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第６卷 第３期环境工程学报Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３２０１２年３月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１２Ａ／ＯＭＢＲ中ＭＬＳＳ浓度对污泥性能及膜通量的影响许晓毅１ 刘慧君１ 朱跃敏２ 肖 瑞２（１．重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５；２．武汉江扬水技术工程有限公司，武汉４３０２０７）摘 要 采用国产聚丙烯中空纤维帘式膜组件，进行了Ａ／ＯＭＢＲ系统处理生活污水的实验研究，主要探讨了系统中污泥浓度（ＭＬＳＳ）与膜通量变化过程的关系。实验结果表明，ＭＬＳＳ由３８０５ｍｇ／Ｌ升高到６９１２ｍｇ／Ｌ时，污泥混合液胞外聚合物（ＥＰＳ）由４３ｍｇ／ｇＶＳＳ增加到８１ｍｇ／ｇＶＳＳ，ＥＰＳ中多糖与蛋白质的比例从０８７增加到１０８。同时，污泥相对疏水性（ＲＨ）的降低与Ｚｅｔａ电位的升高也在一定程度上共同促进了膜污染速率的上升。实验条件下，当运行时间为６０ｄ左右，ＭＬＳＳ升高至６２００ｍｇ／Ｌ时，跨膜压差上升迅速，膜组件清洗周期由初始的２２ｄ缩短为１１ｄ。Ａ／ＯＭＢＲ中由于ＭＬＳＳ浓度变化而导致的活性污泥混合液特性的变化，是影响膜通量变化的重要原因。关键词 Ａ／ＯＭＢＲ ＭＬＳＳ 絮凝性能 疏水性 膜通量中图分类号 Ｘ７０３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７３９１０８（２０１２）０３０９４９０５ＥｆｆｅｃｔｏｆＭＬＳＳｏｎｓｌｕｄｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｍｅｍｂｒａｎｅｆｌｕｘｉｎＡ／ＯＭＢＲＸｕＸｉａｏｙｉ１ ＬｉｕＨｕｉｊｕｎ１ ＺｈｕＹｕｅｍｉｎ２ ＸｉａｏＲｕｉ２（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒＲｅｇｉｏｎ’ｓＥｃｏＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ；２．ＷｕｈａｎＪｉａｎｇｙａｎｇＷａｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ#ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３０２０７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎＡ／ＯＭＢＲｆｏｒｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｓｅｗａｇｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｈｏｍｅｍａｄｅｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅｓｏｆｃｕｒｔａｉｎｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｈｏｌｌｏｗｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｉｘｅｄｌｉｑｕｅｒｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄ（ＭＬＳＳ）ａｎｄｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｌｕｘｉｎｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅ（ＥＰＳ）ｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ４３ｍｇ／ｇＶＳＳｔｏ８１ｍｇ／ｇＶＳＳａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎｉｍｐｒｏｖｅｄｆｒｏｍ０８７ｔｏ１．０８ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＭＬＳＳｆｒｏｍ３８０５ｍｇ／Ｌｔｏ６９１２ｍｇ／Ｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ（ＲＨ）ａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＺｅｔａｐｏｔｅｎｔｉａｌａｌｓｏｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｆｏｕｌｉｎｇｒａｔｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｌｅａｎｉｎｇｃｙｃｌｅｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅｓｓｈｏｒｔｅｎｅｄｆｒｏｍ２２ｄａｙｓｔｏ１１ｄａｙｓｗｈｅｎＭＬＳＳｉｎｒｅａｃｔｏｒｒｅａｃｈｅｄｔｏ６２００ｍｇ／Ｌａｆｔｅｒ６０ｄａｙｓ．ＣｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｘｉｎｇｌｉｑｕｏｒａｓａｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＭＬＳＳｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｒｅａｃｔｏｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｍｅｍｂｒａｎｅｆｌｕｘｉｎＡ／ＯＭＢＲｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ａ／ＯＭＢＲ；ＭＬＳＳ；ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ；ｍｅｍｂｒａｎｅｆｌｕｘ基金项目：国际科技合作项目（２００７ＤＦＡ９０６６０）；重庆市科委课题（ＣＳＴＣ２００８ＢＢ７３０５，ＣＳＴＣ２００８ＡＢ７１３３）收稿日期：２０１０－０９－１４；修订日期：２０１０－１０－２４作者简介：许晓毅（１９７４～），女，工学博士，副教授，主要从事水污染控制原理与技术的教学和科研工作。Ｅｍａｉｌ：ｘｕｘｉａｏｙｉ９９＠１２６．ｃｏｍ 膜生物反应器（ｍｅｍｂｒａｎｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ＭＢＲ）是结合膜分离技术与生物处理技术的一种污水处理工艺。采用膜组件取代了活性污泥法中的终沉池，可通过有效强化泥水分离效果［１３］，实现良好的生化效率，维持较高的污泥质量浓度，得到稳定、可靠的出水水质［４，５］。近年来，随着制膜成本、运行费用的降低和对处理出水水质要求的不断提高，ＭＢＲ技术在我国污水处理及中水回用等领域的应用日益广泛［６８］，但浸没式活性污泥系统运行过程中膜组件的污染问题，直接关系到ＭＢＲ工艺的经济性与膜技术应用［９，１０］。ＭＢＲ中ＭＬＳＳ浓度对膜污染特性具有显著影响［１１，１２］。本研究采用国产聚丙烯中空纤维帘式膜组件，基于Ａ／ＯＭＢＲ系统连续处理生活污水的动态实验，考察了一体化ＭＢＲ活性污泥系统中环境工程学报第６卷不同ＭＬＳＳ浓度下的污泥性能及膜组件的污染过程特性，以期寻求膜系统运行的工艺条件，为国产膜组件的实际应用和ＭＢＲ系统的稳定运行提供技术参考。１ 实验装置与实验方法１．１ 实验装置Ａ／ＯＭＢＲ一体化工艺系统如图１所示。由Ａ／Ｏ生物处理单元、膜组件、管路系统、曝气系统及自控系统等组成。整个反应器采用板厚１２ｍｍ的有机玻璃制成，其总有效体积为１２３Ｌ，有效水深５００ｍｍ。稳定运行期间，系统水力停留时间（ＨＲＴ）为１２ｈ，其中好氧区ＨＲＴ为８ｈ，混合液回流比为３００％，系统连续进水，间歇出水，抽／停时间为８ｍｉｎ／２ｍｉｎ。图１ Ａ／ＯＭＢＲ实验流程图Ｆｉｇ１ ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＡ／ＯＭＢＲｐｒｏｃｅｓｓ实验采用国产聚丙烯中空纤维帘式膜组件，其操作压力为４０ｋＰａ，断裂力可达１０Ｎ，膜丝孔径为０２μｍ，纤维内／外径为１２／１８ｍｍ，膜孔隙率约７５％，膜通量为８～１６Ｌ／（ｍ２·ｈ），有效膜面积为１ｍ２，具有良好的耐酸碱性。采用穿孔曝气管供氧和进行膜面冲刷，穿孔管孔径为３ｍｍ，并在膜组件两侧设置数个曝气砂头补充供气，以满足微生物生化降解过程对溶解氧的需求。１．２ 研究方法采用校园生活污水作为实验原水，实验期间通过添加葡萄糖、奶粉、淀粉、磷酸二氢钾、尿素等调整实验原水有机物及氮、磷负荷，除分析检测和清洗过程的少量污泥损失外，系统不专门排泥。连续运行期间，进水ＣＯＤ为３０７～５５２ｍｇ／Ｌ，ＴＮ为３１～３８ｍｇ／Ｌ，ＴＰ为５２８～７７９ｍｇ／Ｌ。好氧区气水比为４５～５０∶１，曝气区溶解氧（ｄｅｖｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ，ＤＯ）平均浓度控制为３０～３５ｍｇ／Ｌ。好氧区初始污泥浓度范围为３８００±５０ｍｇ／Ｌ。实验期间水温为１６～２２℃。出水水质达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（ＧＢ／Ｔ１８９２０２００２）指标。常规水质指标监测方法参照《水和废水监测分析方法》（第４版）。好氧区污泥混合液ＥＰＳ的提取采用热提法［１３］，其中蛋白质含量采用ＦｏｌｉｎＬｏｗｒｙ法测定［１４］，多糖含量采用蒽酮法测定［１５］。污泥絮凝性能以好氧区污泥混合液出水悬浮固体颗粒（ＥＳＳ）与污泥絮体被破坏后的重新絮凝能力（ＦＡ）表示，ＥＳＳ、ＦＡ及污泥相对疏水性的测定分别参考文献［１６，１７］，ＮａｎｏＺＳ９０型Ｚｅｔａ电位仪进行Ｚｅｔａ电位测定。记录分析跨膜压差的变化反映膜污染。２ 实验结果与分析２１ ＭＬＳＳ浓度对污泥性能的影响２．１．１ ＥＰＳ的含量变化实验研究期间，膜组件浸没的好氧区ＭＬＳＳ浓度与提取ＥＰＳ中蛋白质、多糖的含量变化如图２所示。图２ ＥＰＳ中蛋白质、多糖随ＭＬＳＳ的变化Ｆｉｇ．２ ＣｈａｎｇｅｏｆｐｒｏｔｅｉｎａｎｄｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｖｓＭＬＳＳ由图２可知，实验条件下，连续８０余天运行过程中，系统曝气区ＭＬＳＳ平均浓度由初始的３８０５ｍｇ／Ｌ（ｓｒ＝０３６％）增加到６９１２ｍｇ／Ｌ（ｓｒ＝０１４％），污泥混合液ＥＰＳ中蛋白质与多糖浓度随之增加，且多糖浓度增加的趋势更为明显，从初始的２０ｍｇ／ｇＶＳＳ增加到４２ｍｇ／ｇＶＳＳ。蛋白质含量总体有所增加，从初始的２３ｍｇ／ｇＶＳＳ增加到３９ｍｇ／ｇＶＳＳ，多糖／蛋白质的比值由０８７增加到１０８。将ＥＰＳ近似看作蛋白质和多糖的加和［１８］，即从初始的４３ｍｇ／ｇＶＳＳ增加至８１ｍｇ／ｇＶＳＳ，其值的增加与ＭＬＳＳ增加的线性关系式见式（１），两者变化的相关性较为显著。ＥＰＳ＝０．０１１ＭＬＳＳ－３．９８４（Ｒ２＝０．９１７）（１）０５９第３期许晓毅等：Ａ／ＯＭＢＲ中ＭＬＳＳ浓度对污泥性能及膜通量的影响随着系统的连续运行，微生物新陈代谢过程中不断产生不易降解的蛋白质、多糖等大分子物质，由于ＭＢＲ工艺中膜的无选择截留作用，大量ＥＰＳ物质被保留在反应器中，并在曝气池中积累；其次，长时间不排泥运行，污泥中菌体细胞活性下降，亦会释放出更多的ＥＰＳ［１９］。同时，随着ＭＬＳＳ的增加，微生物细胞获得的营养物相对减少，会在一定程度上导致细胞内源代谢造成的细胞自溶作用较强，菌细胞的衰减系数增大［２０］，发生自溶的细菌数量相对增加，多糖类物质及蛋白质作为细胞物质的重要组分释放到细胞外，也是引起胞外组分中多糖与蛋白质含量的增加的一个原因。２．１．２ 污泥絮凝性能的变化好氧区污泥混合液中ＥＳＳ和ＦＡ随运行时间的变化如图３所示。随着ＭＬＳＳ的增加，ＥＳＳ随之增加而ＦＡ随之降低，且ＦＡ的下降趋势相对更为显著。实验条件下，当污泥浓度在８０ｄ运行过程中上升到近７０００ｍｇ／Ｌ，系统中ＥＳＳ从初始的６０ｍｇ／ｇＶＳＳ增加至８５ｍｇ／ｇＶＳＳ，ＦＡ从初始的６１％降低至３７％。图３ ＥＳＳ与ＦＡ随时间的变化Ｆｉｇ．３ ＣｈａｎｇｅｓｏｆＥＳＳａｎｄＦＡｖｓｔｉｍｅ根据文献，ＥＰＳ中存在大量带负电荷的官能团，如羧基、磷酰基等［１８］。当污泥混合液ＥＰＳ及其中多糖与蛋白质含量比例逐渐累积增加时，微生物细胞间的静电斥力加大，细菌吸附能力减弱，进而直接对污泥絮凝沉淀性能产生了不利影响。同时，系统排泥量甚少，ＥＰＳ中的大分子物质、微生物代谢惰性产物和未能代谢彻底的胶体物质无法持续外排，混合液黏度上升和污泥平均粒径下降，也是对系统污泥混合液絮凝性能产生不利影响的重要原因。此外，混合液中ＥＰＳ含量和糖类含量增多，细菌表面亲水基和疏水基的比例会随之变大，使细菌存在状态由不稳定型（Ｒ型）向稳定型（Ｓ型）转变，也会在一定程度上造成微生物絮体的沉降困难［２１］。２．１．３ ＭＬＳＳ对混合液疏水性与Ｚｅｔａ的影响污泥混合液疏水特性（ＲＨ）及Ｚｅｔａ电位的变化关系如图４所示。图４ 混合液ＲＨ和Ｚｅｔａ电位的变化Ｆｉｇ．４ ＣｈａｎｇｅｓｏｆＲＨａｎｄＺｅｔａｐｏｔｅｎｔｉａｌｖｓｔｉｍｅ由图４可知，当系统中ＭＬＳＳ浓度由３８０５ｍｇ／Ｌ增加至６９１２ｍｇ／Ｌ过程中，ＲＨ持续降低，从初始的６１％下降至３６％；Ｚｅｔａ电位初始较为稳定，运行至６０天左右，ＭＬＳＳ上升到６２００ｍｇ／Ｌ时，Ｚｅｔａ电位值上升较快，其值由初始的－２０５ｍＶ升高到－１３ｍＶ。膜生物反应器中混合液的ＲＨ与Ｚｅｔａ电位是表征膜污染的重要参数之一［２１］。有研究表明，多糖的亲水性较蛋白质强，其浓度增大导致ＥＰＳ中滞留水分增多，使絮体与水更难分离沉降［１９］。实验条件下，多糖与蛋白质