityofeffluentandthecontentofextracellularpolymerasesubstances(EPS)inthecakewhichattachestothesurfaceofhollowfibremembraneinahybridmembranebioreactor(HMBR)weremonitoredfor116days.Resultsshowthatmembranefouling，whichcanbeindicatedbythetrans-membranepressure(TMP)，maybelinearlyandpositivelycorrelatedtoEPScontent,inwhichthefractionoftheboundEPSwasfarhigherthanthesoluble.TheaccumulationofEPSinthecakewasoneoftheimportantfactorswhichcausethemembranefouling.Keywords:wastewatertreatment；membranefouling；EPS；hybridmembranebio-reactor0引言膜生物反应器(MBR)是一种将膜分离单元和生物处理单元相结合的新型水处理技术，近年来受到越来越广泛的关注[1]。然而，膜污染一直是影响膜分离技术推广应用的主要因素之一[2]。因此研究膜污染的成因，寻求减少膜污染、快速恢复膜通量的方法和对策对推广膜分离技术非常重要。造成膜污染的主要是两大类物质：第一类是固体颗粒物(SS)，主要是污泥的微絮体，这类物质在膜表面沉基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50138020)作者简介：吴成泽(1982－)，男，硕士研究生通信联系人：刘永军，副教授，[e-mail]中国科技论文在线SciencepaperOnline第4卷第5期2009年5月358中国科技论文在线SciencepaperOnline积成污泥层形成可逆污染[3]；第二类是微生物代谢产物，主要为溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)，这类物质会被吸附到膜表面形成凝胶层，甚至侵入膜孔内占居膜内表面，造成不可逆污染[4]。由于膜污染问题的复杂性，人们对这两类污染物所起作用的认识仍有分歧。有研究表明，造成膜污染的主要物质是EPS[5]，膜过滤阻力的50%是EPS造成的[6]；但也有研究表明，膜过滤阻力的65%是SS造成的，而可溶性物质的影响是次要的[7]；还有研究认为，SS和可溶性有机物对膜污染的影响都不重要，胶体物质是主要的膜污染物[8]。对膜污染物质及其作用的认识影响对膜污染机理的描述及针对性措施的应用，目前这仍是膜污染问题研究的一个重要方面。本实验采用西安市北石桥污水净化中心曝气沉砂池末端水为处理的原水，研究利用复合式膜生物反应器(HMBR)处理实际污废水的过程中，EPS在泥饼层中的变化情况及其与膜污染的关系。1材料与方法1.1实验装置本实验所采用的HMBR如图1所示。所采用的膜及其参数见表1。1-筛网；2-原水泵；3-曝气池；4-生物载体；5-曝气头；6-中空纤维膜组件；7-穿孔隔板；8-自吸泵；9-流量计；10-处理水箱。图1复合式膜生物反应器装置及工艺流程Fig.1ProcessflowofHMBR表1膜组件及其参数Table1Membranemodeandparameters构型工作方式材质孔径/µm膜面积/m2内径/mm外径/mm膜壁厚/µm工作压力/kPa工作流量/(L/m2·h)外形尺寸/mm中空纤维抽吸PVDF0.2200.61.015020~5010~12530×450×10101.2操作及取样HMBR采用间歇运行方式，10min为1个过滤周期，其中抽吸8min，停2min。每10d作为1个检测周期并检测1次EPS含量。反应器水力停留时间(HRT)为10h，每隔12h排泥1次。1.3EPS分析方法实验中将EPS分为固着性,即附着粘附在细菌壁表面的固着态胞外多聚物(TB)和游离松散型，即溶解在混合液中的溶解态胞外多聚物(LB)两部分。其提取方法是：刮取膜丝上的泥饼层，加入定量蒸馏水混匀，取混合液5mL加入7mL离心管中，12000r/min高速离心20min，取其上清液作为LB；然后，把离心管底部沉淀用玻璃棒捣碎，加蒸馏水至5mL，在80℃水浴加热20min，然后12000r/min高速离心20min，取上清液作为TB。分别检测其中的多糖和蛋白质含量。多糖采用蒽酮比色法[9]；蛋白质采用Folin-酚试剂法[9]。1.4跨膜压差(pTM)测定在膜组件与真空泵相连的出水管上安装真空压力表，在真空泵抽吸时，真空压力表的读数作为pTM。1.5常规水质检测方法pH、SS、化学需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、总有机碳(TOC)、氨氮、总氮(TN)和总磷(TP)等的检测方法参照文献[10]。pH值采用ThermoOrion(奥力龙)525A型pH计测定，SS采用重量法，COD采用重铬酸钾法，BOD5采用稀释接种法，TOC采用OIAnalyticalAurora1030wTOCAnalyzer(US)，氨氮采用纳氏试剂光度法，TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，TP采用钼锑抗分光光度法。2结果与讨论2.1HMBR进水及出水水质HMBR进、出水水质如表2所示。可以看出，HMBR的出水水质良好，SS、COD、BOD5、TOC、氨氮、TN和TP的去除率分别达到100％、93％、96％、80％、95％、44％和70％。第4卷第5期2009年5月359表2膜生物反应器(HMBR)进、出水水质平均值Table2AveragewaterqualityofinfluentandefflunentofHMBRρ/(mg/L)水样pHSSCODBOD5TOC氨氮TNTP进水7.264603783004431.5037.96.35出水6.860271391.5921.41.952.2pTM的变化图2为检测的11个周期（每个周期T=10d）内取样当天pTM的变化情况。可以看出，pTM逐渐升高，说明膜污染加剧。其中在第9周期以前，膜污染比较小，表现为pTM增长比较平缓，主要原因为EPS在膜面的沉积及膜孔的堵塞，这是膜污染的第一阶段；在第9周期后膜污染进入第二阶段，pTM呈快速增加趋势，在EPS大量沉积后，膜表面性质有利于生物絮体的沉积而造成严重的膜污染，膜的表面形成大面积的泥饼层，膜面大部分流量超过临界流量，并析出凝胶层。这种状况和Cho[11]提出的膜污染“两阶段说”结果一致。图2各周期pTM变化Fig.2ChangeofpTMduringtestingperiods在第4~6周期，存在一个pTM的起伏。通常认为pTM的急剧增加是渗透流量在局部膜表面超过了其临界通量，这种变化是不可逆的。但此为一个可逆的pTM变化。从图3中可以看到，周期4~6的EPS总质量含量pTM是逐渐增长的，并未出现急剧的波动。考察混合液的污泥沉降指数(ISV)发现,第4~6周期分别为118.2、147.7和120.1mL/g。第5周期混合液的沉降性能下降表征混合液中的生物絮体颗粒粒径的改变和丝状菌的生长，这使得絮体更容易附着在膜面，形成泥饼层，从而造成膜污染。但此阶段膜表面的沉积容易在抽吸间歇期被膜表面一定流速的错流所冲刷掉，导致膜表面泥饼层阻力降低——pTM逐渐下降，从而形成膜的一次可逆污染。图3泥饼层中EPS总质量含量(w(EPS))变化Fig.3ChangeoftotalEPSincake2.3泥饼层中EPS的变化从图3和4中可以看出，所提取到的泥饼层中挥发性悬浮固体的胞外聚合物总质量含量(w(EPS)/µg/g)，随反应器的运行周期而增加，与反映膜污染程度的pTM呈明显的正比关系：pTM＝0.0525wEPS＋5.71（R2＝0.967）。随着泥饼层中的w(EPS)持续的增加，pTM最后成直线上升；此时，平均周期pTM变化率由第9周期之前的dp/dT＝0.65（kPa/周期）逐渐增大至最后3个周期的dp/dT＝2.38（kPa/周期），表明膜污染速率在第二阶段远高于前一阶段缓慢增长期的速率。泥饼层中w(EPS)达到临界值，由于膜表面的浓差极化，在膜表面析出凝胶层，形成一层液态“二次膜”，这使得过滤压力增大。所以高质量浓度的EPS是膜污染的重要因素之一。图4泥饼层EPS质量含量(w(EPS))同pTM的相关性Fig.4Relationshipbetweenw(EPS)incakeandpTM复合式膜生物反应器泥饼层中EPS含量及其与膜污染的关系第4卷第5期2009年5月360中国科技论文在线SciencepaperOnline2.4泥饼层中TB和LB的质量含量从物理意义上看，TB为紧密粘附固着在菌体表面的胞外多聚物，因此TB含量的变化也可反映泥饼层中生物絮体及细菌数量变化。w(TB)/w(LB)比值的逐渐增大表明泥饼层中沉积的生物絮体及菌胶团数量的增加。在MBR运行初期，以胶体或溶解状态、松散存在于液相中的黏性聚合物EPS相互粘附于膜孔的内表面，吸附在膜面及膜孔内，完成最初的吸附,从而使膜面的性质改变，导致细菌菌体的吸附。随着运行时间的延长，絮体菌体、菌体碎片和代谢产物大量附着沉积，再随着泥饼层的形成，其在膜表面达到沉积与脱附平衡，然后小颗粒不断填充，溶解态EPS不断粘附增加，从而析出凝胶层，使pTM进入直线上升阶段。之后，通过不断的吸附和聚合新的EPS，沉积物继续生长，随着架桥网捕作用的进行，沉积物在膜表面被固化[12]，与膜面的粘附力达到最强。泥饼层挥发性悬浮固体中LB和TB的质量含量(w)如表3所示。可以看出，w(LB)明显低于w(TB)，w(TB)与w(LB)的比值随着HMBR的运行不断增大。由图5和6知，w(LB)、w(TB)与表征膜污染程度的pTM都有很好的线性相关性，分别为：pTM＝0.449w(LB)＋5.45(R2＝0.990)；pTM＝0.057w(TB)＋5.89(R2＝0.979)。表3各周期LB和TB质量含量(w)分布Table3DistributionofLBandTBindifferentperiods周期序号12468911w(LB)/(μg/g)1.504.075.746.1413.6118.0026.70w(TB)/(μg/g)4.6315.6439.5860.7392.97121.85207.01w(TB)/w(LB)3.13.86.99.96.86.87.8有研究发现[12]，膜污染速率与溶解性的EPS关系更密切，对膜污染影响更加显著。原因是泥饼层中固