胞外聚合物生成的影响因素及膜污染的研究

杨义飞，赵飞飞，徐晓鸣，滕希红

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101;2.山东同圆设计集团，山东 济南 250101)

0 引言

水资源是人类赖以生存与发展的重要资源，污水资源作为第二水源将从根本上解决水资源匮乏的局面[1]。膜生物反应器(MBR)是一种膜分离技术与生物技术相结合的可实现污水资源化的新型污水处理技术，具有处理效率高、占地面积小、出水稳定、排泥量少等优点。但混合液与膜相互作用容易引发膜污染[2－3]，这极大地限制了膜生物反应器的推广应用[4]。相关研究表明，污泥混合液中的胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物代谢产物(SMP)是MBR工艺主要的污染物质[5－6]。Chang 与 Kim[7]对各种污泥中EPS的含量做了定量分析，研究结果显示膜污染程度与污泥中EPS的含量呈正相关。

Hsieh等人[8]研究发现，根据存在状态，EPS可分为溶解性胞外聚合物(Soluble EPS，EPSS)和附着性胞外聚合物(Bound EPS，EPSB)。EPSS可释放入水对污泥性能的影响不大;但EPSB附着于细胞表面，与微生物细胞构成污泥基本成分。一般提到EPS多指EPSB。根据结合的紧密程度，EPSB又分为双层，内层附着紧密，称为紧密附着型胞外聚合物(tightly bound EPS，TB-EPS);外层为与周围环境无明显边缘、疏松附着的粘液层，称为松散附着型胞外聚合物 LB-EPS(loosely bound EPS，LB-EPS)[9]。因为TB-EPS紧密附着在细胞表面，不易释入混合液中，所以对膜污染影响不大。因此本文重点探讨不同污泥浓度与LB-EPS的关系以及对膜污染的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验用膜生物反应器为有机玻璃构造，长0.76 m、宽 0.26m、高 0.70m，有效容积为 120L。聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件，膜孔径0.2μm，膜面积0.3m2，下方设有微孔曝气装置，曝气量通过玻璃转子流量计调节;进水通过液位控制仪控制进水泵的开停控制;膜出水采用抽吸泵，通过出水管上真空表的读数反映膜污染的情况。

1.2 试验条件

膜生物反应器运行条件:

(1)水力停留时间6h;

(2)抽吸泵开/停时间比为5min∶1min;

(3)试验采用淀粉、蛋白胨、氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁及硫酸铜进行人工配制生活污水。根据试验要求改变进水浓度与营养比例。水质指标见表1。

1.3 分析方法

pH、溶解氧、温度分别用精密酸度计、溶解氧仪、温度计测定。EPS中多糖和蛋白质的含量采用蒽酮比色定糖法和考马斯亮蓝结合法测定。

表1 配水水质指标及浓度

2 结果与讨论

2.1 污泥浓度对混合液中LB-EPS的影响

本实验设定了4个污泥浓度(MLSS)梯度分别为 3g/L、4g/L、6g/L、8g/L。

2.1.1 污泥混合液中LB-EPS的含量变化

运行周期中污泥混合液LB-EPS的浓度和组成变化见图1～3。可见，4个污泥浓度梯度中，随着污泥浓度的升高，LB-EPS中多糖和蛋白质的含量都有增多趋势。这一方面可能是由于活性污泥浓度升高，微生物代谢产物总量也随之增多;另一方面，由于污泥负荷降低，微生物所需的营养不足，进行内源呼吸释放出大量的EPS[10]，同时丝状菌大量繁殖，产生了更多的EPS[11]。所以，随着MLSS浓度的升高，污泥负荷的降低，LB-EPS含量升高。

图1 混合液中LB-EPS浓度随运行时间的变化

图2 各浓度梯度LB-EPS中多糖浓度随运行时间的变化

图4显示了4个浓度梯度下蛋白质/多糖(p/c)随运行时间的变化情况。由图可知，p/c的比值随污泥浓度加大而逐渐增大，但总体趋势变化不明显。这可能是因为污泥浓度的变化，使得微生物的生长速率和微生物群落发生了改变，导致了LB-EPS中蛋白质与多糖组成成分的改变。随着生物量增大，底物减少，使得微生物可能利用LB-EPS中的多糖作为生长碳源[12]，从而导致p/c的值随着泥龄的增加而增大。

图3 混合液LB-EPS中蛋白质浓度随运行时间的变化

图4 各污泥浓度梯度LB-EPS中p/c随运行时间的变化

2.1.2 LB-EPS各组分与膜污染关系

图5 污泥浓度与膜污染速率的关系

当MLSS为3g/L、4g/L、6g/L和 8g/L时，反应器分别运行了 20、15、13、7d后，真空表读数超过0.04MPa，清洗膜组件。图5为各个污泥浓度膜污染速率，以平均浓度代替EPS各组成成分的实测浓度。膜污染速率以每个周期始末的压力表读数之差与周期时长比计，单位kPa/d，以反映膜污染的快慢。随着MLSS浓度的升高，膜污染加快，MLSS小于6g/L时，膜污染速率上升比较缓慢;MLSS高于6g/L以后，膜污染速率上升急速，MLSS=8g/L时，膜污染速率远大于MLSS=6g/L时的污染速率。

图6 污泥混合液中LB与膜污染速率的关系

由图6可知，膜污染速率随着LB-EPS及其组成成分的含量的增加而逐渐增快。当LB-EPS＞18mg/L以后，就会对膜污染产生很大的影响。LBEPS位于细胞外部，LB-EPS量的增加而引起污泥混合液粘度的增加，从而极易吸附沉积在膜表面，导致更为严重的膜污染。

2.2 温度对EPS总量及膜污染的影响

2.2.1 温度对EPS总量的影响

试验研究了10℃、15℃、25℃、30℃四个温度条件下EPS总量及膜污染情况。试验结果如图7所示。

图7 温度对EPS的影响

从图中可知温度对EPS有明显的影响。水温为10℃时，污泥中EPS含量较高，在水温升至15℃过程中，污泥中EPS的浓度有所降低，而温度继续升高至25℃时EPS的含量略有回升但总体平稳。这可能是污水处理中活性污泥微生物多属中温菌，其最适温度介于25～40℃之间。水温较低时，微生物代谢活动减弱，细胞发生衰退，释放出胞内聚合物。当水温上升时，细菌活性逐渐恢复，EPS释放量减少。而温度上升至25℃以上时，EPS的含量又开始增加。这可能是由于最适温度的条件下微生物的生理活动旺盛，酶促反应加速，微生物分泌增加造成的。

2.2.2 温度对膜污染的影响

在每个温度梯度条件下运行10d，各周期的膜污染速率如图8所示。变化趋势与EPS含量变化一致，这与前面结论相同，EPS是导致膜污染的因素。

图8 各温度下的膜污染速率

3 结论

(1)在污泥浓度MLSS≤6g/L之前，膜污染速率上升比较缓慢;当MLSS＞6g/L以后，膜污染速率急速上升，这时EPS可能会对膜污染产生很大的影响。随多糖和蛋白质含量的增加，膜污染速率加快，且蛋白质是膜污染的主要污染物。

(2)介于15～25℃适宜温度下，微生物的代谢和生长较好，污泥中EPS的量较低。而当水温低于15℃或高于25℃时，不适宜微生物生长，由于微生物大量死亡释放出大量的胞内聚合物，EPS的含量较高。总体上膜污染速率变化趋势与EPS含量变化趋势一致。

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