曝气强度对膜生物反应器中胞外聚合物组成及分布的影响

陈春梅，张君，李秀芬*，王新华，任月萍

（1.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏无锡214122）

曝气强度对膜生物反应器中胞外聚合物组成及分布的影响

陈春梅1，2，张君1，2，李秀芬*1，2，王新华1，2，任月萍1，2

（1.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡214122；2.江苏省厌氧生物技术重点实验室，江苏无锡214122）

以膜生物反应器处理模拟生活废水为研究体系，研究了曝气强度对系统比耗氧速率、胞外聚合物含量及分布的影响。结果表明，随着曝气强度增大，比耗氧速率增加，反应器内上清液胞外聚合物含量下降，污泥胞外聚合物含量则变化不大，且胞外聚合物组成均以多糖为主。然而，膜污染层中溶解态胞外聚合物及总胞外聚合物含量随曝气强度升高而增加，其组成以蛋白质为主。膜污染速率与污泥混合液溶解态胞外聚合物中蛋白质与多糖的比值呈正相关。

曝气强度；膜生物反应器；胞外聚合物

近年来，作为废水物理与生物处理技术的优势组合，以剩余污泥产量低和高效脱氮见长、以污水资源化（或回用）和无害化为最终目标的膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）技术已在污水处理领域得到广泛的应用。据统计，我国投入运行或在建的MBR系统已超过500套，其中万吨级MBR系统近20套［1］。然而，国内外实践表明，膜污染始终是制约MBR稳定运行的主要障碍［2］。

研究表明［3］，膜污染主要是由胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）引起的。早在1988年，Flemming就提出了膜生物污染的4阶段学说。该学说认为，膜的生物污染分为4个阶段。第一阶段：多糖、蛋白质、腐殖质与其它微生物的代谢产物等大分子有机物在膜表面的吸附，形成一层具备微生物生存条件的生物膜。第二阶段：体系中粘附速度快的细胞完成初期粘附过程，且死亡与活细菌在这一阶段的粘附行为是相同的。第三阶段：由于后续大量不同菌种的粘附，特别是胞外聚合物的形成，加剧了微生物的群聚和繁殖。第四阶段：在膜表面形成了一层生物膜，造成膜的不可逆阻塞/污染，使产水阻力增加。显然，EPS在膜表面、膜孔内以及膜中空纤维/膜片间的累积（即生物污染）将直接影响MBR的效率和经济性。

EPS是一定环境条件下活性污泥中的微生物主要是细菌分泌的用于自我保护和相互粘附的细胞代谢产物或细胞自溶物，主要成分为蛋白质、多糖、腐殖质和核酸等［4-5］。通常，MBR中曝气强度越大，膜面水力剪切力越大，膜面污染物越难以附着沉积，亦可促使膜表面已沉积污染物脱附，可大大缓解膜污染。因此，超强曝气是MBR工程中普遍采用的膜污染防治措施之一。而微生物抵御外界环境条件（包括水力剪切力或曝气强度）变化的方式之一是分泌释放更多的EPS。Starkey和Kar［6］的研究结果即表明，当系统处于限氧和氧被耗尽的情况下（即曝气量较低），EPS的形成受到抑制。曝气强度与EPS密切相关。研究曝气强度对MBR中EPS组成及分布的影响，可为膜污染防治提供有益参考。

1　材料与方法

1.1实验材料

实验装置如图1所示，为一体式MBR反应器。

膜组件为天津膜天膜工程技术有限公司生产的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）中空纤维微滤膜，膜面积为2 m2，膜孔径为0.2 μm，纤维内径为0.65 mm，外径为1.0 mm。反应器主体为矩形有机玻璃容器，总容积达100 L，有效容积为80 L。

图1　MBR实验装置Fig.1　Schematic of MBR

实验用水为人工配制模拟废水，主要由葡萄糖、碳酸氢铵、磷酸二氢钾、乙酸钠、蛋白胨、酵母膏及少量微量元素组成，COD在330～400 mg/L之间，NH3-N质量浓度为30 mg/L，pH值为7.0±0.2。模拟废水组成如表1所示。

表1　模拟废水的组成Table 1　Components of synthetic wastewater

1.2实验条件

接种污泥取自无锡市芦村污水处理厂的剩余污泥，初始接种污泥质量浓度为3 g/L，其MLVSS/ MLSS比值为0.41。采用恒通量操作模式，膜通量控制在6 L/（m2·h）左右（除特殊说明外，所指通量均为瞬时通量），反应器进出水为自动控制。实验期间，污泥停留时间为20 d，室温运行。

在曝气强度（相对于膜面积）分别为800、600 L/（m2·h）和400 L/（m2·h）条件下启动MBR反应器，运行稳定后，不同曝气强度的COD去除率均高于94%，系统出水COD均低于36 mg/L［7］，此时，取出膜组件，小心刮去膜面沉积物，并取一定体积的污泥混合液，分别测定比耗氧速率、上清液EPS组成及含量、污泥EPS组成及含量和膜面沉积物中EPS组成及含量，研究曝气强度对EPS组成及分布的影响。1.3分析测试项目及方法

取一定体积的污泥混合液，8 000 r/min离心10 min，所得上清液用于测定反应器上清液中EPS的含量［8］。分别将上述沉淀物和膜面沉积物再悬浮于质量分数0.9%的NaCl溶液中，80℃水浴热提取30 min，然后12 000 r/min离心15 min，上清液分别用于测定污泥和膜面沉积物中EPS的含量。EPS中蛋白质和多糖分别采用考马斯亮蓝G250染色法和苯酚-硫酸法测定［9］。

污泥比耗氧速率（Specific oxygen utilization rate，SOUR）采用标准方法测定［10］。

2　结果与讨论

2.1污泥比耗氧速率

由于含碳有机物、氨氮等物质的去除都是耗氧过程，因此，SOUR（单位时间内单位质量的活性污泥所消耗的氧量）的大小可用来表征有机污染物去除过程中好氧微生物的活性，它从微生物呼吸角度反映了基质代谢情况［11］。不同曝气强度下污泥SOUR的变化情况如图2所示。可见，随曝气强度增加，污泥比耗氧速率呈上升趋势，从400 L/（m2·h）时的18.35 mg/（g·h）升高到800 L/（m2·h）时的24.96 mg/（g·h），表明随着曝气强度增加，微生物活动加剧。

图2　污泥比耗氧速率的变化Fig.2　Variations in sludge SOUR

2.2反应器上清液中EPS组成及含量

图3为不同曝气强度条件下反应器上清液中EPS的组成及含量的变化情况。随着曝气强度升高，反应器上清液中的蛋白质、多糖及EPS总量大体呈下降趋势，当曝气强度为800 L/（m2·h）时，蛋白质、多糖及EPS质量分数分别为0.06、0.43 mg/g和0.49 mg/g。上清液中EPS含量取决于微生物产生EPS与降解消耗EPS的动态平衡。生物处理系统中，微生物生长代谢及细胞自溶（或内源呼吸）均产生EPS，而EPS特别是胞外蛋白质和多糖又是可以生物降解的，当曝气强度升高时，体系溶解氧浓度增大，微生物活动加剧（图2），体系累积的EPS作为基质被降解利用。

图3　上清液中EPS组成及质量分数的变化Fig.3　Variations in EPS components and their contents in supernatant

EPS是影响活性污泥相对疏水性的根由［12］。研究表明，EPS的疏水部分主要由蛋白质组成，带有疏水部位的氨基酸对微生物絮体的疏水性影响很大。而多糖中含有羧基等亲水性基团，使污泥表面具有较高的亲水性，蛋白质与多糖的质量比值能准确地表现污泥的疏水性［13］。反应器上清液中的EPS以多糖为主，运行稳定后，曝气强度为400、600和800 L/（m2·h）时的蛋白质与多糖的质量比值分别为0.35、0.24和0.16。此外，在每个曝气强度运行周期内，上清液EPS含量都呈先增加后降低的趋势，可能是由于体系环境条件发生变化时，微生物分泌较多EPS作为应答，随着运行时间延长，微生物逐渐适应环境变化，累积的EPS逐渐被降解。吴金玲［14］等关于膜污染造成的膜过滤阻力与溶解态EPS浓度的相关关系研究中发现，随着曝气强度增加，膜污染速率降低，这与上清液中EPS含量的变化趋势一致。曝气强度增加可以缓解膜污染，但缓解机理并不仅仅局限于较大的曝气强度产生较强的膜面剪切力，还与体系上清液中EPS的组成及含量密切相关。

2.3污泥EPS组成及含量

如图4所示，MBR反应器中曝气强度对污泥中总EPS组成及含量的影响不大，且均以多糖为主，当曝气强度为400、600 L/（m2·h）和800 L/（m2·h）时，多糖、蛋白质及总EPS含量几乎没有变化。结合图3可知，当曝气强度发生变化时，微生物作为应答分泌的EPS主要为溶解态EPS，对污泥EPS的组成及含量影响不大，这一特性使得微生物对外界环境的变化具有较好的抵抗能力。李绍峰［15］等人研究了EPS与MBR中污泥活性的关系，结果表明，EPS含量增加，污泥活性随之增强，同时大量研究确认，EPS的增加会导致更严重的膜污染。这一结果说明，引起膜污染的主要是体系上清液中的溶解态EPS。

图4　污泥EPS组成及其质量分数的变化Fig.4　Variations in EPS components and its contents in sludge

2.4膜面污染层EPS组成及含量

膜面污染层EPS的组成及含量与MBR污泥混合液中的EPS密切相关。图5和图6分别给出了膜面污染层中溶解态EPS和总EPS的组成及含量。随着曝气强度增加，膜污染层沉积物中的溶解态EPS和总EPS含量均增大，与污泥混合液相比，溶解态EPS在总EPS中的质量比例大幅增加，由0.1左右增到0.6，可能是因为溶解态EPS更容易与膜面接触。此外，膜面污染物以蛋白质为主，膜面污染层溶解态EPS中蛋白质与多糖的质量比值在1.1～2.0之间，总EPS中蛋白质与多糖的质量比值在1.0～1.8之间，可能是蛋白质在膜上的选择性吸附所致。

图5　膜面污染层溶解态EPS组成及其质量分数的变化Fig.5　Variations in soluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

图6　膜面污染层不溶性EPS组成及其质量分数的变化Fig.6　Variations in insoluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

表明，与混合液中污泥EPS变化趋势相似，蛋白质与多糖质量比值均随曝气强度增加而减小。

2.5MBR中的EPS分布

为了更好地比较和理解不同曝气强度时EPS在反应器上清液、污泥及膜污染层中的组成及含量，了解其分布特征，解析其在膜污染中的作用，将上述有关EPS的结果列于表2。可见：

1）与污泥混合液相比，膜面污染层中溶解态EPS所占质量比例降低；

2）污泥混合液中溶解态与结合态EPS均以多糖为主，而膜面污染层中溶解态与结合态EPS均以蛋白质为主；

3）膜污染速率与污泥混合液溶解态EPS中蛋白质与多糖的质量比值呈现出良好的正相关性。

导致上述结果的主要原因可能是：相比于结合态EPS，溶解态EPS与膜表面接触的机会较多，更容易于膜表面吸附沉积，而膜面污染层中溶解态与结合态EPS均以蛋白质为主，即蛋白质成为了膜面滤饼层的主要组成部分，膜面污泥中蛋白质的增加一方面可能是由沉积在膜表面的污泥中微生物得不到足够的营养基质，通过内源呼吸所致；另一方面，部分大分子蛋白质本身就可以直接作为膜污染物堵塞膜孔，或者吸附并沉积在膜表面，因此溶解态EPS中蛋白质与多糖的质量比值与膜污染速率呈现出良好的相关性，而与EPS总量相关性不大。

此外，污泥混合液溶解态EPS中蛋白质与多糖的质量比值影响着膜污染速率。采用适当曝气强度，保证微生物营养供给充足，微生物分泌的EPS较少，同时，微生物生长迅速，活性增加，使EPS的代谢速率增大，有助于减轻膜污染。见表3。

表2　不同曝气强度时MBR中EPS的分布Table 2　EPS distribution in MBR under different aeration intensity

表3　不同曝气强度下的膜污染速率Table 3　Rateofmembranefoulingunderdifferent aeration intensity

3　结语

1）随着曝气强度升高，比耗氧速率呈增大趋势，微生物表现出较好活性。

2）随着曝气强度升高，上清液EPS总量总体呈下降趋势，污泥总EPS含量变化不大。上清液中EPS以多糖为主，运行结束时，EPS及多糖质量分数分别为0.49 mg/g和0.43 mg/g。污泥中的EPS同样以多糖为主，曝气强度为800 L/（m2·h）时，污泥总EPS及多糖质量分数分别为27.58 mg/g和22.07 mg/g。

3）随着曝气强度升高，膜污染层中溶解态及总EPS含量均升高，其组成均以蛋白质为主。蛋白质与多糖的质量比值随着曝气强度升高而减小。

4）与污泥混合液相比，膜面污染层中溶解态EPS所占质量比例大幅度增加，污泥混合液中溶解态与结合态EPS均以多糖为主，而膜面污染层中溶解态与结合态EPS均以蛋白质为主。膜污染速率与污泥混合液溶解态EPS中蛋白质与多糖的质量比值呈现出良好的正相关性。

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Effect of Aeration Intensity on the Components of Extracellular Polymeric Substances and Their Distribution in Membrane Bioreactor System

CHEN Chunmei1，2，ZHANG Jun1，2，LI Xiufen*1，2，WANG Xinhua1，2，REN Yueping1，2
（1.School of Environmental and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology，Wuxi 214122，China）

In this study，the effect of aeration intensity on specific oxygen utilization rate（SOUR），the content of extracellular polymeric substances（EPS）and their distribution during synthetic wastewater treating was investigated in membrane bioreactor（MBR）system.The results showed that SOUR was increased and the EPS content in the MBR supernatant dropped by increasing the aeration intensity，but it didn't change much in sludge.The EPS both in supernatant and sludge were dominated by polysaccharides.However，the EPS content in membrane fouling layer increased along with the aeration intensity and was mainly consisted of proteins.The membrane-fouling rate was in proportion to the proteins/polysaccharides ratio in soluble EPS of the mixed liquid.

aeration intensity，membrane bioreactor，extracellular polymeric substances

X 703

A

1673—1689（2015）09—0920—06

2014-09-08

国家863计划重点项目（2012AA063407）；国家自然科学基金项目（50678073）；江苏省“六大人才高峰”资助项目（2011-JNHB-004）。

李秀芬（1968—），女，河北唐山人，工学博士，教授，博士研究生导师，主要从事环境生物技术及生物化工研究。E-mail：xfli@jiangnan.edu.cn