膜—生物反應處理工藝中微生物對系統的影響

陳忠寶，戴士博

（大連大禹水處理技術有限公司，遼寧 大連 116011）

膜—生物反應處理工藝中微生物對系統的影響

陳忠寶，戴士博

（大連大禹水處理技術有限公司，遼寧 大連 116011）

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

膜—生物反應器；膜污染；微生物

膜—生物反應器（Membrane Bioreactor，MBR）是由生物處理系統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，生物反應器中的微生物通過新陳代謝作用去除進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器中，特別有利于生長周期長、增殖緩慢的微生物如硝化菌的生長，能有效去除廢水中的氨氮，同時實現了反應器內水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）的完全分離，能完全截留難降解的大分子有機物，延長其在反應器內的停留時間，使之得到最大限度的降解。生物處理系統和膜分離組件的有機組合不僅提高了系統的出水水質和運行的穩定程度［1-3］，還延長了難降解大分子物質在生物反應器中的水力停留時間，加強了系統對難降解物質的去除效果［4］。雖然在膜生物反應器系統中，高膜面流速產生的高剪切力作用使污泥絮體的平均尺寸較小，利于傳質過程，但是，反應器內水流的劇烈紊動使微生物在種類上有所減少，原生動物生長受到一定限制。另外，膜的高效截留作用也使生物反應器成為一個微生物相對封閉的系統，伴隨著污水生物處理過程在生物反應器中積累，從而對系統的運行產生影響。

1 微生物對處理系統的影響

1.1 絲狀菌對處理系統的影響

在水處理工藝中污泥膨脹問題一直是一個不利因素，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之一。孫寓姣［5］利用熒光原位雜交（Fluorescent in situ Hybridization，FISH）技術對優勢絲狀菌進行監測，發現在MBR系統內021NⅡ型細菌環境適應能力強，易大量增殖造成系統發生絲狀菌污泥膨脹現象。在觀察污泥膨脹過程中發現，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下降到膨脹時的4d，對MBR的運行造成嚴重影響。另外，由于絲狀菌是好氧細菌且耐低溶解氧能力強使其對氧氣和營養物質的爭奪能力高于其他細菌，從而影響其他類群細菌的生長。對于控制MBR內021N型絲狀菌污泥膨脹，孫寓姣提出利用延長膜過濾周期的控制措施；Ick－TaeYeom［6］采用缺氧—好氧循環間歇曝氣抑制絲狀菌的生長。

1.2 SMP對系統的影響

污水處理過程中產生的溶解性微生物產物 （soluble microbial product，SMP）特性的研究始于20世紀90年代，由于研究時間較短，因此目前已取得的成果不多，但已足以體現出其對系統穩定運行的重要影響。

1.2.1 SMP的定義及主要來源［2-3］

微生物產物（SMP）是指菌體細胞在代謝過程中排出或分泌的物質，其能夠在不破壞菌體細胞的情況下與微生物相分離，且離開該物質菌體細胞仍能存活。微生物產物主要產生于微生物的基質分解過程和內源呼吸過程，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，其組成非常復雜，是腐殖質、多糖、蛋白質、核酸、有機酸、抗生素和硫醇等多種物質的混合體，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。比如Parkin和 Mccarty的測定結果表明，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的測定結果表明，分子量10000以上的物質占二級生物出水TOC濃度的30%～64%。還有許多學者得出生物處理出水的分子量分布具有雙峰特征。如Grady認為，二級生物處理出水中絕大部分物質分子量低于1000或高于100000。

1.2.2 SMP對出水水質的影響

活性污泥工藝中，生物處理出水即是系統處理出水，有機污染物的去除情況和SMP的生成情況直接與系統出水水質相關。在人們還沒有認識到SMP對出水水質的重要作用前，許多人認為水力停留時間和污泥齡越長，有機物去除得越徹底，出水水質越好。20世紀80年代，丹保仁等提出，污水生物處理存在最佳的運行條件，在此運行條件下，不僅有機物生物降解得最徹底，而且SMP生成量較少，因此系統出水的COD濃度最低。在膜—生物反應器中，膜可以把生物處理出水中的SMP等大分子物質截留于生物反應器中，一方面降低了系統出水中有機物的含量，提高了系統的出水水質，并保持了系統出水的穩定性。另一方面也導致了生物反應器中高分子SMP的積累。當生物反應器中SMP的濃度積累到很高時，難免會對膜的濾過出水，亦即系統出水的水質造成一定影響。西村和之［7］在監測膜—生物反應器中SMP動向的同時，考察了系統出水的有機物濃度變化，發現系統出水的TOC濃度隨SMP濃度的增加呈現出略微升高的趨勢；上田達己［8-10］在試驗中雖然沒有討論SMP濃度對系統出水水質的影響，但從其列出的數據來看，SMP濃度與系統出水的水質之間有很好的對應關系。劉銳［2-3］對膜—生物反應器處理高濃度葡萄糖和淀粉配水過程中系統出水水質與SMP濃度的關系進行了專門研究，指出系統出水的水質及其穩定性隨SMP濃度的增加而有所下降。也就是說，膜對生物處理出水的水質強化作用有限。當SMP濃度積累很高時，系統出水的有機物濃度會相應升高。

1.2.3 SMP對膜組件的影響

溶解性有機物是造成膜污染的主要物質之一，成分分析表明，造成膜污染的溶解性有機物主要可分為：①數千分子量的肽類；②數百萬分子量的多糖、蛋白質類，均主要來源于微生物的代謝過程。肽類有機物主要吸附于膜孔內，造成膜孔堵塞；多糖、蛋白質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對膜污染的影響越來越引起人們的重視。許多學者發現，分置式膜—生物反應器中循環泵產生的剪切力對污泥絮體有較強的破壞作用，致使污泥絮體釋放出大量的SMP等溶解性物質，從而增加了膜污染，形成了很大的膜過濾阻力。Sato和Ishil對分置式膜—生物反應器處理糞便污水過程中產生的活性污泥進行了小型過濾試驗，指出溶解性有機物濃度是造成膜污染的重要因素之一，其對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濃度對膜污染的影響時得出了相似結論。他們發現，溶解性物質引起的膜污染幾乎構成了50%的膜過濾阻力。循環泵對污泥絮體的剪切作用破壞了污泥絮體中微生物、無機顆粒和胞外多聚物（extracellular poly mers，ECP）之間的相互聯系，促使菌膠團解體，釋放出ECP到上清液中，增加了溶解性物質的濃度，從而引起了膜污染。一體式膜—生物反應器中由于膜面錯流流速很小，剪切作用對污泥絮體的破壞作用不大，因此SMP對膜污染的影響往往不如分置式膜—生物反應器明顯。但是當SMP在生物反應器中因積累而達到較高的濃度時，也有可能造成比較嚴重的膜污染［2-3］。其中，污泥內源呼吸和細胞解體過程中產生的SMP中，高分子物質的含量較高，在反應器內更容易蓄積，因而更有可能成為膜污染的來源［8］。

劉銳［2-3］曾對好氧膜—生物反應器中SMP的影響因素進行研究，發現進水濃度和污泥濃度仍然是影響生物反應器中SMP濃度的主要因素。生物反應器中SMP濃度隨進水濃度和污泥濃度的提高而顯著增加。特別是進水濃度對SMP濃度影響很大。隨著進水濃度的提高，SMP初始濃度提高，積累幅度增大，積累速度也加快，達到峰值所需要的時間縮短。但Ince［11］對厭氧膜—生物反應器中SMP的積累情況進行研究時得到的結論卻有些差異。SMP濃度雖然仍隨進水濃度的提高而升高，但卻隨污泥齡的延長而降低。

1.3 EPS對系統的影響

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菌分泌于體外的一些高分子聚合物作為含水凝聚基質將微生物粘結在一起的產物。EPS作為一種重要的優勢污染物已得到廣泛證明［12］，EPS包括溶解性ESP（又稱懸浮EPS）和粘附在細胞壁上的EPS（又稱膜表面EPS）。粘附在細胞壁上的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的化學組成成分非常復雜，微生物產生的EPS（Extracellular Polymeric Substances）主要成分是一些不同類型的高分子物質，如多糖、蛋白質、核酸等聚合物，EPS填充并且形成了細菌之間的空間，形成了絮凝體的結構。

1.3.2 EPS對活性污泥的影響

EPS是生物絮體的主要組成部分，EPS占活性污泥中總有機物的比例為50%～90%，絮體中總的EPS質量占活性污泥質量的80%，EPS被認為是決定絮凝體物理化學性質和生物性質的關鍵物質。微生物被EPS包埋在里面。因此，EPS為固著的細胞創造了一個由其本質所決定的微生物環境。特別是直接覆蓋于細菌細胞壁外的CEPS，其特殊的位置決定著它的成分及數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。有關研究表明EPS的存在不利于污泥沉降，EPS的主要成分蛋白質、糖類、DNA含量都與SVI成正比關系，沉降性能惡化與高濃度EPS有關并且SVI隨多糖物質增加而增加［13］。

1.3.3 EPS對膜組件的影響

膜—生物反應器中膜污染的物質來源是活性污泥混合液。污泥混合液的組成是復雜而變化的，它包括微生物菌群及其代謝產物、要處理廢水中的有機大分子、小分子、溶解性物質和固體顆粒，理論上講每一部分都對膜污染有貢獻。國內外學者對不同膜生物反應器（如厭氧MBR、好氧MBR）處理不同廢水時的污染情況進行了細致、深入的研究。如E.Tardien等在對分置式好氧MBR的研究中認為數量占絕對多數的生物絮體起主導作用；K.H.Choo等在厭氧消化液組成對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量相對小但對沉積層阻力貢獻最大。K.H.Choo等還發現無機污染物MgNH4PO4·6H2O和微生物細菌一并沉積并吸附在膜表面，形成粘附性很強、限制膜通量的凝膠層。而在膜的生物污染中，一個非常重要的因素是生物細胞產生的胞外聚合物（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，計算得到EPS的比阻數量級為1016～1017m/kg。EPS作為一種重要的優勢污染物已得到廣泛的證明［12］。

在膜過濾過程中，隨時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對膜阻力貢獻可通過比阻值反映，EPS的比阻值的測定可根據式（2）計算得：

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質量（g/m2）［14］。 膜表面EPS含量直接改變沉積層的孔隙率和結構，EPS和細微顆粒一并沉積并吸附在膜表面，形成粘附性很強的凝膠層。降低了膜通量，影響了出水速度，從而對處理系統造成影響。

1.4 微型動物對系統的影響

在傳統活性污泥中微型動物常常是多樣化的，可以通過生理代謝過程對廢水起到直接的凈化作用。某些原生動物可以直接利用廢水中的有機物，如一些鞭毛蟲能直接通過細胞膜吸收水中的溶解性有機營養；一些大型原生動物和后生動物可以直接吞噬污水中的有機顆粒和構成活性污泥的細菌；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，據統計，傳統活性污泥系統中的原生動物有纖毛蟲160種，鞭毛蟲36種，肉足蟲29種。MBR中微型動物的種類少，但優勢微型動物一般較為突出地表現為一種或少數幾種［15］。

MBR中微型動物在處理系統中發揮吞食活性污泥作用以控制系統內活性污泥總量的增長，而活性污泥的狀態特性，如絲狀菌膨脹等又會反過來影響微型動物的生活過程及數量的變化。隨著MBR系統內活性污泥運行狀態的改變，微型動物群落系統變化呈現穩定、破壞、再穩定、再破壞過程，最終由于污泥膨脹的發生和持續而形成相對穩定的新型群落系統的變化規律。所以在MBR系統中，微型動物與活性污泥整體之間是一種相互影響相互作用的動態變化過程。在這種動態的變化中，微生物之間又構成一個小的生態系統，相互影響相互制約，共同影響著膜生物反應處理系統。

2 結語

近年來隨著膜—生物反應器在水處理工藝中的廣泛應用，膜污染問題成為研究熱點，但大多數研究集中在膜材質改性和膜污染清洗兩方面。而從微生物對系統影響角度研究膜污染的很少，基于這種原因，在查閱了大量文獻資料的基礎上，整理總結出本文，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。