陳忠寶，戴士博

（大連大禹水處理技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116011）

膜—生物反應(yīng)處理工藝中微生物對(duì)系統(tǒng)的影響

陳忠寶，戴士博

（大連大禹水處理技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116011）

膜—生物反應(yīng)器是近年來污水處理研究的熱點(diǎn)，但受膜污染因素的影響，使其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展緩慢。由于膜—生物反應(yīng)器的運(yùn)行機(jī)理不是在生物反應(yīng)器和膜組件的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單疊加，并且由于生物特性和種類的改變，因此對(duì)系統(tǒng)的影響也不同于傳統(tǒng)的活性污泥法。由于其獨(dú)特的運(yùn)行方式使微生物種類、數(shù)量發(fā)生變化，微生物在膜—生物反應(yīng)器中不僅僅只起到去除有機(jī)物和脫氮、除磷的作用，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行也產(chǎn)生了一定的影響，尤其是對(duì)膜污染的影響。該文從微生物角度對(duì)其進(jìn)行闡述，以期為膜污染治理提供一份參考。

膜—生物反應(yīng)器；膜污染；微生物

膜—生物反應(yīng)器（Membrane Bioreactor，MBR）是由生物處理系統(tǒng)和膜分離組件組合而成的一種新型高效的污水處理與資源化工藝。在該工藝中，生物反應(yīng)器中的微生物通過新陳代謝作用去除進(jìn)水中的大部分污染物，之后膜的高效載留作用，使得微生物被完全載留在生物反應(yīng)器中，特別有利于生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、增殖緩慢的微生物如硝化菌的生長(zhǎng)，能有效去除廢水中的氨氮，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）的完全分離，能完全截留難降解的大分子有機(jī)物，延長(zhǎng)其在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，使之得到最大限度的降解。生物處理系統(tǒng)和膜分離組件的有機(jī)組合不僅提高了系統(tǒng)的出水水質(zhì)和運(yùn)行的穩(wěn)定程度［1-3］，還延長(zhǎng)了難降解大分子物質(zhì)在生物反應(yīng)器中的水力停留時(shí)間，加強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)難降解物質(zhì)的去除效果［4］。雖然在膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，高膜面流速產(chǎn)生的高剪切力作用使污泥絮體的平均尺寸較小，利于傳質(zhì)過程，但是，反應(yīng)器內(nèi)水流的劇烈紊動(dòng)使微生物在種類上有所減少，原生動(dòng)物生長(zhǎng)受到一定限制。另外，膜的高效截留作用也使生物反應(yīng)器成為一個(gè)微生物相對(duì)封閉的系統(tǒng)，伴隨著污水生物處理過程在生物反應(yīng)器中積累，從而對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。

1 微生物對(duì)處理系統(tǒng)的影響

1.1 絲狀菌對(duì)處理系統(tǒng)的影響

在水處理工藝中污泥膨脹問題一直是一個(gè)不利因素，成為制約活性污泥法處理工藝的瓶頸。MBR中同樣存在污泥膨脹，因而引起污泥膨脹的絲狀菌及其膨脹前后的種群成為研究的熱點(diǎn)之一。孫寓姣［5］利用熒光原位雜交（Fluorescent in situ Hybridization，F(xiàn)ISH）技術(shù)對(duì)優(yōu)勢(shì)絲狀菌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在MBR系統(tǒng)內(nèi)021NⅡ型細(xì)菌環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，易大量增殖造成系統(tǒng)發(fā)生絲狀菌污泥膨脹現(xiàn)象。在觀察污泥膨脹過程中發(fā)現(xiàn)，COD的去除率低于80%，膨脹后有所增加；并且膜污染周期明顯縮短，由非膨脹期的15d下降到膨脹時(shí)的4d，對(duì)MBR的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。另外，由于絲狀菌是好氧細(xì)菌且耐低溶解氧能力強(qiáng)使其對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的爭(zhēng)奪能力高于其他細(xì)菌，從而影響其他類群細(xì)菌的生長(zhǎng)。對(duì)于控制MBR內(nèi)021N型絲狀菌污泥膨脹，孫寓姣提出利用延長(zhǎng)膜過濾周期的控制措施；Ick－TaeYeom［6］采用缺氧—好氧循環(huán)間歇曝氣抑制絲狀菌的生長(zhǎng)。

1.2 SMP對(duì)系統(tǒng)的影響

污水處理過程中產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物 （soluble microbial product，SMP）特性的研究始于20世紀(jì)90年代，由于研究時(shí)間較短，因此目前已取得的成果不多，但已足以體現(xiàn)出其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響。

1.2.1 SMP的定義及主要來源［2-3］

微生物產(chǎn)物（SMP）是指菌體細(xì)胞在代謝過程中排出或分泌的物質(zhì)，其能夠在不破壞菌體細(xì)胞的情況下與微生物相分離，且離開該物質(zhì)菌體細(xì)胞仍能存活。微生物產(chǎn)物主要產(chǎn)生于微生物的基質(zhì)分解過程和內(nèi)源呼吸過程，通常分別被稱為UAP（substrate utilization associated products） 和BAP（biomass associated products）。

SMP是生物處理出水中溶解性TOC或COD的主要組成部分，其組成非常復(fù)雜，是腐殖質(zhì)、多糖、蛋白質(zhì)、核酸、有機(jī)酸、抗生素和硫醇等多種物質(zhì)的混合體，其中前3種成分是在各種情況下均普遍存在的主要成分。SMP的上述組成決定了其必然含有大量的高分子物質(zhì)。比如Parkin和 Mccarty的測(cè)定結(jié)果表明，生物處理出水中分子量高于1800的溶解性COD占50%以上。Namkung和Rittmann的測(cè)定結(jié)果表明，分子量10000以上的物質(zhì)占二級(jí)生物出水TOC濃度的30%～64%。還有許多學(xué)者得出生物處理出水的分子量分布具有雙峰特征。如Grady認(rèn)為，二級(jí)生物處理出水中絕大部分物質(zhì)分子量低于1000或高于100000。

1.2.2 SMP對(duì)出水水質(zhì)的影響

活性污泥工藝中，生物處理出水即是系統(tǒng)處理出水，有機(jī)污染物的去除情況和SMP的生成情況直接與系統(tǒng)出水水質(zhì)相關(guān)。在人們還沒有認(rèn)識(shí)到SMP對(duì)出水水質(zhì)的重要作用前，許多人認(rèn)為水力停留時(shí)間和污泥齡越長(zhǎng)，有機(jī)物去除得越徹底，出水水質(zhì)越好。20世紀(jì)80年代，丹保仁等提出，污水生物處理存在最佳的運(yùn)行條件，在此運(yùn)行條件下，不僅有機(jī)物生物降解得最徹底，而且SMP生成量較少，因此系統(tǒng)出水的COD濃度最低。在膜—生物反應(yīng)器中，膜可以把生物處理出水中的SMP等大分子物質(zhì)截留于生物反應(yīng)器中，一方面降低了系統(tǒng)出水中有機(jī)物的含量，提高了系統(tǒng)的出水水質(zhì)，并保持了系統(tǒng)出水的穩(wěn)定性。另一方面也導(dǎo)致了生物反應(yīng)器中高分子SMP的積累。當(dāng)生物反應(yīng)器中SMP的濃度積累到很高時(shí)，難免會(huì)對(duì)膜的濾過出水，亦即系統(tǒng)出水的水質(zhì)造成一定影響。西村和之［7］在監(jiān)測(cè)膜—生物反應(yīng)器中SMP動(dòng)向的同時(shí)，考察了系統(tǒng)出水的有機(jī)物濃度變化，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出水的TOC濃度隨SMP濃度的增加呈現(xiàn)出略微升高的趨勢(shì)；上田達(dá)己［8-10］在試驗(yàn)中雖然沒有討論SMP濃度對(duì)系統(tǒng)出水水質(zhì)的影響，但從其列出的數(shù)據(jù)來看，SMP濃度與系統(tǒng)出水的水質(zhì)之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。劉銳［2-3］對(duì)膜—生物反應(yīng)器處理高濃度葡萄糖和淀粉配水過程中系統(tǒng)出水水質(zhì)與SMP濃度的關(guān)系進(jìn)行了專門研究，指出系統(tǒng)出水的水質(zhì)及其穩(wěn)定性隨SMP濃度的增加而有所下降。也就是說，膜對(duì)生物處理出水的水質(zhì)強(qiáng)化作用有限。當(dāng)SMP濃度積累很高時(shí)，系統(tǒng)出水的有機(jī)物濃度會(huì)相應(yīng)升高。

1.2.3 SMP對(duì)膜組件的影響

溶解性有機(jī)物是造成膜污染的主要物質(zhì)之一，成分分析表明，造成膜污染的溶解性有機(jī)物主要可分為：①數(shù)千分子量的肽類；②數(shù)百萬分子量的多糖、蛋白質(zhì)類，均主要來源于微生物的代謝過程。肽類有機(jī)物主要吸附于膜孔內(nèi)，造成膜孔堵塞；多糖、蛋白質(zhì)類主要吸附于膜表面，形成凝膠層。近年來，以SMP為主要成分的溶解性物質(zhì)對(duì)膜污染的影響越來越引起人們的重視。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，分置式膜—生物反應(yīng)器中循環(huán)泵產(chǎn)生的剪切力對(duì)污泥絮體有較強(qiáng)的破壞作用，致使污泥絮體釋放出大量的SMP等溶解性物質(zhì)，從而增加了膜污染，形成了很大的膜過濾阻力。Sato和Ishil對(duì)分置式膜—生物反應(yīng)器處理糞便污水過程中產(chǎn)生的活性污泥進(jìn)行了小型過濾試驗(yàn)，指出溶解性有機(jī)物濃度是造成膜污染的重要因素之一，其對(duì)膜過濾阻力的影響可用式（1）表示。

式中 R為膜過濾阻力（m-1）；ΔP為操作壓力（Pa）；SS為混合液懸浮固體濃度（mg/L）；COD為溶解性COD濃度（mg/L）；μ為活性污泥混合液黏度（Pa·s）。

Wisniewski和 Grasmick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污泥粒徑分布和溶解性物質(zhì)濃度對(duì)膜污染的影響時(shí)得出了相似結(jié)論。他們發(fā)現(xiàn)，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。循環(huán)泵對(duì)污泥絮體的剪切作用破壞了污泥絮體中微生物、無機(jī)顆粒和胞外多聚物（extracellular poly mers，ECP）之間的相互聯(lián)系，促使菌膠團(tuán)解體，釋放出ECP到上清液中，增加了溶解性物質(zhì)的濃度，從而引起了膜污染。一體式膜—生物反應(yīng)器中由于膜面錯(cuò)流流速很小，剪切作用對(duì)污泥絮體的破壞作用不大，因此SMP對(duì)膜污染的影響往往不如分置式膜—生物反應(yīng)器明顯。但是當(dāng)SMP在生物反應(yīng)器中因積累而達(dá)到較高的濃度時(shí)，也有可能造成比較嚴(yán)重的膜污染［2-3］。其中，污泥內(nèi)源呼吸和細(xì)胞解體過程中產(chǎn)生的SMP中，高分子物質(zhì)的含量較高，在反應(yīng)器內(nèi)更容易蓄積，因而更有可能成為膜污染的來源［8］。

劉銳［2-3］曾對(duì)好氧膜—生物反應(yīng)器中SMP的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水濃度和污泥濃度仍然是影響生物反應(yīng)器中SMP濃度的主要因素。生物反應(yīng)器中SMP濃度隨進(jìn)水濃度和污泥濃度的提高而顯著增加。特別是進(jìn)水濃度對(duì)SMP濃度影響很大。隨著進(jìn)水濃度的提高，SMP初始濃度提高，積累幅度增大，積累速度也加快，達(dá)到峰值所需要的時(shí)間縮短。但I(xiàn)nce［11］對(duì)厭氧膜—生物反應(yīng)器中SMP的積累情況進(jìn)行研究時(shí)得到的結(jié)論卻有些差異。SMP濃度雖然仍隨進(jìn)水濃度的提高而升高，但卻隨污泥齡的延長(zhǎng)而降低。

1.3 EPS對(duì)系統(tǒng)的影響

1.3.1 EPS的定義及組成

胞外聚合物（EPS）是在一定條件下由細(xì)菌分泌于體外的一些高分子聚合物作為含水凝聚基質(zhì)將微生物粘結(jié)在一起的產(chǎn)物。EPS作為一種重要的優(yōu)勢(shì)污染物已得到廣泛證明［12］，EPS包括溶解性ESP（又稱懸浮EPS）和粘附在細(xì)胞壁上的EPS（又稱膜表面EPS）。粘附在細(xì)胞壁上的EPS在物理層面上又可分為緊密粘附的胞外聚合物和松散附著的胞外聚合物。EPS的化學(xué)組成成分非常復(fù)雜，微生物產(chǎn)生的EPS（Extracellular Polymeric Substances）主要成分是一些不同類型的高分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)、核酸等聚合物，EPS填充并且形成了細(xì)菌之間的空間，形成了絮凝體的結(jié)構(gòu)。

1.3.2 EPS對(duì)活性污泥的影響

EPS是生物絮體的主要組成部分，EPS占活性污泥中總有機(jī)物的比例為50%～90%，絮體中總的EPS質(zhì)量占活性污泥質(zhì)量的80%，EPS被認(rèn)為是決定絮凝體物理化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)的關(guān)鍵物質(zhì)。微生物被EPS包埋在里面。因此，EPS為固著的細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)由其本質(zhì)所決定的微生物環(huán)境。特別是直接覆蓋于細(xì)菌細(xì)胞壁外的CEPS，其特殊的位置決定著它的成分及數(shù)量必然影響著污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脫水性能等，在活性污泥中具有重要作用。有關(guān)研究表明EPS的存在不利于污泥沉降，EPS的主要成分蛋白質(zhì)、糖類、DNA含量都與SVI成正比關(guān)系，沉降性能惡化與高濃度EPS有關(guān)并且SVI隨多糖物質(zhì)增加而增加［13］。

1.3.3 EPS對(duì)膜組件的影響

膜—生物反應(yīng)器中膜污染的物質(zhì)來源是活性污泥混合液。污泥混合液的組成是復(fù)雜而變化的，它包括微生物菌群及其代謝產(chǎn)物、要處理廢水中的有機(jī)大分子、小分子、溶解性物質(zhì)和固體顆粒，理論上講每一部分都對(duì)膜污染有貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同膜生物反應(yīng)器（如厭氧MBR、好氧MBR）處理不同廢水時(shí)的污染情況進(jìn)行了細(xì)致、深入的研究。如E.Tardien等在對(duì)分置式好氧MBR的研究中認(rèn)為數(shù)量占絕對(duì)多數(shù)的生物絮體起主導(dǎo)作用；K.H.Choo等在厭氧消化液組成對(duì)膜透過性的影響的研究表明，與消化液中其他組分相比，上清液中微小膠體盡管數(shù)量相對(duì)小但對(duì)沉積層阻力貢獻(xiàn)最大。K.H.Choo等還發(fā)現(xiàn)無機(jī)污染物MgNH4PO4·6H2O和微生物細(xì)菌一并沉積并吸附在膜表面，形成粘附性很強(qiáng)、限制膜通量的凝膠層。而在膜的生物污染中，一個(gè)非常重要的因素是生物細(xì)胞產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS），如H.Nafaoka等的研究表明，EPS既在曝氣池中積累，從而引起混合液粘度和膜過濾阻力的增加，計(jì)算得到EPS的比阻數(shù)量級(jí)為1016～1017m/kg。EPS作為一種重要的優(yōu)勢(shì)污染物已得到廣泛的證明［12］。

在膜過濾過程中，隨時(shí)間的增加污染層的厚度在增加，膜過濾阻力亦不斷增加。粘附在膜表面的EPS對(duì)膜阻力貢獻(xiàn)可通過比阻值反映，EPS的比阻值的測(cè)定可根據(jù)式（2）計(jì)算得：

式中 a為EPS的比阻（m/kg）；R為過濾阻力（m－1）；DP為單位膜表面上EPS質(zhì)量（g/m2）［14］。 膜表面EPS含量直接改變沉積層的孔隙率和結(jié)構(gòu)，EPS和細(xì)微顆粒一并沉積并吸附在膜表面，形成粘附性很強(qiáng)的凝膠層。降低了膜通量，影響了出水速度，從而對(duì)處理系統(tǒng)造成影響。

1.4 微型動(dòng)物對(duì)系統(tǒng)的影響

在傳統(tǒng)活性污泥中微型動(dòng)物常常是多樣化的，可以通過生理代謝過程對(duì)廢水起到直接的凈化作用。某些原生動(dòng)物可以直接利用廢水中的有機(jī)物，如一些鞭毛蟲能直接通過細(xì)胞膜吸收水中的溶解性有機(jī)營(yíng)養(yǎng)；一些大型原生動(dòng)物和后生動(dòng)物可以直接吞噬污水中的有機(jī)顆粒和構(gòu)成活性污泥的細(xì)菌；纖毛蟲可以分泌多糖類碳水化合物和粘脘，利于活性污泥絮凝體的形成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)中的原生動(dòng)物有纖毛蟲160種，鞭毛蟲36種，肉足蟲29種。MBR中微型動(dòng)物的種類少，但優(yōu)勢(shì)微型動(dòng)物一般較為突出地表現(xiàn)為一種或少數(shù)幾種［15］。

MBR中微型動(dòng)物在處理系統(tǒng)中發(fā)揮吞食活性污泥作用以控制系統(tǒng)內(nèi)活性污泥總量的增長(zhǎng)，而活性污泥的狀態(tài)特性，如絲狀菌膨脹等又會(huì)反過來影響微型動(dòng)物的生活過程及數(shù)量的變化。隨著MBR系統(tǒng)內(nèi)活性污泥運(yùn)行狀態(tài)的改變，微型動(dòng)物群落系統(tǒng)變化呈現(xiàn)穩(wěn)定、破壞、再穩(wěn)定、再破壞過程，最終由于污泥膨脹的發(fā)生和持續(xù)而形成相對(duì)穩(wěn)定的新型群落系統(tǒng)的變化規(guī)律。所以在MBR系統(tǒng)中，微型動(dòng)物與活性污泥整體之間是一種相互影響相互作用的動(dòng)態(tài)變化過程。在這種動(dòng)態(tài)的變化中，微生物之間又構(gòu)成一個(gè)小的生態(tài)系統(tǒng)，相互影響相互制約，共同影響著膜生物反應(yīng)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)語

近年來隨著膜—生物反應(yīng)器在水處理工藝中的廣泛應(yīng)用，膜污染問題成為研究熱點(diǎn)，但大多數(shù)研究集中在膜材質(zhì)改性和膜污染清洗兩方面。而從微生物對(duì)系統(tǒng)影響角度研究膜污染的很少，基于這種原因，在查閱了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，整理總結(jié)出本文，以期為膜污染治理提供一份參考。

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The Effect of Microorganism on System in Membrance-biology Reactor Craft

CHEN Zhong-bao，DAI Shi-bo
（Dalian Dayu Processing Technology Co.， LTD，Dalian 116011，China）

The membrane-biology reactor was hot spot of the sewage treatment research in the recent years， but factor influence of the membrane pollution causes it to develop slowly in the practical application.Because the membrane-biology reactor movement mechanism is not adding in the biological reactor and in the membrane module foundation the simple superimposition， as a result of biological characteristic and type change， the influence is also different in the system of the traditional active sludge law.Because its unique movement way causes the microorganism type， the quantity have changed，the microorganism not only plays in the membrane-biology reactor removes the organic matter and remove Nitrogen，eliminates the phosphorus， has also had the certain influence to the system movement， in particular it is important in membrane pollution influence.This article carries on the elaboration from the microorganism angle，and hope that provides a reference that take the evidence for the membrane pollution government.

membrane-biology reactor； membrane pollution； microorganism

X703

A

1672-9900（2011）01-0011-03

2010－12－20

陳忠寶（1982－），男（漢族），遼寧鞍山人，助理工程師，主要從事水處理研究工作，（Tel）1504044212。