A2O-MBR工藝中生物泡沫現象原因及其影響研究

于真真,胡以松,王曉昌

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A2O-MBR工藝中生物泡沫現象原因及其影響研究

于真真,胡以松*,王曉昌**

(西安建筑科技大學陜西省環境工程重點實驗室,西安建筑科技大學西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,陜西 西安 710055)

以實際規模A2O-MBR污水廠為研究對象,主要考察好氧池生物泡沫現象及其基本特征(質/量特征和生物特征),探究引發生物泡沫的潛在原因,并分析生物泡沫對污染物去除效果及膜污染的影響.結果表明試驗期間,好氧池生物泡沫現象日趨嚴重,泡沫質/量特征值(泡沫量-Scum index,SI*和泡沫潛能/穩定性-Foam power,FP)隨運行時間延長呈上升趨勢,且SI*和FP與總胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)和結合型EPS濃度顯著相關.生物泡沫中絲狀菌豐度、微生物活性均高于污泥混合液.經分析生物泡沫的產生及穩定可能是由EPS作用和絲狀菌(主要是微絲菌和0092型菌)作用引起的.生物泡沫持續存在期間,A2O-MBR系統對污染物去除效果(COD、NH4+-N、TN、TP和濁度)穩定,并未受到負面影響.泡沫對膜污染具有一定的影響.

A2O-MBR；生物泡沫；胞外聚合物(EPS)；絲狀菌；污水處理

膜生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)具有許多傳統活性污泥法(Conventional Activated Sludge, CAS)無可比擬的優點[1-2],近年來在污水處理及再生水回用領域得到廣泛應用.然而,生物泡沫是實際MBR工程中常見的問題,具有發生率較高、普遍性和處理難度高等特點[3].

生物泡沫多是由于絲狀菌過度增殖造成的.對于MBR泡沫絲狀菌的研究比CAS要晚,少數研究表明諾卡氏菌、微絲菌、0092型菌、1851型菌、0041型菌、等是MBR泡沫現象中報道較多的幾類絲狀菌[4-7].絲狀菌的生長增殖主要受到水質特征(例如,營養元素、可溶性易代謝有機物、溶解性硫化物、脂質、顆?；|等的含量及種類)、工藝運行參數(例如,SRT、HRT、F/M等)和環境操作條件(例如,pH值、溫度、溶解氧等的波動)三大因素影響[8].事實上,目前針對MBR絲狀菌菌種及其對泡沫的真正作用和影響因素的研究還遠遠不夠,所用數據多數仍是CAS工藝中得到的.

目前,國外Di Bella的研究團隊對中試及小試MBR泡沫問題進行了較為詳細的研究,闡明了除絲狀菌作用外,胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的濃度、成分等對生物泡沫形成及其特征的作用,并揭示了泡沫對工藝過濾性能及膜污染的影響[4,6,9-11].另外,少數研究報道了MBR發生泡沫問題后可采取的補救措施[12].上述研究多是在小試/中試MBR中進行,研究結論是否適合實際規模MBR中泡沫問題有待考證.另一方面,國內針對MBR泡沫的研究報道較少.本文主要目的是考察實際規模MBR污水處理廠中生物泡沫現象及其特性(質/量和生物特征),探討生物泡沫產生的潛在原因,同時分析生物泡沫對A2O-MBR工藝性能的影響.以期對實際規模MBR污水處理廠中出現的生物泡沫問題提供運行管理的有效參考.

1 材料與方法

1.1 污水廠概況及運行條件

A2O-MBR工藝位于西安某校園污水處理廠,主要目的是實現同步污水處理與回用,其設計進水流量2000m3/d,總有效容積1200m3,工藝流程圖參考文獻[13].生物處理單元由厭氧池、缺氧池、好氧池和膜池四部分組成.原水先后經過粗格柵(5mm)、調節池、細格柵(1mm)進入到生物處理單元,水質如表1所示.膜組件為PVDF中空纖維柱式微濾膜,孔徑0.1μm,共216支,膜總面積5400m2.系統采用恒通量過濾模式,由自吸泵間歇抽吸出水,抽停時間比9min/1min,膜通量保持在16L/(m2·h).總水力停留時間13h,污泥停留時間20~40d.好氧池污泥濃度(MLSS) 5000~8000mg/L.該工藝設置3個混合液回流:膜池污泥回流至好氧池,好氧池回流至缺氧池,缺氧池回流至厭氧池,回流比分別為2.5:2:1.好氧池溶解氧(DO)維持在2~4mg/L.系統配置了可編程邏輯控制器,可自動控制進水、曝氣、污泥回流和出水等.跨膜壓差(TMP)由在線真空壓力表監測.為有效控制膜污染,每1~2周進行一次維護性清洗(EFM),藥劑為次氯酸鈉(3000mg/L),清洗持續時間2h;根據運行情況6~12個月進行一次在線化學清洗(CIP),藥劑為次氯酸鈉(3000mg/L)和檸檬酸(10000mg/L),清洗持續時間10~12h.

表1 原水水質 Table 1 Influent quality

1.2 EPS提取與測定

采用熱處理法進行活性污泥EPS提取,詳細提取步驟參考文獻[13].提取出的EPS由溶解型EPS (SEPS)和結合型EPS(BEPS)兩部分構成,再分別對其進行蛋白質和多糖含量分析.多糖的測定采用硫酸-苯酚分光光度計法[14],蛋白質的測定采用改進的Lowry法[15].故總EPS含量(EPStot)可用式(1)計算:

式中:下標"p"和"c"分別表示蛋白質和多糖.

1.3 泡沫質/量測試方法

1.3.1 泡沫量的測試 為了控制傳統活性污泥法中的泡沫,Pretorius等[16]提出了選擇性浮選原則(selective flotation principle),即通過在特定尺寸的圓柱形浮選裝置(高50cm,內徑8cm)中對2L污泥混合液進行特定強度的曝氣(10Lair/(L·h)持續15min)來實現"浮選"和"純化或稀釋"泡沫兩個步驟,從而定量地表征活性污泥轉化生成泡沫的量.泡沫量可用"Scum Index"(SI)表示,計算公式如下:

稀釋分離出的泡沫樣品可能會對分析EPS濃度對泡沫的原始作用產生負面影響,故本研究中對原始方法進行了些微改動,即僅進行"浮選"步驟,省略后續的"純化或稀釋"步驟(得到的泡沫量用SI*表示,計算公式同上).詳細步驟參考文獻[10].

1.3.2 泡沫質的測試 發泡能力(Foam Power,FP)可用來評價泡沫潛能/穩定性[17].測試步驟如下:將100mL污泥混合液樣品倒入特制的透明亞克力圓柱形量筒(高100cm,內徑3cm,橫截面積約7cm2)內,在量筒底部進行曝氣,曝氣量設為5L/min,曝氣時長30s.曝氣前后形成的液面差定義為0,FP可通過下式計算:

式中:FP為每升曝氣量所消耗的用以產生泡沫的污泥混合液體積,mL/L;為量筒橫截面積,cm2;為曝氣量,L/min;為曝氣時長,min.

1.4 Biolog分析

Biolog方法通過測試不同微生物對單一碳源底物利用程度的差異來反映微生物群落結構和功能多樣性[18].本研究采用96孔Biolog ECO微平板(BIOLOGTM Inc.,Hayward,CA,USA),每32孔為1組平行,含31種碳源和1個水空白對照,共計三組平行.31種碳源可劃分為六類:聚合物類、糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類和酚類[19].實驗操作步驟參考文獻[18],但培養時間延長至240h.本研究采用OD590減去OD750得到的吸光度值進行后續的孔平均顏色變化率(AWCD)、6類碳源各自的標準化吸光度比率(F)的計算,計算公式[19]分別如下:

式中:AWCD可用來表征微生物活性;C是各碳源孔的吸光度值;是對照孔的吸光度值;R是類碳源中碳源的吸光度值;f是類碳源的平均吸光度值;F是類碳源的標準化吸光度比率;n是類碳源所包含的碳源個數.

1.5 其他分析

NH4+-N、TN、TP、COD、MLSS采用標準方法測定[20].pH采用PHS-3C型pH計測定.溫度和DO由便攜式水質分析儀(WTW Multi3410,德國)測定.濁度采用濁度計(WGZ-1A,上海)測定.泡沫照片由數碼相機(佳能SX260HS,日本)拍攝記錄.參照文獻[8]進行革蘭氏染色和奈瑟氏染色,采用光學顯微鏡(Nikon 90i,日本)進行絲狀菌鑒定,并依據絲狀菌豐度主觀評分標準(Subjective Scoring of Filament Abundance)[8]進行簡單計數,即0=none;1=few,只有少量菌絲被偶然觀察到;2=some,菌絲時常被觀察到,但不存在于所有絮體上;3=common,每個絮體上均有1~5條菌絲;4=very common,每個絮體上均有5~20條菌絲;5=abundant,每個絮體上菌絲>20條; 6=excessive,菌絲數超過絮體數.

2 結果與討論

2.1 生物泡沫現象及特征

該污水廠生物泡沫現象2014年以前就發生,持續時間較長.由圖1a可見,好氧池上方漂浮著褐色的浮渣和黃色的泡沫,在曝氣較弱區域聚集尤為明顯.攜帶生物泡沫的污泥混合液從好氧池進入到膜池,導致膜池上方也漂浮黃色且較密集的泡沫(圖1b).

圖1 生物泡沫現象 Fig.1 Photos showing biological foaming phenomenon

2.1.1 泡沫質/量特征 好氧池泡沫的質/量特征 (SI*和FP)見圖2.如圖2a所示,根據Di Bella等[9]提出的SI*劃分定義,試驗初期泡沫處于"moderate"階段(SI*=6.43%,5%~10%),約20d后發展到"serious"階段(SI*=14.31%,10%~15%),之后進入"disastrous"階段(SI*>15%).本研究中SI*max達到了70%以上,而Di Bella等[9]的中試MBR泡沫研究中SI*max約16%,Cosenza等[10]的SI*max低于35%.這些差別可能是由于污水廠規模、構造、操作條件或活性污泥特性等方面的差異造成的.泡沫潛能/穩定性見圖2b.試驗期間FP整體上呈現上升趨勢,由試驗初期的14.1mL/L最終增至36.7mL/L,表明FP隨運行時間的延長不斷強化.Di Bella等[9]和Cosenza等[10]的中試MBR泡沫研究中FP分別達到60~90mL/L和5~50mL/L,相比之下略高于本研究的值,這可能是由于活性污泥的特性差異造成的.

2.1.2 泡沫生物特征 Jenkins等[8]提出用豐度(Abundance,Ab)來表征絲狀菌數量,雖然該標準具有一定的主觀性,但其重復性可保持在±1的可接受范圍內.鏡檢結果顯示好氧池污泥混合液中的絲狀菌豐度(Ab)從試驗初期的1(few)逐漸增至3(common),表明活性污泥中的泡沫絲狀菌含量較低.同一時期泡沫的Ab值往往高于污泥混合液.例如圖3所示,當污泥混合液Ab為2時(圖3a),泡沫Ab值達到4 (圖3b).根據染色結果和形態學特征初步判定泡沫中的優勢絲狀菌主要是微絲菌(),其次是0092型菌(圖3c和d).泡沫中出現絲狀菌富集的原因可能是由于好氧池的曝氣浮選作用將污泥混合液中部分絲狀菌轉移至泡沫中或者可能是泡沫為絲狀菌提供了更適合生長的微環境,有助于其增殖[16,21].

圖3 污泥混合液和生物泡沫的鏡檢照片 Fig.3 Microscope observation of mixed liquor and biological foam(a)混合液;(b)泡沫;(c)泡沫革蘭氏染色;(d)泡沫奈瑟氏染色.G+:革蘭氏陽性;G-:革蘭氏陰性;N+:奈瑟氏陽性;N-:奈瑟氏陰性

圖4a表示AWCD隨培養時間的變化曲線,其可表征微生物活性.整個培養周期內好氧池泡沫的AWCD值明顯高于污泥混合液,表明泡沫中微生物活性大于污泥混合液.游佳等[22]通過測定脫氮除磷氧化溝系統中生物泡沫的耗氧速率同樣發現泡沫具有良好的生物活性.圖4b表示培養96h時污泥混合液和泡沫對6類碳源的平均吸光度比率.兩者對6類碳源均可代謝利用但程度有所不同,表明兩者的微生物群落結構和功能多樣性有所差異.具體而言,二者均包含6類代謝群,其中污泥混合液中微生物以糖類代謝群為優勢類群,羧酸類代謝群也較突出,而泡沫中糖類和羧酸類優勢類群明顯下降,胺類代謝群相較污泥混合液反而上升.

2.2 生物泡沫產生的潛在原因分析

2.2.1 EPS作用分析 好氧池污泥混合液中EPS濃度變化如圖5所示.EPStot濃度逐漸累積,最后高達85mg/g SS以上.其中BEPS濃度遠高于SEPS濃度,最終高達80mg/gSS左右,且蛋白質濃度(BEPSp)高于多糖濃度(BEPSc).造成系統中EPS累積可能有以下幾個原因:(1)系統采用的浸沒式膜組件及后期膜表面形成的濾餅層可以不斷截留大量EPS;(2)為了沖刷膜表面減少膜污染,膜池中的曝氣強度往往較大[經計算約為7.7m3/(m2·h)],導致其剪切力較大,進而增加EPS的釋放量[23];(3)試驗從秋季進行到冬季,進水水溫從初期22℃逐漸降至14℃,低溫條件可促進EPS釋放到污泥混合液[24].

圖5 污泥中EPS含量隨運行時間的變化趨勢 Fig.5 Evolution of EPS concentration in the mixed liquor with running time

圖6表示SI*和FP與EPS濃度(EPStot、BEPS、BEPSp和BEPSc)的相關性.因SEPS與SI*和FP無顯著相關性,故此均在圖中省略.由圖6a1、b1可見,SI*和FP與EPStot均具有良好的正相關性.圖6a2、b2可見,SI*和FP與BEPS的相關系數2分別為0.63和0.83,表明該污水廠泡沫SI*和FP受BEPS影響顯著.這與中試MBR泡沫研究的結果一致[9-10].進一步從蛋白質和多糖兩種不同EPS成分角度考慮,SI*與BEPSc(2=0.58)和BEPSp(2=0.54)的2差異不大,故認為SI*受BEPSc和BEPSp的影響相當.而FP與BEPSp正相關性(2=0.75)明顯大于BEPSc(2=0.62),表明FP受BEPS中蛋白質成分的影響較顯著.早前多數中試MBR泡沫研究也都表明了這一點[9-10,17].

污泥絮體中的EPS 通常含有大量的荷電基團和非極性基團(例如,蛋白質成分中的芳烴基團和脂肪族基團及多糖成分中的疏水部位),它們對活性污泥的親疏水性起著重要作用[25].不少研究表明活性污泥多呈疏水性,這主要與EPS中蛋白質成分有關[26-27].污泥疏水性是造成起泡的重要因素之一[28].在曝氣池曝氣作用下產生的氣泡可作為動力,將極具疏水性的污泥顆粒,尤其是形小、質輕的小顆粒物質浮選至曝氣池表面,逐漸形成泡沫層或浮渣層.另一方面,EPS主要是由微生物(細菌為主)分泌產生的復雜聚合物,具有生物表面活性劑特性,對于維持污泥絮體結構具有重要作用.然而過量的具有生物表面活性劑性質的EPS會對泡沫產生負面影響.因為原本氣-水兩相的氣泡在表面活性劑的作用下,穩定性增強,更加不易破碎,易形成持久性泡沫[8].

2.2.2 絲狀菌作用分析 鏡檢結果發現微絲菌相對于其他絲狀菌豐度最高.這類絲狀菌絲體長度50~200μm,絲體高度彎曲,有時扭曲、纏繞或穿越絮體,其脂類含量達細胞干重的35%,使得其比重比水輕,因此易漂浮到水面[29].鏡檢發現泡沫中微絲菌豐度也確實高于污泥混合液.相比微絲菌,0092型菌絲體短,長度10~80μm,直徑0.8~1μm,絲體筆直或彎曲,常見于絮體內部及周圍.目前關于0092型菌的生理特征尚不清楚.不過已有研究表明,低污泥負荷條件(F/M約0.15~0.05kgBOD5/(kgMLSS·d))有利于0092型菌生長增殖,相似的,微絲菌適宜在0.20~ 0.05kgBOD5/(kgMLSS·d)負荷范圍內增殖[8].經計算該污水廠好氧曝氣池的F/M約為0.16~0.10kgCOD/ (kgMLSS·d),負荷較低,為微絲菌和0092型菌的增殖創造了一定條件.

這些檢測到的絲狀菌其絲狀結構對泡沫產生或穩定可能會有一定影響.因為絲狀結構易形成網,能捕掃污泥微粒和曝氣產生的氣泡,并上浮到水面.被絲網包圍的氣泡,增加了其表面張力,使氣泡不易破碎,更加穩定.Campo等[11]曾報道絲狀菌對泡沫具有一定的穩定效果,可導致FP值上升.本試驗亦觀察到FP呈上升趨勢,進一步印證Campo等的結論.另外多數絲狀菌可以合成表面活性劑物質,例如包含脂肪、脂肽、蛋白質、多糖等胞外聚合物,使污泥中EPS濃度增加,可能進一步惡化泡沫問題[7].

2.3 生物泡沫對工藝性能的影響

2.3.1 對污染物去除效果的影響 試驗從2014年9月下旬持續至12月底,共約100d.期間,生物泡沫持續存在,各種污染物去除效果見圖7. A2O-MBR工藝對COD、NH4+-N、TN和濁度的去除效果良好,去除率分別可達88.1%±5.1%、99.1%±0.3%、64.0%±4.5%和99.5%±0.2%,出水平均值分別穩定在25、1、15mg/L和1NTU以下.另外,系統雖然對TP的去除率比較穩定(70.8%±4.3%),但出水濃度仍然偏高,穩定在1mg/L左右,這可能由于系統SRT較長,富磷污泥無法及時排出導致的.參照城市回用水質標準[30-31],該污水廠出水完全滿足沖廁和綠化回用水質要求.除了TP外,其他出水指標還可滿足景觀回用水水質要求.綜上分析可知,生物泡沫未造成出水水質明顯波動或惡化.Di Bella等[9]報道其中試MBR裝置在經歷生物泡沫期間,COD平均去除率為95%,平均硝化和反硝化效率分別為99%和85%,總氮去除率為85%~90%.You等[7]的小試MBR在經歷泡沫事件前后,也始終保持良好的污染物(COD、BOD和SS)去除效果.以上報道進一步證實MBR系統中生物泡沫未對污染物去除產生負面影響.

甚至有試驗表明生物泡沫可能對污染物去除產生有利作用.例如,游佳等[22]通過測定脫氮除磷氧化溝系統中生物泡沫的耗氧速率、硝化速率和反硝化速率,除了發現泡沫具有良好的生物活性,還發現泡沫層中除絲狀菌外,還存活著大量硝化菌和反硝化菌,在一定條件下可能有助于反硝化和硝化作用.本研究通過Biolog方法分析泡沫中微生物群落對各類碳源的利用情況,同樣證實泡沫具有良好的微生物活性(圖4a),且泡沫中微生物對聚合物類、糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類和酚類碳源物質均可代謝利用,其中對胺類這種相對難降解物質的代謝利用度甚至高于污泥混合液(圖4b).鑒于以上分析可知,泡沫對于污水中復雜成分的去除可能會有效果.如何有效利用泡沫,而不是簡單地將其清除,對于提高污水廠運行效果具有一定的研究價值.

2.3.2 對膜污染的影響 試驗期間,系統進行了5次EFM清洗,未進行CIP清洗.在恒通量運行模式下,TMP可以反映膜污染狀況,其變化如圖8.TMP在12.7至32.9kPa范圍內變化,低于進行CIP 清洗的設定值(55kPa).周期性的EFM清洗在一定程度上可以緩解膜污染,但隨著運行時間的延長,TMP整體上呈上升趨勢,表明膜污染逐漸加重.

Cosenza等[10]研究了中試MBR系統中EPS對泡沫和膜污染的影響,進一步分析了泡沫和膜污染的關系,認為當MBR系統中發生泡沫時,膜污染速率反而降低,這是因為BEPS被"束縛"在漂浮著的泡沫層中.與此相反,Campo等[11]在研究間歇式曝氣膜生物反應器中的泡沫事件時,揭示出泡沫與膜污染現象不是相互獨立的,而是通過BEPS相互聯系,SI*和FP的強化會導致膜污染加重.Yue等[7]在小試MBR中研究膜的親疏水性對膜污染的影響時發現,在發生泡沫的條件下,疏水性膜受到的膜污染比親水性膜更為嚴重.也就是說泡沫對膜污染的影響與膜本身性質有關.本試驗結果基本符合Campo等[11]的結論,但仍需更深入的研究來論證泡沫和膜污染的關系.因為Campo等[11]曾指出生物反應器的幾何特征會影響泡沫特性.本研究中A2O-MBR規模遠大于前兩者的反應器規模,幾何特性亦不同于前兩者,且膜的親疏水性對泡沫與膜污染之間的關系亦會產生影響,故在今后的工作中還需進一步研究.

圖8 TMP隨運行時間的變化 Fig. 8 Variation of TMP with running time

3 結論

3.1 泡沫中絲狀菌豐度、微生物活性均高于污泥混合液,且泡沫中微生物對聚合物類、糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類和酚類碳源物質均可代謝利用,其中對胺類這種相對難降解物質的代謝利用度高于污泥混合液.

3.2 初步判定泡沫的產生主要由EPS和絲狀菌引起. SI*與EPStot、BEPS濃度相關,相關系數2分別為0.62、0.63,FP亦與二者顯著相關,2分別為0.83和0.83.泡沫中優勢絲狀菌主要是微絲菌和0092型菌.

3.3 泡沫期間,A2O-MBR工藝對COD、NH4+-N、TN、TP和濁度的去除率分別達88.1%±5.1%、99.1%±0.3%、64.0%±4.5%、70.8%±4.3%和99.5%±0.2%,出水完全滿足沖廁和綠化回用水質要求.除了TP外,其他出水指標還可滿足景觀回用水水質要求.另外,甚至有可能利用泡沫中微生物去除污水中的一些復雜有機物,具體利用方法有待進一步研究.

3.4 泡沫對膜污染產生一定的影響.

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Origin and influence of biological foaming phenomenon in an A2O-MBR process for wastewater treatment.

YU Zhen-zhen, HU Yi-song*, WANG Xiao-chang**

(Shaanxi Key Laboratory of Environmental Engineering, Key Laboratory of Northwest Water Resource, Environment and Ecology, Ministry of Education, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2019,39(3)：1034~1042

A full-scale A2O-MBR wastewater treatment plant was investigated to analyze the phenomenon and characteristics of foam (quality/quantity and biological feature) in the oxic tank. Furthermore, the possible causes of foaming, as well as the effects of foaming on the pollutants removal and membrane fouling were elucidated. The results showed a significant progression of the foaming phenomenon, whereby the foam quality/quantity parameters (foam quantity-Scum index, SI*and foam potential/stability- Foam power, FP) increased considerably with running time. Also, the foam SI* and FP values were significantly correlated with the concentrations of total EPS and bound EPS. In addition, the abundance of filamentous bacteria and microbial activity in the foam were notably higher than that in the mixed liquor. Analytically, the formation and stability of foam might be caused by EPS and filamentous bacteria (mainlyand Eikelboom 0092type). Nonetheless, the efficiencies of pollutants removal (COD、NH4+-N、TN、TP and turbidity) were found to be free from the negative effects of biological foam. In contrast, membrane fouling was influenced by biological foam to some extent.

A2O-MBR；biological foam；extracellular polymeric substance (EPS)；filamentous bacteria；wastewater treatment

X703

A

1000-6923(2019)03-1034-09

于真真(1988-),女,河南濟源人,西安建筑科技大學博士研究生,主要從事膜法污水處理與回用技術.發表論文9篇.

2018-07-25

國家自然科學基金資助項目(51778522,51508450);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07310-001)

*責任作者, 副教授, yshu86@163.com;**教授, xcwang@xauat.edu.cn