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        曝氣強(qiáng)度對(duì)膜生物反應(yīng)器中胞外聚合物組成及分布的影響

        2015-11-11 02:38:04陳春梅張君李秀芬王新華任月萍
        關(guān)鍵詞:混合液反應(yīng)器污泥

        陳春梅,張君,李秀芬*,王新華,任月萍

        (1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫214122;2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)

        曝氣強(qiáng)度對(duì)膜生物反應(yīng)器中胞外聚合物組成及分布的影響

        陳春梅1,2,張君1,2,李秀芬*1,2,王新華1,2,任月萍1,2

        (1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫214122;2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)

        以膜生物反應(yīng)器處理模擬生活廢水為研究體系,研究了曝氣強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)比耗氧速率、胞外聚合物含量及分布的影響。結(jié)果表明,隨著曝氣強(qiáng)度增大,比耗氧速率增加,反應(yīng)器內(nèi)上清液胞外聚合物含量下降,污泥胞外聚合物含量則變化不大,且胞外聚合物組成均以多糖為主。然而,膜污染層中溶解態(tài)胞外聚合物及總胞外聚合物含量隨曝氣強(qiáng)度升高而增加,其組成以蛋白質(zhì)為主。膜污染速率與污泥混合液溶解態(tài)胞外聚合物中蛋白質(zhì)與多糖的比值呈正相關(guān)。

        曝氣強(qiáng)度;膜生物反應(yīng)器;胞外聚合物

        近年來(lái),作為廢水物理與生物處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)組合,以剩余污泥產(chǎn)量低和高效脫氮見(jiàn)長(zhǎng)、以污水資源化(或回用)和無(wú)害化為最終目標(biāo)的膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor,MBR)技術(shù)已在污水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)投入運(yùn)行或在建的MBR系統(tǒng)已超過(guò)500套,其中萬(wàn)噸級(jí)MBR系統(tǒng)近20套[1]。然而,國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明,膜污染始終是制約MBR穩(wěn)定運(yùn)行的主要障礙[2]。

        研究表明[3],膜污染主要是由胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)引起的。早在1988年,F(xiàn)lemming就提出了膜生物污染的4階段學(xué)說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為,膜的生物污染分為4個(gè)階段。第一階段:多糖、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)與其它微生物的代謝產(chǎn)物等大分子有機(jī)物在膜表面的吸附,形成一層具備微生物生存條件的生物膜。第二階段:體系中粘附速度快的細(xì)胞完成初期粘附過(guò)程,且死亡與活細(xì)菌在這一階段的粘附行為是相同的。第三階段:由于后續(xù)大量不同菌種的粘附,特別是胞外聚合物的形成,加劇了微生物的群聚和繁殖。第四階段:在膜表面形成了一層生物膜,造成膜的不可逆阻塞/污染,使產(chǎn)水阻力增加。顯然,EPS在膜表面、膜孔內(nèi)以及膜中空纖維/膜片間的累積(即生物污染)將直接影響MBR的效率和經(jīng)濟(jì)性。

        EPS是一定環(huán)境條件下活性污泥中的微生物主要是細(xì)菌分泌的用于自我保護(hù)和相互粘附的細(xì)胞代謝產(chǎn)物或細(xì)胞自溶物,主要成分為蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)和核酸等[4-5]。通常,MBR中曝氣強(qiáng)度越大,膜面水力剪切力越大,膜面污染物越難以附著沉積,亦可促使膜表面已沉積污染物脫附,可大大緩解膜污染。因此,超強(qiáng)曝氣是MBR工程中普遍采用的膜污染防治措施之一。而微生物抵御外界環(huán)境條件(包括水力剪切力或曝氣強(qiáng)度)變化的方式之一是分泌釋放更多的EPS。Starkey和Kar[6]的研究結(jié)果即表明,當(dāng)系統(tǒng)處于限氧和氧被耗盡的情況下(即曝氣量較低),EPS的形成受到抑制。曝氣強(qiáng)度與EPS密切相關(guān)。研究曝氣強(qiáng)度對(duì)MBR中EPS組成及分布的影響,可為膜污染防治提供有益參考。

        1 材料與方法

        1.1實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,為一體式MBR反應(yīng)器。

        膜組件為天津膜天膜工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)中空纖維微濾膜,膜面積為2 m2,膜孔徑為0.2 μm,纖維內(nèi)徑為0.65 mm,外徑為1.0 mm。反應(yīng)器主體為矩形有機(jī)玻璃容器,總?cè)莘e達(dá)100 L,有效容積為80 L。

        圖1 MBR實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of MBR

        實(shí)驗(yàn)用水為人工配制模擬廢水,主要由葡萄糖、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀、乙酸鈉、蛋白胨、酵母膏及少量微量元素組成,COD在330~400 mg/L之間,NH3-N質(zhì)量濃度為30 mg/L,pH值為7.0±0.2。模擬廢水組成如表1所示。

        表1 模擬廢水的組成Table 1 Components of synthetic wastewater

        1.2實(shí)驗(yàn)條件

        接種污泥取自無(wú)錫市蘆村污水處理廠的剩余污泥,初始接種污泥質(zhì)量濃度為3 g/L,其MLVSS/ MLSS比值為0.41。采用恒通量操作模式,膜通量控制在6 L/(m2·h)左右(除特殊說(shuō)明外,所指通量均為瞬時(shí)通量),反應(yīng)器進(jìn)出水為自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)期間,污泥停留時(shí)間為20 d,室溫運(yùn)行。

        在曝氣強(qiáng)度(相對(duì)于膜面積)分別為800、600 L/(m2·h)和400 L/(m2·h)條件下啟動(dòng)MBR反應(yīng)器,運(yùn)行穩(wěn)定后,不同曝氣強(qiáng)度的COD去除率均高于94%,系統(tǒng)出水COD均低于36 mg/L[7],此時(shí),取出膜組件,小心刮去膜面沉積物,并取一定體積的污泥混合液,分別測(cè)定比耗氧速率、上清液EPS組成及含量、污泥EPS組成及含量和膜面沉積物中EPS組成及含量,研究曝氣強(qiáng)度對(duì)EPS組成及分布的影響。1.3分析測(cè)試項(xiàng)目及方法

        取一定體積的污泥混合液,8 000 r/min離心10 min,所得上清液用于測(cè)定反應(yīng)器上清液中EPS的含量[8]。分別將上述沉淀物和膜面沉積物再懸浮于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的NaCl溶液中,80℃水浴熱提取30 min,然后12 000 r/min離心15 min,上清液分別用于測(cè)定污泥和膜面沉積物中EPS的含量。EPS中蛋白質(zhì)和多糖分別采用考馬斯亮藍(lán)G250染色法和苯酚-硫酸法測(cè)定[9]。

        污泥比耗氧速率(Specific oxygen utilization rate,SOUR)采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[10]。

        2 結(jié)果與討論

        2.1污泥比耗氧速率

        由于含碳有機(jī)物、氨氮等物質(zhì)的去除都是耗氧過(guò)程,因此,SOUR(單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量的活性污泥所消耗的氧量)的大小可用來(lái)表征有機(jī)污染物去除過(guò)程中好氧微生物的活性,它從微生物呼吸角度反映了基質(zhì)代謝情況[11]。不同曝氣強(qiáng)度下污泥SOUR的變化情況如圖2所示??梢?jiàn),隨曝氣強(qiáng)度增加,污泥比耗氧速率呈上升趨勢(shì),從400 L/(m2·h)時(shí)的18.35 mg/(g·h)升高到800 L/(m2·h)時(shí)的24.96 mg/(g·h),表明隨著曝氣強(qiáng)度增加,微生物活動(dòng)加劇。

        圖2 污泥比耗氧速率的變化Fig.2 Variations in sludge SOUR

        2.2反應(yīng)器上清液中EPS組成及含量

        圖3為不同曝氣強(qiáng)度條件下反應(yīng)器上清液中EPS的組成及含量的變化情況。隨著曝氣強(qiáng)度升高,反應(yīng)器上清液中的蛋白質(zhì)、多糖及EPS總量大體呈下降趨勢(shì),當(dāng)曝氣強(qiáng)度為800 L/(m2·h)時(shí),蛋白質(zhì)、多糖及EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.06、0.43 mg/g和0.49 mg/g。上清液中EPS含量取決于微生物產(chǎn)生EPS與降解消耗EPS的動(dòng)態(tài)平衡。生物處理系統(tǒng)中,微生物生長(zhǎng)代謝及細(xì)胞自溶(或內(nèi)源呼吸)均產(chǎn)生EPS,而EPS特別是胞外蛋白質(zhì)和多糖又是可以生物降解的,當(dāng)曝氣強(qiáng)度升高時(shí),體系溶解氧濃度增大,微生物活動(dòng)加?。▓D2),體系累積的EPS作為基質(zhì)被降解利用。

        圖3 上清液中EPS組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Variations in EPS components and their contents in supernatant

        EPS是影響活性污泥相對(duì)疏水性的根由[12]。研究表明,EPS的疏水部分主要由蛋白質(zhì)組成,帶有疏水部位的氨基酸對(duì)微生物絮體的疏水性影響很大。而多糖中含有羧基等親水性基團(tuán),使污泥表面具有較高的親水性,蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值能準(zhǔn)確地表現(xiàn)污泥的疏水性[13]。反應(yīng)器上清液中的EPS以多糖為主,運(yùn)行穩(wěn)定后,曝氣強(qiáng)度為400、600和800 L/(m2·h)時(shí)的蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值分別為0.35、0.24和0.16。此外,在每個(gè)曝氣強(qiáng)度運(yùn)行周期內(nèi),上清液EPS含量都呈先增加后降低的趨勢(shì),可能是由于體系環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),微生物分泌較多EPS作為應(yīng)答,隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng),微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境變化,累積的EPS逐漸被降解。吳金玲[14]等關(guān)于膜污染造成的膜過(guò)濾阻力與溶解態(tài)EPS濃度的相關(guān)關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn),隨著曝氣強(qiáng)度增加,膜污染速率降低,這與上清液中EPS含量的變化趨勢(shì)一致。曝氣強(qiáng)度增加可以緩解膜污染,但緩解機(jī)理并不僅僅局限于較大的曝氣強(qiáng)度產(chǎn)生較強(qiáng)的膜面剪切力,還與體系上清液中EPS的組成及含量密切相關(guān)。

        2.3污泥EPS組成及含量

        如圖4所示,MBR反應(yīng)器中曝氣強(qiáng)度對(duì)污泥中總EPS組成及含量的影響不大,且均以多糖為主,當(dāng)曝氣強(qiáng)度為400、600 L/(m2·h)和800 L/(m2·h)時(shí),多糖、蛋白質(zhì)及總EPS含量幾乎沒(méi)有變化。結(jié)合圖3可知,當(dāng)曝氣強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),微生物作為應(yīng)答分泌的EPS主要為溶解態(tài)EPS,對(duì)污泥EPS的組成及含量影響不大,這一特性使得微生物對(duì)外界環(huán)境的變化具有較好的抵抗能力。李紹峰[15]等人研究了EPS與MBR中污泥活性的關(guān)系,結(jié)果表明,EPS含量增加,污泥活性隨之增強(qiáng),同時(shí)大量研究確認(rèn),EPS的增加會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的膜污染。這一結(jié)果說(shuō)明,引起膜污染的主要是體系上清液中的溶解態(tài)EPS。

        圖4 污泥EPS組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Variations in EPS components and its contents in sludge

        2.4膜面污染層EPS組成及含量

        膜面污染層EPS的組成及含量與MBR污泥混合液中的EPS密切相關(guān)。圖5和圖6分別給出了膜面污染層中溶解態(tài)EPS和總EPS的組成及含量。隨著曝氣強(qiáng)度增加,膜污染層沉積物中的溶解態(tài)EPS和總EPS含量均增大,與污泥混合液相比,溶解態(tài)EPS在總EPS中的質(zhì)量比例大幅增加,由0.1左右增到0.6,可能是因?yàn)槿芙鈶B(tài)EPS更容易與膜面接觸。此外,膜面污染物以蛋白質(zhì)為主,膜面污染層溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值在1.1~2.0之間,總EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值在1.0~1.8之間,可能是蛋白質(zhì)在膜上的選擇性吸附所致。

        圖5 膜面污染層溶解態(tài)EPS組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.5 Variations in soluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

        圖6 膜面污染層不溶性EPS組成及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Variations in insoluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

        表明,與混合液中污泥EPS變化趨勢(shì)相似,蛋白質(zhì)與多糖質(zhì)量比值均隨曝氣強(qiáng)度增加而減小。

        2.5MBR中的EPS分布

        為了更好地比較和理解不同曝氣強(qiáng)度時(shí)EPS在反應(yīng)器上清液、污泥及膜污染層中的組成及含量,了解其分布特征,解析其在膜污染中的作用,將上述有關(guān)EPS的結(jié)果列于表2??梢?jiàn):

        1)與污泥混合液相比,膜面污染層中溶解態(tài)EPS所占質(zhì)量比例降低;

        2)污泥混合液中溶解態(tài)與結(jié)合態(tài)EPS均以多糖為主,而膜面污染層中溶解態(tài)與結(jié)合態(tài)EPS均以蛋白質(zhì)為主;

        3)膜污染速率與污泥混合液溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性。

        導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因可能是:相比于結(jié)合態(tài)EPS,溶解態(tài)EPS與膜表面接觸的機(jī)會(huì)較多,更容易于膜表面吸附沉積,而膜面污染層中溶解態(tài)與結(jié)合態(tài)EPS均以蛋白質(zhì)為主,即蛋白質(zhì)成為了膜面濾餅層的主要組成部分,膜面污泥中蛋白質(zhì)的增加一方面可能是由沉積在膜表面的污泥中微生物得不到足夠的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì),通過(guò)內(nèi)源呼吸所致;另一方面,部分大分子蛋白質(zhì)本身就可以直接作為膜污染物堵塞膜孔,或者吸附并沉積在膜表面,因此溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值與膜污染速率呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性,而與EPS總量相關(guān)性不大。

        此外,污泥混合液溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值影響著膜污染速率。采用適當(dāng)曝氣強(qiáng)度,保證微生物營(yíng)養(yǎng)供給充足,微生物分泌的EPS較少,同時(shí),微生物生長(zhǎng)迅速,活性增加,使EPS的代謝速率增大,有助于減輕膜污染。見(jiàn)表3。

        表2 不同曝氣強(qiáng)度時(shí)MBR中EPS的分布Table 2 EPS distribution in MBR under different aeration intensity

        表3 不同曝氣強(qiáng)度下的膜污染速率Table 3 Rateofmembranefoulingunderdifferent aeration intensity

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)隨著曝氣強(qiáng)度升高,比耗氧速率呈增大趨勢(shì),微生物表現(xiàn)出較好活性。

        2)隨著曝氣強(qiáng)度升高,上清液EPS總量總體呈下降趨勢(shì),污泥總EPS含量變化不大。上清液中EPS以多糖為主,運(yùn)行結(jié)束時(shí),EPS及多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.49 mg/g和0.43 mg/g。污泥中的EPS同樣以多糖為主,曝氣強(qiáng)度為800 L/(m2·h)時(shí),污泥總EPS及多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.58 mg/g和22.07 mg/g。

        3)隨著曝氣強(qiáng)度升高,膜污染層中溶解態(tài)及總EPS含量均升高,其組成均以蛋白質(zhì)為主。蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值隨著曝氣強(qiáng)度升高而減小。

        4)與污泥混合液相比,膜面污染層中溶解態(tài)EPS所占質(zhì)量比例大幅度增加,污泥混合液中溶解態(tài)與結(jié)合態(tài)EPS均以多糖為主,而膜面污染層中溶解態(tài)與結(jié)合態(tài)EPS均以蛋白質(zhì)為主。膜污染速率與污泥混合液溶解態(tài)EPS中蛋白質(zhì)與多糖的質(zhì)量比值呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性。

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        Effect of Aeration Intensity on the Components of Extracellular Polymeric Substances and Their Distribution in Membrane Bioreactor System

        CHEN Chunmei1,2,ZHANG Jun1,2,LI Xiufen*1,2,WANG Xinhua1,2,REN Yueping1,2
        (1.School of Environmental and Civil Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology,Wuxi 214122,China)

        In this study,the effect of aeration intensity on specific oxygen utilization rate(SOUR),the content of extracellular polymeric substances(EPS)and their distribution during synthetic wastewater treating was investigated in membrane bioreactor(MBR)system.The results showed that SOUR was increased and the EPS content in the MBR supernatant dropped by increasing the aeration intensity,but it didn't change much in sludge.The EPS both in supernatant and sludge were dominated by polysaccharides.However,the EPS content in membrane fouling layer increased along with the aeration intensity and was mainly consisted of proteins.The membrane-fouling rate was in proportion to the proteins/polysaccharides ratio in soluble EPS of the mixed liquid.

        aeration intensity,membrane bioreactor,extracellular polymeric substances

        X 703

        A

        1673—1689(2015)09—0920—06

        2014-09-08

        國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012AA063407);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50678073);江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2011-JNHB-004)。

        李秀芬(1968—),女,河北唐山人,工學(xué)博士,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境生物技術(shù)及生物化工研究。E-mail:xfli@jiangnan.edu.cn

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