胞外聚合物生成的影響因素及膜污染的研究

楊義飛，趙飛飛，徐曉鳴，滕希紅

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101;2.山東同圓設計集團，山東 濟南 250101)

0 引言

水資源是人類賴以生存與發展的重要資源，污水資源作為第二水源將從根本上解決水資源匱乏的局面[1]。膜生物反應器(MBR)是一種膜分離技術與生物技術相結合的可實現污水資源化的新型污水處理技術，具有處理效率高、占地面積小、出水穩定、排泥量少等優點。但混合液與膜相互作用容易引發膜污染[2－3]，這極大地限制了膜生物反應器的推廣應用[4]。相關研究表明，污泥混合液中的胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物代謝產物(SMP)是MBR工藝主要的污染物質[5－6]。Chang 與 Kim[7]對各種污泥中EPS的含量做了定量分析，研究結果顯示膜污染程度與污泥中EPS的含量呈正相關。

Hsieh等人[8]研究發現，根據存在狀態，EPS可分為溶解性胞外聚合物(Soluble EPS，EPSS)和附著性胞外聚合物(Bound EPS，EPSB)。EPSS可釋放入水對污泥性能的影響不大;但EPSB附著于細胞表面，與微生物細胞構成污泥基本成分。一般提到EPS多指EPSB。根據結合的緊密程度，EPSB又分為雙層，內層附著緊密，稱為緊密附著型胞外聚合物(tightly bound EPS，TB-EPS);外層為與周圍環境無明顯邊緣、疏松附著的粘液層，稱為松散附著型胞外聚合物 LB-EPS(loosely bound EPS，LB-EPS)[9]。因為TB-EPS緊密附著在細胞表面，不易釋入混合液中，所以對膜污染影響不大。因此本文重點探討不同污泥濃度與LB-EPS的關系以及對膜污染的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗用膜生物反應器為有機玻璃構造，長0.76 m、寬 0.26m、高 0.70m，有效容積為 120L。聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜組件，膜孔徑0.2μm，膜面積0.3m2，下方設有微孔曝氣裝置，曝氣量通過玻璃轉子流量計調節;進水通過液位控制儀控制進水泵的開停控制;膜出水采用抽吸泵，通過出水管上真空表的讀數反映膜污染的情況。

1.2 試驗條件

膜生物反應器運行條件:

(1)水力停留時間6h;

(2)抽吸泵開/停時間比為5min∶1min;

(3)試驗采用淀粉、蛋白胨、氯化銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、硫酸鎂及硫酸銅進行人工配制生活污水。根據試驗要求改變進水濃度與營養比例。水質指標見表1。

1.3 分析方法

pH、溶解氧、溫度分別用精密酸度計、溶解氧儀、溫度計測定。EPS中多糖和蛋白質的含量采用蒽酮比色定糖法和考馬斯亮藍結合法測定。

表1 配水水質指標及濃度

2 結果與討論

2.1 污泥濃度對混合液中LB-EPS的影響

本實驗設定了4個污泥濃度(MLSS)梯度分別為 3g/L、4g/L、6g/L、8g/L。

2.1.1 污泥混合液中LB-EPS的含量變化

運行周期中污泥混合液LB-EPS的濃度和組成變化見圖1～3。可見，4個污泥濃度梯度中，隨著污泥濃度的升高，LB-EPS中多糖和蛋白質的含量都有增多趨勢。這一方面可能是由于活性污泥濃度升高，微生物代謝產物總量也隨之增多;另一方面，由于污泥負荷降低，微生物所需的營養不足，進行內源呼吸釋放出大量的EPS[10]，同時絲狀菌大量繁殖，產生了更多的EPS[11]。所以，隨著MLSS濃度的升高，污泥負荷的降低，LB-EPS含量升高。

圖1 混合液中LB-EPS濃度隨運行時間的變化

圖2 各濃度梯度LB-EPS中多糖濃度隨運行時間的變化

圖4顯示了4個濃度梯度下蛋白質/多糖(p/c)隨運行時間的變化情況。由圖可知，p/c的比值隨污泥濃度加大而逐漸增大，但總體趨勢變化不明顯。這可能是因為污泥濃度的變化，使得微生物的生長速率和微生物群落發生了改變，導致了LB-EPS中蛋白質與多糖組成成分的改變。隨著生物量增大，底物減少，使得微生物可能利用LB-EPS中的多糖作為生長碳源[12]，從而導致p/c的值隨著泥齡的增加而增大。

圖3 混合液LB-EPS中蛋白質濃度隨運行時間的變化

圖4 各污泥濃度梯度LB-EPS中p/c隨運行時間的變化

2.1.2 LB-EPS各組分與膜污染關系

圖5 污泥濃度與膜污染速率的關系

當MLSS為3g/L、4g/L、6g/L和 8g/L時，反應器分別運行了 20、15、13、7d后，真空表讀數超過0.04MPa，清洗膜組件。圖5為各個污泥濃度膜污染速率，以平均濃度代替EPS各組成成分的實測濃度。膜污染速率以每個周期始末的壓力表讀數之差與周期時長比計，單位kPa/d，以反映膜污染的快慢。隨著MLSS濃度的升高，膜污染加快，MLSS小于6g/L時，膜污染速率上升比較緩慢;MLSS高于6g/L以后，膜污染速率上升急速，MLSS=8g/L時，膜污染速率遠大于MLSS=6g/L時的污染速率。

圖6 污泥混合液中LB與膜污染速率的關系

由圖6可知，膜污染速率隨著LB-EPS及其組成成分的含量的增加而逐漸增快。當LB-EPS＞18mg/L以后，就會對膜污染產生很大的影響。LBEPS位于細胞外部，LB-EPS量的增加而引起污泥混合液粘度的增加，從而極易吸附沉積在膜表面，導致更為嚴重的膜污染。

2.2 溫度對EPS總量及膜污染的影響

2.2.1 溫度對EPS總量的影響

試驗研究了10℃、15℃、25℃、30℃四個溫度條件下EPS總量及膜污染情況。試驗結果如圖7所示。

圖7 溫度對EPS的影響

從圖中可知溫度對EPS有明顯的影響。水溫為10℃時，污泥中EPS含量較高，在水溫升至15℃過程中，污泥中EPS的濃度有所降低，而溫度繼續升高至25℃時EPS的含量略有回升但總體平穩。這可能是污水處理中活性污泥微生物多屬中溫菌，其最適溫度介于25～40℃之間。水溫較低時，微生物代謝活動減弱，細胞發生衰退，釋放出胞內聚合物。當水溫上升時，細菌活性逐漸恢復，EPS釋放量減少。而溫度上升至25℃以上時，EPS的含量又開始增加。這可能是由于最適溫度的條件下微生物的生理活動旺盛，酶促反應加速，微生物分泌增加造成的。

2.2.2 溫度對膜污染的影響

在每個溫度梯度條件下運行10d，各周期的膜污染速率如圖8所示。變化趨勢與EPS含量變化一致，這與前面結論相同，EPS是導致膜污染的因素。

圖8 各溫度下的膜污染速率

3 結論

(1)在污泥濃度MLSS≤6g/L之前，膜污染速率上升比較緩慢;當MLSS＞6g/L以后，膜污染速率急速上升，這時EPS可能會對膜污染產生很大的影響。隨多糖和蛋白質含量的增加，膜污染速率加快，且蛋白質是膜污染的主要污染物。

(2)介于15～25℃適宜溫度下，微生物的代謝和生長較好，污泥中EPS的量較低。而當水溫低于15℃或高于25℃時，不適宜微生物生長，由于微生物大量死亡釋放出大量的胞內聚合物，EPS的含量較高。總體上膜污染速率變化趨勢與EPS含量變化趨勢一致。

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