PAC更新率對PAC-MBR耦合處理效能及污泥特性的影響

張 事,張忠義,鄢 琨,徐望朋

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北武漢 430010;2.長江設計集團有限公司,湖北武漢 430010;3.流域水安全保障湖北省重點實驗室,湖北武漢 430010)

世界范圍的水資源短缺和日益嚴格的廢水排放標準凸顯了可持續廢水處理的必要性[1]。與傳統的活性污泥法相比,膜生物反應器(MBR)具有占地面積小、維護成本低、污泥產量低、營養鹽及有機物去除率高等優點。然而,膜污染仍然是MBR廣泛應用的主要限制因素。膜污染會導致跨膜壓力(TMP)的增加,同時導致操作成本增加[2-3]。目前大量研究致力于減輕膜污染,其中包括膜清洗優化[4]、添加顆粒材料[5]和無機絮凝劑(明礬、聚合氯化鋁等)[6]。

研究[7]表明,在MBR中添加粉末活性炭(PAC)可以減緩膜污染,降低運行成本約25%。PAC主要是通過高吸附力增強有機污染物的降解;老化的PAC會降低膜過濾性能和膜污染的改善效果[8]。因此,有必要穩步更新老化的PAC。Nicolas等[9]發現PAC更新率為5%時,有機物吸附效果較好,沉積物及生物絮體結構變化進而減緩膜污染速率。Jeong等[10]研究發現,海水中的出水溶解性有機碳(DOC)和可吸收有機碳濃度在PAC更新率為1.5%時降低,膜污染速率也有所減緩。因此,關于PAC更新率對膜污染減緩效果未有一致結果,特別是其對污泥的可過濾特性和微生物群落影響。本研究通過探索研究不同PAC更新率對污泥過濾能力和微生物群落結構變化的影響,嘗試來篩選最佳的PAC更新率并揭示及其對膜污染改善效果的影響機制,創新性地研究出適宜的PAC更新率,可以有效改善微生物的活性并減緩膜污染進程。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

MBR反應器是由有機玻璃制成,底盤直徑為15 cm,高為150 cm,有效容積為22 L。反應器中平行放置一個束式中空纖維聚偏氟乙烯(PVDF)膜組件(MOF-1B-W,MOTECH,中國),膜組件有效過濾面積為0.3 m2,內徑為0.8 mm,外徑為1.2 mm,最大孔徑為0.2 μm。在整個運行階段采用底部微孔連續曝氣供氧,使得反應器內DO質量濃度在2～4 mg/L,由蠕動泵(BT100-1 L,LongerPump,中國)控制保持恒定的出水流量,水力停留時間(HRT)為6 h。采用8 min出水、2 min反沖洗及進水的時間模式控制裝置的運行,在膜組件和出水泵之間安裝壓力計測量TMP,反映膜的污染情況,當TMP達到40 kPa時需對膜組件進行清洗。整個運行工藝以可編程邏輯控制器(PLC)控制水位的恒定實現進出水、反沖洗等運行過程的自動控制,并且室內溫度一直控制在25 ℃左右。MBR裝置示意圖及實際運行裝置如圖1所示。

圖1 PAC-MBR裝置示意圖(a)及實際運行裝置圖(b)

1.2 原水水質及接種污泥

本研究所用武漢某高校生活污水,采用葡萄糖、淀粉、磷酸二氫鉀、銨鹽、尿素等一些微量元素調整水質,其水質如表1所示。CODCr、氨氮和TP等物質在原水中的濃度存在一定的波動,但是整體來說進水中C、N、P的比例接近100∶5∶1,進水的pH值也一直維持在6.5～7.5,適合活性污泥中微生物的生長[11],并且原水中還添加了微生物生長所需的各種微量物質,避免了微生物由于營養不均衡而提前進入衰亡期的情況,能保證反應器的良好運行。

表1 原水各項指標濃度

試驗所用活性污泥取自武漢市某污水處理廠AAO工藝的二沉池,在試驗室通過SBR法對獲取的污泥進行馴化。SBR的運行工況為進水(瞬時),曝氣3.5 h,沉淀30 min,出水20 min。

1.3 試驗設計

試驗所用的PAC是200目的木屑原生炭,產自鞏義市先科供水材料有限公司。PAC在投放到反應器中以前,通過蒸餾水清洗,并且在50 ℃條件下烘干保存。

污泥馴化到氨氮和CODCr的去除率達到試驗要求,MLSS為(4.35±0.20)g/L,此時向4個反應器中同時投加膜組件和2 g/L的PAC投加量,以下分別簡稱為MBR-A、MBR-B、MBR-C、MBR-D。膜通量為15 L/(m2·h),運行階段通過排泥控制反應器中PAC停留時間分別為無窮、80、60、40 d,同時向MBR-B、MBR-C、MBR-D中添加0.55、0.82、1.10 g新的PAC,即PAC的更新率分別為0、1.25%、1.67%、2.50%。

在PAC-MBR中,PAC的停留時間可以定義為反應器內PAC的質量與每天更換的PAC質量之間的比例,而PAC更新率對應于PAC停留時間,可以用每天排除污泥的體積和反應器內的PAC濃度來識別這種關系[12]。因此,PAC的更新率是根據PAC的停留時間來計算的,如式(1)。

(1)

其中:ζ——PAC更新率;

δPAC——PAC停留時間,d;

QR——每天排除污泥的體積,L/d;

Vr——反應器的體積,L;

mPAC——反應器內的PAC質量,g;

CPAC——反應器內的PAC質量濃度,g/L。

1.4 分析方法

常規指標分析方法如下。CODCr采用重鉻酸鉀快速消解法測定,用硫酸汞掩蔽氯離子[13]。氨氮、TN、MLSS、MLVSS、SV采用《水質和廢水監測分析方法》(第四版)中推薦的方法進行測定[14]。可溶性微生物產物(SMP)采用離心過濾法提取,胞外聚合物(EPS)采用加熱法提取[15],并且采用苯酚-硫酸法[16]和改良型的Lowry法[17]測定SMP和EPS中的多糖和蛋白質含量。DNA以二苯胺法進行測定,以DNA鈉鹽作為標準物質[18]。多糖、蛋白質和DNA的總和即為SMP和EPS的含量。

高通量測序:在反應器運行到76 d,從4個反應器的上中下層分別取3個污泥樣品。根據制造商的說明使用E.Z.N.A.?Soil DNA試劑盒提取DNA,并通過0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質量,然后用NanoDrop ND-1000分光光度計(Thermo Scientific,USA)對DNA進行定量。本試驗選用長度約為250 bp的細菌16 S rRNA基因的高度可變的V4區用來測序。聚合酶鏈式反應(PCR)擴增選用細菌16S rDNA定制V4區特異性引物,引物為515F(5’-barcode+ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3’)。該擴增子由派生諾公司(上海,中國)在Illumina MiSeq平臺上進行測序。

2 結果和討論

2.1 PAC-MBR污染物去除效能

2.1.1 CODCr

反應器運行階段,不同PAC更新率的反應器中進水、出水及上清液中CODCr的濃度以及去除率隨時間的變化趨勢如圖2所示。由圖2可知,4個反應器對CODCr都表現出較好的去除效果。在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,上清液的CODCr質量濃度分別是(30.91±14.23)、(30.81±22.53)、(28.85±8.23)、(31.76±14.52)mg/L,平均去除率分別達到了92.32%±4.21%、92.52%±5.00%、92.73%±2.50%、92.29%±3.07%,上清液的CODCr去除率達到了92%以上;出水的CODCr質量濃度分別是(20.01±6.29)、(16.79±3.60)、(11.75±4.27)、(17.79±5.03)mg/L,出水CODCr的平均去除率是94.98%±1.95%、95.82%±0.98%、97.05%±1.34%、95.58%±1.27%,去除率達到了94%以上。當PAC的更新率為1.67%時,CODCr的去除效果最好,出水CODCr去除率相比未更新PAC的反應器提高了2%左右,這主要是PAC的更新導致MBR中膜表面形成的餅層厚度、生物活性以及滲透特性存在差異,進而也影響反應器中SMP的生成[19]。

2.1.2 氨氮

在運行階段,不同PAC更新率的反應器中進出水及上清液中氨氮的濃度及去除率隨時間的變化趨勢如圖3所示。4個反應器對氨氮都表現出較好的去除效果。在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,上清液的氨氮質量濃度分別是(0.83±0.60)、(0.59±0.30)、(0.51±0.26)、(0.83±0.51)mg/L,平均去除率分別達到了98.01%±1.46%、98.60%±0.68%、98.82%±0.47%、98.06%±1.13%;反應器的出水氨氮質量濃度分別是(0.55±0.30)、(0.39±0.29)、(0.44±0.24)、(0.52±0.30)mg/L,平均去除率分別達到了98.65%±0.77%、99.05%±0.75%、98.94%±0.63%、98.75%±0.76%。4個反應器對氨氮都有較好的去除效果,上清液和出水的平均去除率在98%以上。對于4個反應器而言,PAC的更新有利于反應器對氨氮的降解作用,并且當PAC的更新率為1.25%時,上清液和出水的氨氮處理效果都是最佳的。

圖3 氨氮隨時間的變化

2.1.3 TN

圖4 TN隨時間變化

2.2 污泥特性變化

2.2.1 MLVSS/MLSS及MLSS變化

圖5給出的是反應器運行階段污泥濃度以及污泥有機組分的變化情況。由圖5(a)可知,4個反應器的MLVSS/MLSS在整個運行階段趨于逐漸增大的趨勢,在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,MLVSS/MLSS由開始的0.709、0.674、0.687、0.661上升到0.817、0.887、0.885、0.906。4個反應器的MLVSS/MLSS平均值分別是0.802±0.038、0.817±0.052、0.822±0.052,0.833±0.063,不同PAC更新率的反應器之間未發現MLVSS/MLSS存在明顯的差異。同時,4個反應器的MLVSS/MLSS值與城市污水處理廠的MLVSS/MLSS經驗值(0.75)比較接近,說明了反應器處于比較穩定的運行狀態[22]。

圖5 (a)MLVSS/MLSS隨運行時間的變化和(b)MLSS隨運行時間的變化

由圖5(b)可知,4個反應器從運行開始到結束,MLSS都有一定程度的提高。在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,MLSS由開始的5.1、5.059、5.112、5.221 g/L上升到11.77、8.608、8.6、8.274 g/L,4個反應器的平均MLSS質量濃度分別是(8.247±1.839)、(6.692±0.957)、(7.074±0.855)、(6.712±0.755)g/L。未更新PAC的反應器污泥濃度明顯高于更新PAC的反應器,這可能與PAC更新的同時也會進行定量排泥有關[23]。

2.2.2 SMP變化

SMP的主要成分是多糖、蛋白質等有機物,大部分產生于微生物的基質分解和內源呼吸過程,其中高分子物質的含量較高且可生物降解性差,因此,SMP會在MBR中積累[24]。圖6展示4個不同的反應器SMP組分及含量隨運行時間的變化趨勢。

圖6 (a) SMP隨運行時間的變化;(b) SMP中蛋白質及多糖的含量

由圖6(a)可知,反應器運行前期(0～16 d),SMP含量逐步上升,這是由于劣勢菌種死亡以及優勢菌種大量繁殖,從而代謝大量的SMP。反應器從第16 d運行到第37 d,SMP含量逐漸下降,在第44 d SMP出現最大值,然后在第51～65 d以及第75～104 d出現兩段逐漸增長的趨勢,4個反應器的SMP濃度變化波動規律比較相似。PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,平均質量分數為(5.50±2.16)、(6.60±1.58)、(6.01±1.12)、(5.94±1.41) mg/(g VSS)。圖6(b)描述的是SMP中蛋白質與多糖的平均值變化,整個運行階段,SMP的多糖平均質量分數分別是(0.75±0.38)、(1.18±0.67)、(1.06±0.64)、(1.04±0.62)mg/(g VSS),可以看出隨著PAC的更新加劇了反應器內SMP中多糖含量的積累,并且隨著更新率的逐漸增大,反應器對SMP中多糖的降解吸附作用逐漸增強[12]。SMP中蛋白質質量分數分別是(3.36±1.75)、(4.02±2.63)、(2.91±1.28)、(3.46±1.65)mg/(g VSS),當PAC更新率達到1.67%的時候,SMP中蛋白質的濃度最低。

2.2.3 EPS的變化

EPS作為活性污泥的重要組成部分,是細菌在一定條件下形成的自我保護和相互黏附,并在饑餓環境下為細菌提供碳源和能量的有機物質[25]。單位質量活性污泥中EPS及其各組分濃度隨運行時間的變化情況如圖7所示。由圖7(a)可知,4個反應器在運行0～60 d的時候,單位質量活性污泥中EPS的含量隨著運行時間的延長呈現上升趨勢,達到最大值后隨著運行時間又出現不規律性的減小,在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,單位質量活性污泥混合液的EPS質量分數在第30、37、30、37 d分別達到最大值106.90、109.60、138.51、138.89 mg/(g VSS)。反應器在運行第60～104 d的時候,單位質量活性污泥中EPS的含量隨著運行時間的延長呈現上升趨勢,達到最大值后隨著運行時間又出現不規律性的減小,在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%的情況下,單位質量活性污泥混合液的EPS質量分數分別在第85 d達到最大值102.44、140.53、124.97、131.75 mg/(g VSS)。在這個階段反應器表現出與前一階段相同的變化趨勢,隨著運行時間的延長呈現上升的趨勢,當達到最大值后隨著運行時間延長呈現不規律性的減小,這可能與污泥中微生物周期性更替相關[26]。

圖7 (a) EPS隨運行時間的變化;(b) EPS中蛋白質及多糖的含量

整個運行階段,EPS以及其重要組分蛋白質和多糖含量的平均值如圖7(b)所示。在PAC的更新率分別是0、1.25%、1.67%、2.50%時,多糖質量分數分別是(8.54±3.53)、(9.47±4.13)、(10.84±4.12)、(11.87±0.37)mg/(g VSS),很顯然MBR-A中EPS的多糖含量明顯少于其他反應器,說明隨著PAC更新率的增加,多糖濃度不斷增大。而4個反應器蛋白質質量分數分別是(58.80±21.25)、(64.71±25.65)、(73.01±25.69)、(76.71±25.86)mg/(g VSS),即PAC更新率不斷增大,EPS中蛋白質含量也不斷增多。隨著PAC更新率的增加,EPS的含量也逐漸增大,每一個反應器中多糖的含量明顯低于蛋白質的含量,這可能是在更新PAC的同時也排出大量污泥,使得反應器內源環境發生了變化,加快了微生物分泌EPS。同時,由于新鮮PAC的加入吸附大量的有機物,加大了污泥混合液中有機物的含量,最終導致EPS中多糖和蛋白質含量升高[27]。

2.2.4 微生物群落變化

將各分類水平的群落組成數據根據分類單元的豐度分布或樣本間的相似程度加以聚類,并且根據聚類結果對分類單元和樣本分別排序,以熱圖的形式加以呈現[28]。結合聚類分析的屬水平群落組成熱圖如圖8所示。圖8中紅色代表在對應樣本中豐度較高的屬,綠色代表豐度較低的屬。

注:A1、A2及A3為反應器A的3個平行樣品,B1、B2及B3為反應器B的3個平行樣品,C1、C2及C3為反應器C的3個平行樣品。

同一反應器不同高度的群落差異性不明顯,不同反應器之間的群落差異性顯著。Dinghuibacter、Pirellula、Phaselicystis、Solitalea、Turneriella、Woodsholea、Hyphomicrobium在反應器B中的豐度值較高,而其他3個反應器這些屬種的含量不是很高;Denitratisoma、Aeromonas、Nitrospira、Tolumonas、Desulfovibrio、Roseiflexus、Sulfurospirillum、Bryobacter、Thiothrix、Sphaerotilus在反應器D中的豐度值較高,而在其他反應器的豐度值較低;反應器C中的Nitrosomonas、Pedobacter、Plasticicumulans、Dechlormonas、Yangia、Azonexus、Thauera、Nannocystis、Prosthecobacter等屬種的豐度明顯高于其他反應器。綜上所述,不同反應器之間群落的差異性顯著。

Planctomyces同樣也是優勢菌屬,4個反應器的豐度分別是3.23%±0.77%、3.88%±0.40%、3.96%±0.17%、2.77%±0.16%,可以看出PAC更新率是1.67%時,Planctomyces的豐度值最高。Nitrospira是常見的硝化細菌,氨氧化以后進入硝化反應階段,其豐度的大小決定了氨氮去除的效率[29],4個反應器的Nitrospira都有較高的豐度,所以氨氮的去除效果都比較顯著,去除率均達到了98%以上。除此之外,MBR-B、MBR-C中的Thiobacillus具有較高的豐度值,而MBR-A、MBR-D的豐度均小于1%;Dechloromonas大量存在于MBR-C中,豐度達到了2.69%±0.38%。Zoogloea相較其他反應器而言廣泛存在于MBR-A中,豐度是2.04%±0.20%,即PAC的更新減弱了該菌屬的生長繁殖。Nannocystis存在于MBR-B、MBR-C、MBR-D,說明PAC的更新加強了該菌屬的生長繁殖。往往這些細菌的富集可能與反應器中大分子的降解和膜污染的減輕有關[30-31]。

2.3 膜運行情況

大量研究[32]表明,膜表面污染物的種類和數量及膜孔徑都會影響膜堵塞,而膜孔堵塞又是造成TMP改變的主要原因。因此,TMP是預測MBR系統膜污染的重要參數。TMP變化趨勢一般分為兩個階段:運行前期TMP緩慢升高,隨后TMP顯著上升。圖9所示的是不同PAC更新率的MBR在TMP達到40 kPa的兩個周期內TMP隨時間變化趨勢,當PAC更新率為1.67%,TMP的運行周期延長25 d。

圖9 TMP隨運行時間的變化趨勢

為了更好地反映4種MBR系統的污染情況,本試驗引入膜污染速率K值,即為跨膜壓力與通量及過濾時間的比值[33],兩個階段的K值列于表2中。4個反應器的K1均小于K2,說明MBR后期的污染速率高于早期階段,這也與圖9中TMP的變化趨勢剛好吻合,并且PAC更新減小污染速率K值,這就說明了PAC更新減緩了TMP的增長,同時延長了膜組件的使用壽命。值得注意的是,由于活性污泥濃度會隨著污泥齡(SRT)的增加而不斷升高,MBR-A恰好有著較高的MLSS,而過高的污泥濃度容易造成膜表面濾餅層更快積累,使膜污染速率再次升高[34],與此處較高的污染速率剛好吻合,進一步說明了MBR-A相比其他反應器而言膜組件污染嚴重。而當PAC的更新率為1.67%,第一周期中MBR-C的K值最低,污染速率降低約45.5%。

表2 各個反應器兩階段的污染速率

3 結論

本文主要研究了不同PAC更新率下PAC-MBR的污泥過濾特性和微生物群落組成。PAC的更新率對CODCr、氨氮及TN的去除效率都沒有顯著差異,出水CODCr去除率基本維持在94%以上,氨氮去除率保持在98%以上,TN的去除率基本低于45%。SMP污染潛力隨著PAC更新率的增加而降低,而多糖積累量卻在增加;而EPS中多糖及蛋白質的累積量均隨著PAC更新率的增大而不斷增多。通過高通量測序分析PAC的更新率可以減少Betaproteobacteria的豐度,進而減緩膜初期污染。促進了Proteobacteria、Bacteroidetes和Nitrospira等的生長繁殖,強化了污染物去除。當PAC更新率達到1.67%時促進效果較為顯著,優勢菌群的繁殖進一步加大,同時降低污染速率,TMP的運行周期延長25 d,污染速率降低約45.5%。最佳PAC更新率能夠有效改善污泥過濾特性并增強優勢細菌結構,進而減緩膜污染。