自生动态膜分离厌氧产酸污泥效果与特征研究

马惠君，黄 帅，刘 和，2，陈兴春，刘宏波，2*，白 杰（.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡2422；2.江苏高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州 25009）

自生动态膜分离厌氧产酸污泥效果与特征研究

马惠君1，黄 帅1，刘 和1，2，陈兴春1，刘宏波1，2*，白 杰1（1.江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡214122；2.江苏高校水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州 215009）

采用自生生物动态膜（SFDM）分离高浓度发酵产酸污泥（非牛顿流体），研究了自生动态膜对发酵污泥中发酵底物的截留及挥发性脂肪酸（VFAs）的选择透过性效果，考察了自生生物动态膜阻力构成和膜污染层成分.结果表明：自生动态膜在运行3d后，出水悬浮性固体（SS）基本保持在1.5g/L以下，多糖截留率为40％，蛋白质截留率为75％；运行5d时，溶解性化学需氧量（SCOD）截留率稳定在45％左右，可以稳定截留分子量较大的物质；VFAs的截留率仅维持在3％左右，可以选择性透过动态膜.自生动态膜运行阻力主要来自动态膜层，粘附在膜面的胞外蛋白质是主要膜污染贡献物质.

自生动态膜；污泥；发酵；挥发性脂肪酸（VFAs）；分离

城市污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VFAs）是实现污泥资源化利用的有效途径之一［1-4］；但由于发酵产酸过程中产物VFAs的抑制［5］，例如Pratt等［6］利用模型拟合，发现含有2～6个碳原子的挥发性脂肪酸的组合的存在会造成VFAs产率较低，从而影响了传统发酵产酸设备的发酵产酸效率.膜法在线分离发酵过程中的有机酸，不仅能够有效地缓解产物酸的抑制效应，还可以实现污泥发酵过程中的污泥停留时间和水力停留时间的分开，缩小发酵罐体积、减少运行反应时间，大大降低投资和运行成本.

Zhang等［7］发现，发酵后污泥浓度高、颗粒粒径小、黏度大，泥水分离效果非常差，采用普通膜分离技术，存在分离能耗高、膜污染严重，不利于膜反应器的运行［8］.而另一方面，Liang等［9］研究发现，自生动态膜是在大孔径筛网上形成的分离层，具有膜通量大、重力自流出水、抗膜污染能力强和易清洗等优点，将动态膜分离技术应用于发酵污泥的固液分离，可实现反应器的连续运行、膜面不易堵塞、VFAs可实时分离，有望缓解传统污泥发酵产酸设备的不足［10-11］.

因此，本研究开发出了一套新型的污泥发酵产酸自生生物动态膜反应器，分析了自生生物动态膜对发酵污泥各组分的截留和选择性透过效果，包括底物的截留和产物酸的通透；探讨了自生生物动态膜过滤发酵污泥的膜污染情况和过滤阻力的构成，为研发新型产酸反应器提供一个新的思路，为动态膜技术在高黏度底物分离的应用提供了参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置

污泥产酸发酵自生生物动态膜反应器实验的实验装置在如图1所示，相关参数如表1所示，其中，膜组件为管状，实验在厌氧的条件下进行，温度控制在20±1℃.动态膜基网孔径为300目、出水高差为25cm和转速为50r/min，反应器连续进水，运行周期为10d.

图1 自生动态膜产酸反应器流程示意Fig.1 Schematic diagram of the SFDM reactor

表1 自生动态膜生物反应器相关参数Table 1 Parameters of the SFDM reactor

污泥为厌氧发酵产酸污泥，污泥浓度约30gTS/L.表2为发酵污泥的性质参数.

表2 发酵污泥性质Table 2 Characteristics of the fermented sludge

1.3 测定方法

反应器内污泥每隔1d从排泥口取样，排出液每隔1d从出水口取样.两种样品均在10000r/min下离心5min取上清液，分别测定两种上清液中的COD、多糖、蛋白质及VFAs的浓度.其中，蛋白质采用考马斯亮蓝G250染色法［12］，VFAs采用岛津公司GC2010进行气象色谱分析，COD及SS等其他物质的测定请见国家标准方法［13］.EPS（胞外聚合物），提取方法为常见污泥EPS的提取方法［14］，SMP（溶解性微生物代谢产物）的提取方法为：样品在4000r/min下离心10min，将上清液经0.45μm膜过滤后滤液即为提取出的SMP；粒径分布采用BT-2003型激光粒径分布仪对样品进行测定.

采用清水试验测试动态膜基材及管件阻力，膜阻力R的计算公式［15-16］如公式（1）

式中：h为水面与出水口的高度差，控制在25cm；ρ为清水密度，1g/cm3；g为常量，9.8m/s2；ΔP为出水压力，Pa；μ为水的动力黏度，1.01×10-3Pa· s；J为瞬时通量，m3/（m2·h），即为膜通量/膜表面积.

2 结果与讨论

2.1 动态膜对发酵污泥中底物的截留效果

良好的污泥截留效果可增大SRT，延长底物与微生物的反应时间，有利于提高污泥的发酵产酸转化率.发酵污泥在自生动态膜产酸反应器中的分离过程中，底物中各物质的截留效果如图2所示.

图2 底物物质浓度随时间变化曲线Fig.2 Variation of the substrate materials during the operation

由图2A可看出，动态膜排出液中的SS在前3d内显著减小，在第3d后观察到排出液变清.由图2B和图2C同样可看出，排出液中多糖和蛋白质在前3d降低，之后保持稳定.从图2D可以看出，当自生动态膜产酸反应器运行到第5d时，SCOD的截留率才开始稳定.说明随着反应时间的进行，底物逐渐黏附在膜面，导致膜孔径减小，然后污泥发酵液中的有机小分子物质也开始被自生动态膜截留，因此，出水SCOD降低趋势晚于蛋白质和多糖.自生动态膜在稳定运行时对底物物质有较好的截留能力.

如今，兼任了贵州省大数据产业发展应用研究院首任院长的梅宏，正不断壮大具有核心竞争力的大数据产业，推动着贵州大数据产业集群发展。

结果表明，自生动态膜3d内基本形成，与以往报道一致［17-18］.厌氧自生动态膜处理水污染可以去除80％以上的COD［19］，而本研究测定SCOD的截留率仅为45％.综合分析表明，发酵产酸自生动态膜可以选择性截留分子量较大的物质，如蛋白质和多糖，并且同时可以将某些分子量较小的有机物，如VFA，排出反应器，从而有利于发酵产酸.

2.2 动态膜对VFAs的选择透过效果

VFAs浓度的富集是传统污泥发酵产酸过程的限制因素之一，可以极大降低VFAs的产量.研究表明，发酵产酸过程中酸产量达到某一浓度时，会出现明显的产物抑制作用，底物转化效率逐渐降低［20］，最后停止产酸.从传统产酸发酵液中提取分离VFAs可消除发酵产酸过程中的产物抑制现象，通过电渗析、液液萃取等方法分离VFAs后，总酸和乙酸产量可分别提高约20％［21-22］.发酵产酸自生动态反应器为实时分离VFAs、提高酸产量提供了解决途径.

由图3可知，进料发酵污泥的VFAs浓度一直保持在约为3.0g/L，从VFAs的变化趋势可以看出，排出液中VFAs和反应器内浓度很接近，截留率仅有约3％，说明自生动态膜的形成并不会截留VFAs，因此产生的VFAs可以及时随排出液排出，不会造成反应器内的酸反馈抑制.

综合分析，自生动态膜在运行3d后基本稳定，并能够有效截留蛋白质的发酵底物，延长其反应时间，提高了污泥的转化率；同时，动态膜对VFAs的截留率仅3％，实现了在线转移产物有机酸的目的，有利于缓解产物积累造成的反馈抑制效应，进一步促进了污泥产酸的进行.本研究采用的基材孔径为约50μm（300目）.

图3 VFAs随时间变化曲线Fig.3 Daily variation of the VFAs during the operation

图4为进料污泥及第10d时过滤系统内各部分污泥的粒径分布.由图4可看出，粒径小于100μm的进料污泥的占总量的82.54％，同时，在反应器内粒径也大部分集中在100μm以下，此时的粒径分布与膜孔径大小相似，原料较易造成膜面堵塞［24］.通过测定发现，自生动态膜膜面粒径均分布在200μm以下，分布较为均匀，并没有严重堵塞膜孔.傅大放等［25］研究膜面粒径发现，污泥颗粒在0～1000μm内都有分布，而本研究中膜面粒径分布范围明显小于前人研究，此结果表明，在第10d时，自生动态膜已经可以稳定截留粒径大于200μm的较大物质，例如蛋白质和颗粒较大的多糖，也可以将粒径较小或可溶物质及时排出反应器，如小颗粒多糖和VFAs.

图4 自生动态膜反应器内粒径分布Fig.4 Particle size distribution in the SFDM reactor

2.3 污泥粒径对动态膜过滤特性的影响

通过污泥粒径分析可以定性表征自生动态膜对反应器内多种物质的选择截留效果.同时，研究表明，当膜基材孔径与膜面粒径大小相近时会造成膜面堵塞，进而阻碍膜生物反应器的运行［23］.

2.4 动态膜过滤阻力组成分析

图5 自生动态膜反应器阻力分布Fig.5 Resistant composition of the SFDM

分析发酵产酸自生动态膜反应器运行过程中阻力的构成及变化，可明确过滤阻力的主要来源，并进一步控制和缓解因膜组件堵塞而造成的反应器效率降低.为了解反应器各部分的阻力构成，通过清水实验测定得出自生动态膜系统的管件阻力.运行中的阻力构成见图5所示.

图5（A）为自生动态膜运行1d后的阻力构成，其中自生动态膜阻力为1.05×108m-1，约占总阻力的83.3％；图5（B）为自生动态膜运行10d时的阻力构成，其中泥饼阻力增大到39.79×108m-1，占全部99.5％.由此可看出，自生动态膜的阻力来源主要为动态膜的截留作用.自生动态膜生物在运行时，比传统MBR阻力减小了2～3个数量级［17］.比较发现，发酵产酸自生动态膜泥饼阻力在运行时比水处理时约小4倍，却几乎占总阻力的全部.因此可推测，发酵产酸自生动态膜由于膜面粘附的泥颗粒较大，形成的泥层比较松散，故而泥饼阻力较小.

2.5 动态膜污染物质的组分分析

大量研究表明，造成膜污染的物质主要为胞外聚合物，包括附着性胞外聚合物（EPS）和溶解性胞外聚合物（SMP），而胞外聚合物的主要成分为蛋白质和多糖，其占比可达70％.

图6 自生动态膜反应器内污泥组分分布Fig.6 Sludge composition in the SFDM reactor

从图6可以发现，进料污泥中，4种物质的浓度基本为：EPS蛋白质＞SMP多糖＞SMP蛋白质≈EPS多糖；反应器内的发酵污泥中，4种物质含量均下降，但浓度高低明显没有变化，说明4种物质均有流出反应器；在自生动态膜膜面上，EPS蛋白质远远高出其他3种物质，结果表明，在自生动态膜表面起截留作用的物质主要是EPS蛋白质.上述膜面蛋白质和多糖浓度水平符合以前研究结论［26］.然而，本研究中，膜面上蛋白质含量为多糖含量的5～6倍，远高于其他膜生物反应器膜面两者的比例［27］.根据图2B和图2C推测，污泥发酵产酸自生动态膜在运行时更容易先截留粒径较大的蛋白质物质，即EPS蛋白质，伴随着反应的进行，蛋白质相较多糖及其他物质积累更快，因此，膜面上EPS蛋白质浓度远高于多糖.

3 结论

3.1 污泥产酸反应器内的自生动态膜在3d内基本形成，对污泥发酵液中的蛋白质、多糖、SCOD等大分子物质具有良好的截留作用，分别为75％、40％、45％，但对发酵液中的VFAs的截留率仅有3％，产物VFAs可以选择性透过.自生动态膜产酸反应器在增加污泥发酵停留时间的同时，有效分离VFAs，有助于减轻反应器的酸抑制.

3.2 自生动态膜反应器在运行过程中污泥粒径基本分布在150μm以内，膜面粒径大于膜孔径，不易堵塞膜面，反应器的运行阻力较传统膜生物反应器的阻力低2～3个数量级，缓解了膜污染的问题.

3.3 自生动态膜反应器内的过滤阻力主要来自于动态膜层，占运行阻力的80％以上，随着反应器的运行，动态膜层阻力几乎占总阻力的100％.动态膜污染层的主要物质为EPS蛋白质.因此，通过控制动态膜层中蛋白质的浓度，即可有效延长反应器的运行时间，控制膜污染问题.

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Efficiencies and characteristics of self-forming dynamic membrane in separating fermented sludge for acid production.

MA Hui-jun1，HUANG Shuai1，LIU He1，2，CHEN Xing-chun1，LIU Hong-bo1，2*，BAI Jie1（1.Department of Environmenal and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122 China；2.Jiangsu College of Water Treatment Technology and Material Collaborative Innovation Center，Suzhou 215009，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1780～1785

Self-forming dynamic membrane（SFDM）was used to separate the high-concentration redusidal sludge（belong to non-newtonian fluid）with fermented for the production of volatile fatty acids（VFAs）.The efficiencies of the retaining of substrates and selective transmission of the produced VFAs by SFDM were investigated.Characteristics of SFDM resistance and composition of the pollution layer were analyzed.Results indicated the suspend solid（SS）concentration in effluent of SFDM could be remained below 1.5g /L after operated for 3days，and the retention rates of polysaccharide and protein could reach about 40％and 75％，respectively.After operated for 5days，nutrients with large molecular could be retained and the retention rate of SCOD could stable at 45％.Moreover，the productd VFAs could be selectively discharged timely and the retention rate of VFAs were just about 3％.Resistance of SFDM was mainly from membrane surface，and the pollutants are primarily extracellular protein.

self-forming dynamic membrane；sludge；fermentation；volatile fatty acids（VFAs）；separation

X705

A

1000-6923（2015）06-1780-06

马惠君（1991-），女，内蒙古呼和浩特人，江南大学硕士研究生，主要从事固体废物资源化方面的研究.

2014-10-25

国家自然科学青年基金（51208231）；江苏省自然科学基金（SBK2014020607）；江苏省太湖水环境综合治理科研项目（JSZCG2013-191）

* 责任作者，副教授，liuhongbo@jiangnan.edu.cn