胞外聚合物 EPS 对 MBR 膜污染的影响.doc

精品论文推荐胞外聚合物 EPS 对 MBR 膜污染的影响鹿飞，张传义 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州（221008） E-mail: xiaolufeifei_66摘要：膜生物反应器 MBR 是生物处理技术与膜分离技术组合而成的一种新型高效的污水处理工艺。膜的高效截留作用使得 MBR 出水水质稳定良好，但是膜的截留也使得大量微生 物代谢产物累积在反应器内，造成膜通量下降，加剧膜污染的形成。胞外聚合物 EPS 是微生物细胞分泌的粘性物质，作为含水凝聚基质将微生物粘结在一起，对于污泥絮体的形成具有重要作用。众多学者认为，MBR 工艺中胞外聚合物 EPS 是引起膜污染的重要原因，本文 主要考查了 EPS 对 MBR 的影响。结果表明，EPS 普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，EPS 浓度和组成影响污泥沉降性能，且与膜污染程度相关关系良好。通过定期排泥可以减少 EPS 含量，改善污泥沉降性能，维持良好的膜通量。 关键词：胞外聚合物；膜污染；污泥沉降性能1. 引言在膜过滤过程中，污泥混合液的特性对于膜污染有着重要的影响，胞外聚合物(EPS)是 微生物在一定条件下产生的高分子物质，普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，主要成分为 多糖、蛋白质及DNA等，其相对分子质量>10000 Dalton。众多学者认为，MBR工艺中EPS 是引起膜污染的重要原因1。本文通过在 MBR 运行中，对悬浮 EPS 含量以及污泥沉降性能 SVI 的测定，分析了 EPS对膜污染的影响，并研究了 EPS 与 SVI 之间的关系，以期达到控制膜污染的效果。2. 实验部分2.1 实验方法实验装置图如图 1 所示，膜生物反应器为无机玻璃长方体，有效容积为 10L，反应器内 装有膜组件和搅拌装置。试验膜组件采用国产外压型中空纤维微滤膜，材质为聚偏氟乙烯， 膜孔径 0.2µm，膜组件表面积为 0.2m2。图1 实验装置图- 3 -原污泥取自矿大南湖校区污水处理厂的曝气池，污泥接种后用模拟生活污水驯化三个月，然后转入反应器内进行试验研究。反应器按照 MSBR 工艺运行，各阶段均采用时间继 电器控制以期达到厌氧好氧缺氧好氧(AOA)的连续周期运行，好氧阶段采用砂头曝 气；出水阶段采用空压机利用穿孔曝气管向反应器内供氧，将其放置在膜组件下方，曝气量 由转子流量计控制。运行周期为 3h：1h 进水、0.5h 好氧、0.5h 缺氧、1h 出水。采用恒流出 水的运行方式，设定出水流量为 3.2 L/h，出水管连接真空表，通过连续读取真空表读数， 可以了解膜的污染情况。本实验起初主要运行参数定为：（1）膜通量：8L/（m2·h）；（2）水力停留时间 HRT：7.5h；（3）泥龄 ：45d；（4）曝气量：膜生物反应器的曝气在向微生物供氧的同时，形成的气液两相流可缓解 膜面附近的浓差极化，去除膜表面附着的泥饼层。通常，好氧膜生物反应器的气水比在 40：1 以上，这样大的曝气量对于微生物来说是过量的，而对于维持膜通量又是必须的。本试验 好氧区升流截面积为 0.02m2，膜区曝气量为 1.5m3/h；（5）膜区污泥浓度 MLSS 为 5g/L，溶解氧 DO 在 2.65mg/L 之间。（6）pH=7 土 1，水温为(19 士 1)。2.2 实验用水由于该试验用水量较大，同时为了保持稳定的废水水质，进水采用人工配水模拟生活污 水，。模拟废水由葡萄糖、淀粉、氯化氨、磷酸二氢钾、碳酸氢钠及Mg、Ca、Fe等微量元素 配制而成，水质见表1所示。表 1 模拟废水水质项目CODCrBOD5TNNH3-NTPSSpH 值浊度/NTU浓度mg/L420520280350283622284.15.2807.3202.3 实验测试项目（1）膜过滤压差 TMP（2）污泥浓度 MLSS（3）污泥沉降性能 SVI（4）悬浮EPS：以TOC/MLSS表征，提取EPS之前需对污泥进行预处理，用蒸馏水pH 调 至7清洗数次2。然后采用加热法对EPS进行提取：将混合液置于0.8MPa、120的高压灭菌 釜中处理lh，拿出后于4000rmin离心5min，取上清液用于EPS成分分析。（5）EPS 成分测定，多糖的测定采用蒽酮一硫酸法，以分析纯葡萄糖作为标准品。蛋 白质测定采用 Lowry 方法，以牛血清白蛋白作为标准品3。3. 结果与讨论3.1 反应器内悬浮EPS浓度250200150100EPS(mg/gMLSS)5000 10 20 30 40 50 60 7080 运行时间（d）图 2 悬浮 EPS 随时间的变化由图 2 可知，反应器中 EPS 浓度一直在积累，在运行前 45 天，EPS 浓度持续增加，之 后经过排泥后 EPS 浓度有一定的下降，但是随后 EPS 浓度将缓慢增加，这是由于污泥龄的 增加使得微生物降解 EPS 的速率缓慢。3.2 膜过滤压差（TMP）403530压差（KPa）2520151050010203040506070 运行时间（d）图 3 TMP 随时间的变化由图3可以看出，膜过滤压差在30d以前上升比较平缓，而在之后，过滤压差急剧上升。 桂萍指出4，膜组件投入运行以后，先以凝胶状有机物在膜表面的附着开始污染，而后固形污泥逐渐在膜表面沉积。在本试验的第一阶段，膜污染主要以凝胶状有机物在膜面的附着为主，随着有机物附着量的增多，膜过滤阻力逐渐增加导致膜过滤压差逐渐上升。但当膜表 面附着的有机物量增加到一定程度时，膜的有效过滤面积明显减少，由于系统的整体处理水 量不变，致使局部膜孔的通量上升，从而使污泥在膜面发生沉积，膜过滤压差表现为急剧上 升。为控制膜污染的发展，在第二阶段，即45d后对膜进行了在线清洗，膜污染情况得到很 大改善。3.3 污泥沉降性能（SVI）300250SVI（mL/g）2001501005000 10 20 30 40 50 6070 运行时间（d）图 4 SVI 随时间的变化由图 4 可见，从运行初期到第 30 d，反应器内 SVI 值保持在 50170mL/g 之间，污泥的 沉降性能良好。但从运行第 30d 到第 45d 污泥的沉降性能突然恶化，反应器内的 SVI 值迅 速上升至 271 mL/g，在第 45d 排泥后，反应器内污泥沉降性能都有所改善，因而保持规律 性排泥，对于维持 MBR 工艺污泥沉降性能是必要的。3.4 EPS对MBR膜污染的影响3.4.1 EPS 影响膜污染阻力- 4 -250200y = 4.4951x + 61.747R2 = 0.8152150100EPS与TMP线性 (EPS与TMP)EPS(mg/gMLSS)5000 10 20 30 40TMP(KPa)图 5 EPS 与 TMP 的关系很多学者已经研究证明EPS是膜污染最重要的生物因素，本实验中由图5可知，EPS浓度 与膜污染程度之间确实存在线性关系，结合图2和3，EPS含量的激增与TMP的突增存在时间 的吻合，可见EPS是膜通量下降的主要原因，EPS含量越高，膜污染越严重。可以分析为： 由于此阶段反应器内悬浮EPS浓度较高，大量悬浮EPS包裹在膜表面，形成粘度很高的水合 凝胶层，构成了动态膜的基础层；在此基础层上细微颗粒大量粘附，加快了污垢层的生长， 此过程最终形成比较密实的沉积层，从而改变膜的透水性和渗透特性。由于EPS有较大的粘 性，遏制了水力剪切力对污染层的脱除作用，使得动态膜的脱落速度小于生长速度，因而膜 阻力在此阶段持续增加。MBR污泥浓度很高时，黏度和溶解性物质就成为膜通量下降的主要因素，而EPS可能就是造成混合液黏度增加的主要原因。TUeda发现黏度的增加导致抽吸压力的急剧上升，最终可以导致MBR系统运行停止5。EPS浓度高还会增大混合液黏度而 不利于DO的扩散，使污泥系统充氧困难，从而影响菌胶团的正常生理活动，并使膜过滤压 力极大地提高。3.4.2 EPS 影响污泥沉降性能- 7 -250200y = 0.7206x + 16.338R2 = 0.9862EPS(mg/gMLSS)150100EPS与SVI线性 (EPS与SVI)5000 50 100150200250300SVI(mL/g)图 6 EPS 与 SVI 的关系有研究表明，EPS 的存在不利于污泥沉降，沉降性能的恶化与高浓度 EPS 有关6。在本 实验中由图 6 可知，EPS 浓度与 SVI 之间确实存在线性关系，EPS 含量越高，污泥沉降性能 越差。由图 2 和 4 可见，EPS 含量的激增与污泥沉降性能变差同样在时间上相吻合，表明 MBR 污泥沉降性能受 EPS 浓度影响很大。由于 EPS 在短期内很难被微生物降解，导致 EPS 含量在反应器内不断积累，污泥沉降性能将持续恶化。Forster 等认为当 EPS 含量过高，污 泥表面负电荷足够大时，会由于絮体间斥力导致沉降性能恶化，污泥表面的 Zeta 电位直接 与 SVI 相关，随 Zeta 电位增加 SVI 升高7。Magara 发现随着 EPS 浓度增大，污泥电泳迁移 率增大，沉降性能下降8。3.4.3 EPS 的组成影响膜污染阻力及其污泥沉降性能300250200150100SVI 蛋白质 多糖5000 1020304050 运行时间(d)图 7 蛋白质、多糖与 SVI 随时间的变化EPS 主要成分为蛋自质和多糖这两类高分子化合物，图 1-7 给出了两种物质与 SVI 随时 间的变化情况，可以看出 EPS 中蛋自质的含量对 SVI 的影响最大，而污泥沉降性恶化是引 起严重膜污染的原因，因此蛋自质是影响 MBR 膜污染的主要物质。蛋自质增加，膜污染阻 力增加。从图 7 可以看出 SVI 与 EPS 中蛋白质变化的趋势是相同的，当蛋白质含量多时，污泥颗粒之间作用减弱，形成的絮体对外力及环境非常敏感，容易破碎，造成微小颗粒增多，此外蛋白质增多时，可能造成污泥絮体表而粗糙程度增大9，絮体压缩性差，这些均导致污泥 絮体与水分离的难度增加，沉降速度缓慢，造成 SVI 增大。Sponza 等10论述了可生化降解的底物能够导致高水平的胞外酶，结合其他学者的研究 结果分析蛋自质是主要膜污染物质的原因可能在于活性污泥生物代谢过程中释放大量的胞外酶等物质来进行各种生物化学过程，从而引起蛋自质含量相对较高，蛋自质木身可作为污 染物自接堵塞膜孔，吸附沉积在膜表而，成为滤饼层的主要物质；此外另一个原因在于蛋自 质是含有多种官能团的疏水性的高分子化合物，其对活性污泥性质的影响较大，必然对膜污 染的作用强于多糖，以上两个原因导致了蛋自质与膜污染阻力呈现强正向相关。4. 结论与建议4.1 结论（1）EPS是影响膜通量的主要生物因素，EPS含量越高，膜污染越严重。（2）EPS浓度与SVI之间存在线性关系，EPS含量越高，污泥沉降性能越差；其中蛋自 质的含量对SVI的影响最大，蛋白质含量越大，沉降性越差，膜污染阻力越大。（3）周期性排放污泥有助于减少EPS含量，可改善污泥沉降性能，稳定膜通量，降低 膜阻力。4.2 建议关于EPS浓度和成分如何影响污泥系统的特性，某些研究结果甚至是相互矛盾的，应将 继续在这一方面做更为细致的研究。参考文献1 Nagaoka H, Ueda S, Miya A. 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Investigation of extracellnlar polymer snbstances(EPS) and physicochemical properties of different activated sludge flocs under steady-state conditions J. Enzyme Microb Technol, 2003, 32(3-4):375-385Effect of extracellular polymeric substances on membrane fouling of membrane bioreactorLu Fei, Zhang ChuanyiSchool of Environment & Spatial Informatics, China University Of Mine And technology, Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractThe membrane bioreactor(MBR) is a new and high efficiency sewage manage technic, which combinesbiology manage and film separation. The water quality of MBR is good because of the high efficiency block . But just because this, it will makes a great deal of microorganism cumulating in the recator, which will cause the film flux fall and prick up the membrane fouling. The extracellular polymeric substances(EPS) is sticky matter that is excretived by microorganism. The EPS can make the microorganism felt with each other and palys an important action on the form of sludge garrulous. Many scholars consider that, EPS is the most important matter of causing membrane fouling. In this paper, the effect of EPS on membrane fouling of MBR is checked. The results reveal that EPS distributs widespread among in-or external activated sludge floc. The sludge settleability is affected by the consistances and components of EPS. Furthermore, the linear correlations between the EPS components and membrane fouling degree is fairly good. Therefore, it is feasible to reduce EPS components by arranging sludge that not only improves the settleability of sludge but also maintenances high permeate flux.Keywords: extracellular polymeric substances; membrane fouling; sludge settleability