SRT对MBR污泥性质的影响

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第6卷 第3期环境工程学报Vol.6,No.32012年3月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMar.2012SRT对MBR污泥性质的影响陶丽佳 李秀芬 王新华(江南大学环境与土木工程学院,无锡214122)摘 要 以浸没式膜生物反应器(SMBR)处理模拟赖氨酸废水为研究体系,考察SRT在10、20和40d条件下,SMBR中的胞外聚合物(EPS)组分和含量、污泥沉降性能和污泥相对疏水性等污泥性质的变化及其对膜污染的影响。结果表明,随着SRT的延长,混合液中EPS总量呈递减趋势,TBEPS中蛋白质与多糖的比值呈上升趋势,污泥的沉降性能变差,相对疏水性增强;膜通量下降速率变大,膜污染加重。污泥性质与膜污染的相关性表明,膜污染与蛋白质和多糖的比值、污泥沉降性能和相对疏水性呈正相关关系,而与EPS呈负相关关系。关键词 污泥停留时间 膜生物反应器 污泥性质 胞外聚合物中图分类号 TQ0288  文献标识码 A  文章编号 16739108(2012)03071906EffectsofsludgeretentiontimeonsludgecharacteristicsinmembranebioreactorsTaoLijia LiXiufen WangXinhua(SchoolofEnvironmentandCivilEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)Abstract Thevariationsinsludgecharacteristics,suchascomponentsandcontentsofextracellularpolymericsubstances(EPS),sludgesettleabilityandrelativehydrophobic,anditsimpactsonmembranefouling,wereinvestigatedatsludgeretentiontimes(SRTs)of10d,20dand40dinasubmergedmembranebioreactor(SMBR)treatingsynthesislysinewastewater.Theresultsshowedthat,astheSRTincreased,theconcentrationofEPSdecreased,andtheratiobetweenproteinandpolysaccharideintightlyboundEPS(TBEPS)increased.Thesettlingabilityofsludgebecameworse,whiletherelativelyhydrophobicraisedwiththeincreaseofSRT.Theresultsofcorrelationanalysesbetweensludgepropertiesandmembranefoulingindicatedthattheratioofproteintopolysaccharide,sludgesettlingabilityandrelativehydrophobichadstrongpositivecorrelationswithmembranefouling,whiletheEPShadanegativeimpactonmembranefouling.Keywords sludgeretentiontime;membranebioreactor;sludgecharacteristics;extracellularpolymericsubstances基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678073);国家“863”高技术研究发展计划项目(2009AA033006);江苏省科技支撑计划社会发展项目(BE2009636)收稿日期:2010-07-20;修订日期:2010-09-24作者简介:陶丽佳(1986~),女,硕士研究生,主要从事废水生物处理技术研究工作。Email:taolijia868@163.com通讯联系人,Email:xfli@jiangnan.edu.cn  在实际运行过程中,膜污染已经成为膜生物反应器(MBR)大规模应用的一个重要限制因素。污泥停留时间(SRT)作为MBR运行操作的一个重要参数,对MBR中的胞外聚合物(EPS)含量、污泥性质和膜污染有重要影响[1]。近年来,有关SRT对MBR污泥性质和膜污染的研究报道很多,比如Ng等[2]认为随着SRT的延长,EPS含量呈递减趋势,而Masse等[3]认为,EPS含量随SRT延长逐渐增加。可以发现,目前的研究结果还存在一定争论,尚未完全摸清SRT对污泥性质影响的机制。此外,SRT对污泥性质影响的研究主要集中于对EPS影响的研究,对污泥沉降性能和疏水性能等的研究较少[4]。在生产赖氨酸过程中会排出大量的废水,其污染严重,很难达到排放标准[5]。MBR是一种处理效率高、出水水质好的新型污水处理技术。本实验以浸没式MBR处理氨基酸废水为研究体系,考察不同SRT条件下,胞外聚合物(EPS)组分和含量、污泥沉降性能和污泥相对疏水性等污泥性质的变化及其对膜污染的影响,进一步明确SRT借助改变污泥性质间接影响膜污染的机制,为通过SRT调控膜污染提供有效的信息。环境工程学报第6卷1 实验材料和方法1.1 实验装置浸没式MBR处理赖氨酸废水的工艺流程如图1所示。反应器主体为矩形有机玻璃容器,有效容积为60L,整个反应器为全自动控制。膜组件为浙江凯华有限公司生产的聚丙烯中空纤维膜,膜孔径为02μm,膜面积为2m2。反应器采用间歇运行,每隔6h抽水2h,出水时抽吸时间和停抽时间分别为10min和2min。考虑到实验研究体系为赖氨酸废水,其具有COD浓度高、氨氮浓度高、低碳氮比等特点,故水力停留时间较长,为24h。图1 MBR流程图Fig1 SchematicdiagramofMBR1.2 模拟废水本实验用水为模拟赖氨酸废水[5,6],COD∶N∶P比为100∶10∶1,主要由葡萄糖(1880mg/L)、酵母膏(50mg/L)、磷酸二氢钾(88mg/L)、碳酸氢铵(1300mg/L)、硫酸镁(36mg/L)、氯化钙(40mg/L)、氯化锰(24mg/L)和硫酸亚铁(6mg/L)配制而成,进水COD范围在1800~2200mg/L之间。实验中所用试剂均为分析纯。1.3 实验方法实验所用污泥为无锡市芦村污水处理厂的剩余污泥,其MLVSS/MLSS为47%,接种MLSS为502g/L。驯化时间为4周,污泥外观颜色由黑色变为棕黄色。本实验采用每天定时定量排泥的方式控制SRT,为了保证反应器运行的稳定性,每个SRT工况都运行2倍泥龄以上。1.4 分析方法1.4.1 测试方法COD、MLVSS、MLSS均采用国家标准方法测定[7],pH值采用pH计测定(DELTA320,梅特勒托利多有限公司)。多糖含量采用苯酚硫酸法测定[8],蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定[9]。本实验中,TBEPS中蛋白质和多糖含量之和视为TBEPS总量;LBEPS中2种组分之和视为LBEPS总量。污泥相对疏水性(RH)的测定采用萃取法[10],以下式表征:RH=[1-(MLSSe/MLSSi)]×100%(1)式中:MLSSe———萃取后污泥浓度(g/L);MLSSi———萃取前污泥浓度(g/L);LBEPS提取方法[11]:分别取一定体积的污泥混合液,8000r/min离心10min,去上清液。将上述污泥沉淀重新悬浮于09%NaCl溶液中,放置于超声分离器中,超声分离5min,然后在12000r/min离心15min,上清液即为LBEPS,收集上清液待测。TBEPS提取方法[11]:将提取LBEPS后的污泥重新悬浮,然后在80℃下水浴提取30min,在12000r/min离心15min,获得的上清液即为TBEPS,收集上清液待测。1.4.2 膜污染表征本实验采用恒压操作条件,由于要保持一定的水力停留时间,膜通量需维持在一定范围之内。在恒压操作条件下,膜污染表现为通量的衰减,故采用膜通量下降速率来表征膜污染,其计算式如下:ΔJ/Δt=(Ja-Jb)/(tb-ta)(2)式中:ΔJ/Δt———膜通量下降速率(LMH/d);Ja———第a天时膜通量(LMH);Jb———第b天时膜通量(LMH);ta———第a天(d);tb———第b天(d)。2 结果与讨论21 SRT对污泥比基质降解速率的影响微生物以有机物作为基质生长,通过氧化这些有机物获得能量并合成细胞组分。比基质降解速率[12]描述的是微生物比增长速率和有机物浓度之间的动力学关系。因此,微生物的比基质降解速率可以反映污泥中微生物特别是异养菌的活性[13]。图2为在不同SRT条件下MBR中污泥比基质降解速率的变化趋势。由图2可知,在不同SRT条件下,污泥的比基质降解速率都在初始阶027第3期陶丽佳等:SRT对MBR污泥性质的影响段波动而后达到相对平衡。在相对平衡状态时,SRT为10、20和40d的比基质降解速率分别为052±001、066±001和058±001mgCOD/(mgMLVSS·d),由此可见,在SRT为20d时污泥比基质降解速率较快,相对活性较高。延长或缩短SRT都会影响微生物的活性主要是由于膜的高效截留作用,微生物几乎完全被截留,在MBR这个相对封闭的体系中存在一个生长老化的动态平衡,通过改变SRT能够使这种动态平衡发生变化,从而改变微生物降解有机物的能力。图2 污泥的比基质降解速率随SRT的变化Fig.2 SpecificsubstratedegradedrateofsludgeasafunctionofSRTinMBR2.2 SRT对EPS的组成及分布的影响EPS是微生物在一定环境条件下,在其代谢过程中分泌的包围在微生物细胞壁外的多聚化合物。EPS可分为紧密粘附(tightlybound,TB)EPS和松散附着(looselybound,LB)EPS。TB位于内层,与细胞表面结合较紧,稳定的附着于细胞壁外,具有一定外形;LB位于TB外层,具有比较松散的结构,是可向周围环境扩展、无明显边缘的粘液层[4]。EPS组成非常复杂,主要成分是糖类和蛋白质,两者的TOC占整个EPS的70%~80%[14]。Jahn等[15]发现SRT不仅影响着EPS的总量,还影响其组成与比例。不同SRT条件下MBR中LBEPS的组成和含量的变化如图3所示。在系统稳定时,LBEPS的含量随SRT的增加而减小。当SRT=10d,蛋白质的含量为457mg/gMLVSS左右,多糖含量为678mg/gMLVSS左右,而当SRT=40d时,蛋白质的含量为196mg/gMLVSS左右,多糖含量为450mg/gMLVSS左右,分别下降了5705%和3368%。随着污泥停留时间的延长,菌细胞的衰减系数增大,发生自溶的细菌数量也会增加,多糖类物质作为细胞物质的重要组分之一会释放到细胞外,将引起胞外组分中多糖含量的增加。然而LBEPS中的多糖含量却随污泥停留时间的延长而降低,这说明LBEPS中的多糖主要来源于废水中的有机物及菌细胞的代谢产物。图3 SRT对LBEPS的组成和含量的影响Fig.3 EffectofSRToncomponentsandcontentofLBEPS如图4所示,TBEPS仍以多糖为主,其组成及含量的变化比LBEPS中的趋势明显。SRT从10d增大到20d最后增大到40d时,TBEPS中蛋白质含量分别为703、574和526mg/gMLVSS,多糖含量分别为4369、2722和2335mg/gMLVSS。在运行前18d左右,TBEPS都呈现出一个增加的趋势,这主要是由于在改变SRT初期,微生物活性增加(图2),加上膜的拦截作用,就会出现EPS累积的现象。然而,随着操作时间延长,污泥浓度升高,微

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