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【蘭州純水設(shè)備http://smarts-edu.cn】構(gòu)建了移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)-膜生物反應(yīng)器(MBR)組合工藝處理生活污水,考察了其對(duì)污染物的去除效果和膜污染情況。結(jié)果表明,MBBR-MBR對(duì)NH4+-N和COD的去除率均能達(dá)到97%以上。MBR中跨膜壓隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)呈先慢速增加后快速增加的特點(diǎn),活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)和微生物代謝產(chǎn)物(SMP)是膜污染的重要物質(zhì),普通的化學(xué)清洗并不能使MBR膜組件恢復(fù)到新膜的水平,膜污染呈不可逆性。EPS的表觀分子量分布較廣泛,而SMP的表觀分子量呈單峰特征,主要以小分子量物質(zhì)為主。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)工藝是一種新型高效的污水處理方法,依靠曝氣和水流的提升作用使填料處于流化狀態(tài),進(jìn)而逐漸形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜,使移動(dòng)床生物膜充分利用整個(gè)反應(yīng)器空間,發(fā)揮附著相和懸浮相生物的優(yōu)越性,使之揚(yáng)長(zhǎng)避短,相互補(bǔ)充。與以往填料不同的是,懸浮填料因能與污水多次接觸而被稱為“移動(dòng)的生物膜”。MBBR工藝綜合了傳統(tǒng)流化床以及生物接觸氧化法的優(yōu)點(diǎn),其適應(yīng)性很強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,并且水頭損失小、不堵塞、無(wú)需反沖洗,有著良好的抗沖擊負(fù)荷的能力[1]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)MBBR工藝處理生活污水、工業(yè)廢水、高氨氮有機(jī)廢水、垃圾滲濾液等方面做了大量試驗(yàn)研究,均取得了良好的結(jié)果[2,3,4]。其規(guī)格可大可小,從幾t∕d的污水處理裝置到幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)t∕d的污水處理廠;其方法靈活多變,可以和多種工藝進(jìn)行自由組合,滿足不同水質(zhì)、水量場(chǎng)合,具有廣泛的應(yīng)用前景。蘭州純水設(shè)備

膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種由膜分離單元和生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù),該技術(shù)以膜組件替代二沉池,可以進(jìn)行高效的固液分離;由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中特效菌(特別是優(yōu)勢(shì)菌群)的出現(xiàn),使其生化反應(yīng)速率大大提高;同時(shí),有機(jī)負(fù)荷率(F∕M)的降低減少了剩余污泥產(chǎn)生量,甚至無(wú)剩余污泥,從而解決了傳統(tǒng)活性污泥法存在的出水水質(zhì)不穩(wěn)定、污泥容易膨脹等問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)MBR工藝已有很多研究:歐陽(yáng)雄文等[5]肯定了MBR工藝的脫氮除磷效果;Rosenberger等[6]驗(yàn)證了MBR工藝處理市政污水有很好的效果。目前,MBR工藝已在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和埃及等10多個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用[7,8]。

MBBR-MBR組合工藝是將二者有機(jī)結(jié)合起來,形成一體化的移動(dòng)床膜生物反應(yīng)器,該組合工藝與單獨(dú)的MBBR和MBR工藝相比進(jìn)一步減少了剩余污泥的產(chǎn)生量,提高了脫氮效果,減少了膜污染,抗沖擊負(fù)荷能力得到進(jìn)一步的提高[9]?，F(xiàn)有報(bào)道[10]主要研究了生物填料在反應(yīng)器中劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)碰撞膜表面濾餅層進(jìn)而造成的膜污染情況。筆者主要對(duì)各反應(yīng)器中生物質(zhì)如胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物產(chǎn)物(SMP)進(jìn)行研究,著重闡述了反應(yīng)器存在形式和表觀分子量分級(jí),以期為MBBR-MBR組合工藝膜污染理論研究提供參考,并為污水處理工藝的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。整套裝置由MBBR和MBR串聯(lián)而成,總有效容積為7 L。從圖1可以看出,2個(gè)反應(yīng)器均為圓柱形容器,底部均設(shè)有排泥閥,在MBR與MBBR之間設(shè)有污泥回流管道。MBBR中所用填料為直徑15.0 mm的聚乙烯材料,填充比為30%。MBR中膜組件所用膜為中空纖維膜,膜孔徑為0.4 μm,總有效過濾面積為0.02 m2。MBR和MBBR均設(shè)置了沙球曝氣器,給混合液充氧,使反應(yīng)器中混合液溶解氧(DO)濃度保持在6.0~7.0 mg∕L,曝氣過程中還可以產(chǎn)生水力剪切力和攪動(dòng)混合液,進(jìn)而減緩膜的污染。曝氣量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié),使其保持在1.0 L∕min。通過每天排放剩余污泥控制污泥齡(SRT)為80 d,水力停留時(shí)間(HRT)為17 h。反應(yīng)器接種污泥取自北京某污水處理廠。

在膜吸壓力初次達(dá)到35 kPa時(shí),進(jìn)行1次反沖洗;待膜吸壓力再次升至50 kPa,接近蠕動(dòng)泵的閾值時(shí)對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗,即結(jié)束反應(yīng)器運(yùn)行,取出膜組件沖洗去掉濾餅層,再采用1%的NaClO溶液將其浸泡過夜,第2天再以清水沖洗。

1.2 試驗(yàn)配水

MBBR-MBR組合工藝通過蠕動(dòng)泵進(jìn)水,進(jìn)水為人工合成生活污水,其具體組分如表1所示。

1.3 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定方法

選取NH4+-N濃度和COD作為監(jiān)測(cè)指標(biāo),以反映MBBR-MBR組合工藝的脫氮和對(duì)有機(jī)物的去除效果。試驗(yàn)中常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其分析方法如表2所示。

1.4 EPS提取及檢測(cè)

以蛋白質(zhì)、多糖、DNA、總有機(jī)碳(TOC)濃度來表征活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)的濃度。采用陽(yáng)離子交換樹脂(CER)法將活性污泥中的EPS從微生物細(xì)胞中分離出來[11]。首先將CER以70 g∕g[12]加入到80 mL活性污泥中,以130 r∕min振蕩2 h,然后將混合液以12 000 r∕min離心15 min以去除MLSS,測(cè)定上清液各指標(biāo)即為EPS和微生物代謝產(chǎn)物(SMP)濃度總和。同時(shí)取80 mL不加CER的活性污泥進(jìn)行振蕩離心,測(cè)定上清液各指標(biāo)即為SMP濃度。EPS濃度可由差減法求得。

  以牛血清蛋白為標(biāo)樣,用蛋白質(zhì)快速測(cè)定試劑盒(Sigma-Aldrich,美國(guó))測(cè)定樣品中蛋白質(zhì)的濃度;以葡萄糖做標(biāo)準(zhǔn)曲線,用蒽酮法測(cè)定樣品中多糖的濃度[13];DNA濃度由紫外分光光度計(jì)測(cè)定260 nm處的光密度(OD260)計(jì)算得出;總有機(jī)碳(TOC)濃度由日本島津TOC分析儀測(cè)定。

1.5 EPS和SMP表觀分子量分級(jí)

采用超濾膜法進(jìn)行EPS和SMP分子量分級(jí)的測(cè)定。選用美國(guó)Millipore公司的YM系列超濾膜,其對(duì)應(yīng)的截留分子量分別為1、10、100 kDa。氮?dú)饧訅撼瑸V器(8200型,美國(guó)Amicon公司),其有效容積為200 mL,有效過濾面積為28.7 cm2,最大耐壓為517.2 kPa,內(nèi)設(shè)磁力攪拌裝置。膜過濾采用平行法,即將待測(cè)樣品先用0.45 μm玻璃纖維膜過濾,出水分別通過分子量由大到小的超濾膜,測(cè)定濾出液蛋白質(zhì)、多糖、DNA和TOC的濃度,其對(duì)應(yīng)的分子量分布區(qū)間用差減法求得。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

MBBR-MBR組合工藝的基本參數(shù)如表3所示。從表3可以看出,NH4+-N和COD的平均去除率分別為99.2%和97.2%,表明該組合工藝對(duì)NH4+-N和COD均有較好的去除效果。一方面,由于微生物附著生長(zhǎng)在填料表面形成生物膜,曝氣使其處于流化狀態(tài),保證了良好的傳質(zhì)條件,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)污染物的高效去除;另一方面,MBR膜組件的完全截留作用使MBR的污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間完全分離,同時(shí)保持了反應(yīng)器內(nèi)很高的污泥濃度,使大量硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)積累,從而有利于NH4+-N的去除。Shore等[4]驗(yàn)證了MBBR對(duì)NH4+-N有很高的去除率,可達(dá)90%。Wang等[14]采用缺氧∕好氧MBR處理食品廢水,NH4+-N進(jìn)水濃度高達(dá)400~660 mg∕L時(shí),去除率超過91%。王勇等[15]對(duì)MBR運(yùn)行過程中活性污泥沉降性能對(duì)膜污染的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,隨著污泥容積指數(shù)(SVI)的增大,膜污染平均速率呈增加趨勢(shì),膜過濾周期逐漸縮短,因此在實(shí)際MBR系統(tǒng)運(yùn)行過程中,應(yīng)盡可能控制和維持SVI在較低的范圍,以延長(zhǎng)膜污染周期,減少運(yùn)行費(fèi)用。本試驗(yàn)中SVI平均值低于200,總體膜污染情況處于良好狀態(tài)。

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2.2 膜污染情況

MBR反應(yīng)器跨膜壓隨運(yùn)行時(shí)間變化見圖2。從圖2可以看出,隨反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間增加,跨膜壓增大速率先慢后快。膜表面的泥餅層處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),成為過濾的主要阻力[16]。運(yùn)行40 d時(shí),MBR內(nèi)跨膜壓達(dá)到35 kPa,首次對(duì)膜進(jìn)行反沖洗,反沖洗后跨膜壓有所降低;運(yùn)行54 d時(shí)跨膜壓達(dá)到45 kPa,對(duì)膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗,清洗后跨膜壓降至1 kPa;隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,很快又出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象,且污染速度較反應(yīng)器使用新膜的初始階段更快,不到30 d跨膜壓便達(dá)到35 kPa,表明普通的化學(xué)清洗并不能使MBR膜組件恢復(fù)至新膜水平,這可能是由于一些小粒徑物質(zhì)吸附在膜表面堵塞了膜孔所致。Wisniewski等[17]用微濾膜過濾城市污水處理廠的污泥,考察不同膜面流速下溶解性物質(zhì)對(duì)膜污染的影響,得出溶解性物質(zhì)引起的膜污染幾乎構(gòu)成了50%的膜過濾阻力。Meng等[18]報(bào)道了SMP除了容易在膜面沉積外,還會(huì)引起膜孔濾餅層內(nèi)后生孔道的堵塞,使膜阻力大幅升高。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,膜組件清洗的周期隨著運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸縮短,說明有些膜污染是不可逆的。

2.3 EPS和SMP各組分濃度

表征EPS和SMP的各組分濃度如表4所示。從表4可以看出,在MBBR和MBR反應(yīng)器中,以TOC表征的EPS濃度最高,以TOC表征的SMP濃度較低。DNA是EPS的重要組分,在MBBR和MBR中濃度分別為6.70和7.10 mg∕g。多糖是SMP重要組分,且MBR中多糖濃度明顯高于MBBR,但蛋白質(zhì)和DNA濃度相差不大。

膜污染是影響MBR長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膜污染的主要影響因素進(jìn)行了大量研究。在膜污染產(chǎn)生過程中,雖然一些小分子物質(zhì)會(huì)堵塞膜孔,但濾餅層的形成是影響膜污染的主要因素之一,在膜組件運(yùn)行過程中活性污泥微生物絮體會(huì)很快在膜表面沉積形成濾餅層,從而造成膜通量的下降。微生物代謝產(chǎn)物EPS和SMP對(duì)膜污染有重要影響,活性污泥性質(zhì)分析是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Drews等[19,20]認(rèn)為EPS是膜阻力主要貢獻(xiàn)者,EPS濃度與活性污泥中濾餅層阻力的回歸相關(guān)系數(shù)大于0.9,且在活性污泥的每一個(gè)生理狀態(tài),EPS濃度越高,膜污染越嚴(yán)重。不同種類的EPS對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)程度不同,Mukai等[21]發(fā)現(xiàn),超濾的膜通量與EPS中蛋白質(zhì)和多糖的比例有關(guān),膜通量隨著蛋白質(zhì)比例的減少而增加。張洪杰等[22]通過模擬膜污染的過程,并采用掃描電鏡觀察新膜及污染膜表面,發(fā)現(xiàn)SMP對(duì)膜污染有重要影響,在濾餅層形成的過程中,SMP會(huì)不斷地填充微生物絮體之間的空隙,從而使濾餅層變得更加緊密,因此濾餅層的緊密程度與SMP的濃度有很大關(guān)系,從而影響膜污染的速度。

2.4 EPS和SMP表觀分子量分布醫(yī)院用純水設(shè)備

通過逐級(jí)超濾法對(duì)EPS中各組分進(jìn)行了表觀分子量分級(jí)試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,蛋白質(zhì)以分子量大于100 kDa的大分子量物質(zhì)為主,在2個(gè)反應(yīng)器中的濃度均在0.2 mg∕g以上,占40%~47%;分子量小于1 kDa的物質(zhì)次之,為0.14~0.17 mg∕g;分子量為1~100 kDa的物質(zhì)濃度最低,約為0.1 mg∕g,僅占20%左右。MBBR中小分子量物質(zhì)濃度大于MBR,其余分子量的物質(zhì)濃度相差不大。多糖各分子量的物質(zhì)濃度相差不大,小于1 kDa的小分子量物質(zhì)和10~100 kDa物質(zhì)的濃度接近,為0.5 mg∕g左右,占22%~34%。但在MBBR中小分子量物質(zhì)的濃度明顯高于MBR。DNA的分子量分布規(guī)律和蛋白質(zhì)相反,小分子量物質(zhì)濃度明顯高于其他分子量,在2個(gè)反應(yīng)器中均超過2.5 mg∕g,且相差不大,占50%左右;而大分子量物質(zhì)濃度和中間分子量物質(zhì)濃度均呈現(xiàn)MBBR中高于MBR。TOC的分子量分布規(guī)律和蛋白質(zhì)基本相同,但其大分子量物質(zhì)濃度更高,在MBBR中達(dá)到了3.0 mg∕g,約占51%,在MBR中也達(dá)到了2.4 mg∕g,約占48%;中間分子量物質(zhì)濃度次之,約為1.5 mg∕g;小分子量物質(zhì)濃度約為1.0 mg∕g,占20%左右。

SMP中各組分分子量分布如圖4所示。從圖4可以看出,蛋白質(zhì)的分子量分布以小分子量物質(zhì)為主,其濃度遠(yuǎn)高于其他分子量物質(zhì),在2個(gè)反應(yīng)器中均超過1.3 mg∕g,約占80%,且MBBR中濃度大于MBR;其他分子量物質(zhì)濃度均較低,不足0.2 mg∕g。多糖的分子量分布規(guī)律與蛋白質(zhì)基本相同,也是以小分子量物質(zhì)為主,占50%以上;中間分子量物質(zhì)濃度與大分子量物質(zhì)濃度較接近,均在0.3 mg∕g左右。DNA的分子量分布也以小分子量物質(zhì)為主,濃度約為0.5 mg∕g,占55%以上;其次是中間分子量物質(zhì),中間分子量物質(zhì)中又以1~10 kDa分子量物質(zhì)為主,占30%左右;大分子量物質(zhì)濃度較低,在MBBR中為0.05 mg∕g,在MBR中濃度更低,僅占6%。TOC的分子量分布與DNA相似,不同分子量的物質(zhì)濃度由高到低依次為小分子量物質(zhì)(占50%以上)、中間分子量物質(zhì)、大分子量物質(zhì)(占20%以下),且MBBR中的大分子量物質(zhì)濃度低于MBR,中間分子量物質(zhì)濃度高于MBR。

總體來說,MBBR-MBR組合工藝中,MBBR與MBR中EPS和SMP的表觀分子量分布規(guī)律差別不大。2個(gè)反應(yīng)器中EPS表觀分子量分布均較廣,SMP的表觀分子量分布主要集中于小于1 kDa的物質(zhì),呈單峰特征。MBBR內(nèi)分子量小于1 kDa的物質(zhì)濃度高于MBR。有研究認(rèn)為小分子量物質(zhì)會(huì)堵塞膜表面孔隙,并可沉積在表面形成黏液層,從而引起膜污染[23]。董濱等[24]對(duì)不同泥齡下MBR中SMP的膜污染行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),SMP中的碳水化合物較蛋白質(zhì)更易在MBR中積累,污泥齡短時(shí)尤為顯著,SMP組分對(duì)膜污染的影響為碳水化合物>蛋白質(zhì),小分子量組分>大分子量組分。

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 (1)MBBR-MBR組合工藝對(duì)人工合成生活污水的處理效果良好,NH4+-N和COD的去除率都很高,是一種穩(wěn)定、高效的污水處理工藝。

(2)MBR跨膜壓隨反應(yīng)器運(yùn)行逐漸增大,增加速度先慢后快,由于小粒徑物質(zhì)堵塞了膜孔徑,普通的化學(xué)清洗并不能使MBR膜組件恢復(fù)到新膜的水平。

(3)MBBR和MBR反應(yīng)器中,DNA是EPS的主要組分,而多糖是SMP的主要組分,EPS與SMP是膜污染的重要物質(zhì)。

(4)EPS的表觀分子量分布范圍較廣,SMP的表觀分子量分布呈單峰特征,主要以小分子量物質(zhì)為主。蘭州去離子水設(shè)備，蘭州水處理設(shè)備， 工業(yè)純水設(shè)備，醫(yī)院用純水設(shè)備。