膜—生物反应处理工艺中微生物对系统的影响

陈忠宝，戴士博

（大连大禹水处理技术有限公司，辽宁 大连 116011）

膜—生物反应处理工艺中微生物对系统的影响

陈忠宝，戴士博

（大连大禹水处理技术有限公司，辽宁 大连 116011）

膜—生物反应器是近年来污水处理研究的热点，但受膜污染因素的影响，使其在实际应用中发展缓慢。由于膜—生物反应器的运行机理不是在生物反应器和膜组件的基础上简单叠加，并且由于生物特性和种类的改变，因此对系统的影响也不同于传统的活性污泥法。由于其独特的运行方式使微生物种类、数量发生变化，微生物在膜—生物反应器中不仅仅只起到去除有机物和脱氮、除磷的作用，对系统的运行也产生了一定的影响，尤其是对膜污染的影响。该文从微生物角度对其进行阐述，以期为膜污染治理提供一份参考。

膜—生物反应器；膜污染；微生物

膜—生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）是由生物处理系统和膜分离组件组合而成的一种新型高效的污水处理与资源化工艺。在该工艺中，生物反应器中的微生物通过新陈代谢作用去除进水中的大部分污染物，之后膜的高效载留作用，使得微生物被完全载留在生物反应器中，特别有利于生长周期长、增殖缓慢的微生物如硝化菌的生长，能有效去除废水中的氨氮，同时实现了反应器内水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）的完全分离，能完全截留难降解的大分子有机物，延长其在反应器内的停留时间，使之得到最大限度的降解。生物处理系统和膜分离组件的有机组合不仅提高了系统的出水水质和运行的稳定程度［1-3］，还延长了难降解大分子物质在生物反应器中的水力停留时间，加强了系统对难降解物质的去除效果［4］。虽然在膜生物反应器系统中，高膜面流速产生的高剪切力作用使污泥絮体的平均尺寸较小，利于传质过程，但是，反应器内水流的剧烈紊动使微生物在种类上有所减少，原生动物生长受到一定限制。另外，膜的高效截留作用也使生物反应器成为一个微生物相对封闭的系统，伴随着污水生物处理过程在生物反应器中积累，从而对系统的运行产生影响。

1 微生物对处理系统的影响

1.1 丝状菌对处理系统的影响

在水处理工艺中污泥膨胀问题一直是一个不利因素，成为制约活性污泥法处理工艺的瓶颈。MBR中同样存在污泥膨胀，因而引起污泥膨胀的丝状菌及其膨胀前后的种群成为研究的热点之一。孙寓姣［5］利用荧光原位杂交（Fluorescent in situ Hybridization，FISH）技术对优势丝状菌进行监测，发现在MBR系统内021NⅡ型细菌环境适应能力强，易大量增殖造成系统发生丝状菌污泥膨胀现象。在观察污泥膨胀过程中发现，COD的去除率低于80%，膨胀后有所增加；并且膜污染周期明显缩短，由非膨胀期的15d下降到膨胀时的4d，对MBR的运行造成严重影响。另外，由于丝状菌是好氧细菌且耐低溶解氧能力强使其对氧气和营养物质的争夺能力高于其他细菌，从而影响其他类群细菌的生长。对于控制MBR内021N型丝状菌污泥膨胀，孙寓姣提出利用延长膜过滤周期的控制措施；Ick－TaeYeom［6］采用缺氧—好氧循环间歇曝气抑制丝状菌的生长。

1.2 SMP对系统的影响

污水处理过程中产生的溶解性微生物产物 （soluble microbial product，SMP）特性的研究始于20世纪90年代，由于研究时间较短，因此目前已取得的成果不多，但已足以体现出其对系统稳定运行的重要影响。

1.2.1 SMP的定义及主要来源［2-3］

微生物产物（SMP）是指菌体细胞在代谢过程中排出或分泌的物质，其能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物相分离，且离开该物质菌体细胞仍能存活。微生物产物主要产生于微生物的基质分解过程和内源呼吸过程，通常分别被称为UAP（substrate utilization associated products） 和BAP（biomass associated products）。

SMP是生物处理出水中溶解性TOC或COD的主要组成部分，其组成非常复杂，是腐殖质、多糖、蛋白质、核酸、有机酸、抗生素和硫醇等多种物质的混合体，其中前3种成分是在各种情况下均普遍存在的主要成分。SMP的上述组成决定了其必然含有大量的高分子物质。比如Parkin和 Mccarty的测定结果表明，生物处理出水中分子量高于1800的溶解性COD占50%以上。Namkung和Rittmann的测定结果表明，分子量10000以上的物质占二级生物出水TOC浓度的30%～64%。还有许多学者得出生物处理出水的分子量分布具有双峰特征。如Grady认为，二级生物处理出水中绝大部分物质分子量低于1000或高于100000。

1.2.2 SMP对出水水质的影响

活性污泥工艺中，生物处理出水即是系统处理出水，有机污染物的去除情况和SMP的生成情况直接与系统出水水质相关。在人们还没有认识到SMP对出水水质的重要作用前，许多人认为水力停留时间和污泥龄越长，有机物去除得越彻底，出水水质越好。20世纪80年代，丹保仁等提出，污水生物处理存在最佳的运行条件，在此运行条件下，不仅有机物生物降解得最彻底，而且SMP生成量较少，因此系统出水的COD浓度最低。在膜—生物反应器中，膜可以把生物处理出水中的SMP等大分子物质截留于生物反应器中，一方面降低了系统出水中有机物的含量，提高了系统的出水水质，并保持了系统出水的稳定性。另一方面也导致了生物反应器中高分子SMP的积累。当生物反应器中SMP的浓度积累到很高时，难免会对膜的滤过出水，亦即系统出水的水质造成一定影响。西村和之［7］在监测膜—生物反应器中SMP动向的同时，考察了系统出水的有机物浓度变化，发现系统出水的TOC浓度随SMP浓度的增加呈现出略微升高的趋势；上田达己［8-10］在试验中虽然没有讨论SMP浓度对系统出水水质的影响，但从其列出的数据来看，SMP浓度与系统出水的水质之间有很好的对应关系。刘锐［2-3］对膜—生物反应器处理高浓度葡萄糖和淀粉配水过程中系统出水水质与SMP浓度的关系进行了专门研究，指出系统出水的水质及其稳定性随SMP浓度的增加而有所下降。也就是说，膜对生物处理出水的水质强化作用有限。当SMP浓度积累很高时，系统出水的有机物浓度会相应升高。

1.2.3 SMP对膜组件的影响

溶解性有机物是造成膜污染的主要物质之一，成分分析表明，造成膜污染的溶解性有机物主要可分为：①数千分子量的肽类；②数百万分子量的多糖、蛋白质类，均主要来源于微生物的代谢过程。肽类有机物主要吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞；多糖、蛋白质类主要吸附于膜表面，形成凝胶层。近年来，以SMP为主要成分的溶解性物质对膜污染的影响越来越引起人们的重视。许多学者发现，分置式膜—生物反应器中循环泵产生的剪切力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的SMP等溶解性物质，从而增加了膜污染，形成了很大的膜过滤阻力。Sato和Ishil对分置式膜—生物反应器处理粪便污水过程中产生的活性污泥进行了小型过滤试验，指出溶解性有机物浓度是造成膜污染的重要因素之一，其对膜过滤阻力的影响可用式（1）表示。

式中 R为膜过滤阻力（m-1）；ΔP为操作压力（Pa）；SS为混合液悬浮固体浓度（mg/L）；COD为溶解性COD浓度（mg/L）；μ为活性污泥混合液黏度（Pa·s）。

Wisniewski和 Grasmick用微滤膜过滤城市污水处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质浓度对膜污染的影响时得出了相似结论。他们发现，溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力。循环泵对污泥絮体的剪切作用破坏了污泥絮体中微生物、无机颗粒和胞外多聚物（extracellular poly mers，ECP）之间的相互联系，促使菌胶团解体，释放出ECP到上清液中，增加了溶解性物质的浓度，从而引起了膜污染。一体式膜—生物反应器中由于膜面错流流速很小，剪切作用对污泥絮体的破坏作用不大，因此SMP对膜污染的影响往往不如分置式膜—生物反应器明显。但是当SMP在生物反应器中因积累而达到较高的浓度时，也有可能造成比较严重的膜污染［2-3］。其中，污泥内源呼吸和细胞解体过程中产生的SMP中，高分子物质的含量较高，在反应器内更容易蓄积，因而更有可能成为膜污染的来源［8］。

刘锐［2-3］曾对好氧膜—生物反应器中SMP的影响因素进行研究，发现进水浓度和污泥浓度仍然是影响生物反应器中SMP浓度的主要因素。生物反应器中SMP浓度随进水浓度和污泥浓度的提高而显著增加。特别是进水浓度对SMP浓度影响很大。随着进水浓度的提高，SMP初始浓度提高，积累幅度增大，积累速度也加快，达到峰值所需要的时间缩短。但Ince［11］对厌氧膜—生物反应器中SMP的积累情况进行研究时得到的结论却有些差异。SMP浓度虽然仍随进水浓度的提高而升高，但却随污泥龄的延长而降低。

1.3 EPS对系统的影响

1.3.1 EPS的定义及组成

胞外聚合物（EPS）是在一定条件下由细菌分泌于体外的一些高分子聚合物作为含水凝聚基质将微生物粘结在一起的产物。EPS作为一种重要的优势污染物已得到广泛证明［12］，EPS包括溶解性ESP（又称悬浮EPS）和粘附在细胞壁上的EPS（又称膜表面EPS）。粘附在细胞壁上的EPS在物理层面上又可分为紧密粘附的胞外聚合物和松散附着的胞外聚合物。EPS的化学组成成分非常复杂，微生物产生的EPS（Extracellular Polymeric Substances）主要成分是一些不同类型的高分子物质，如多糖、蛋白质、核酸等聚合物，EPS填充并且形成了细菌之间的空间，形成了絮凝体的结构。

1.3.2 EPS对活性污泥的影响

EPS是生物絮体的主要组成部分，EPS占活性污泥中总有机物的比例为50%～90%，絮体中总的EPS质量占活性污泥质量的80%，EPS被认为是决定絮凝体物理化学性质和生物性质的关键物质。微生物被EPS包埋在里面。因此，EPS为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生物环境。特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的CEPS，其特殊的位置决定着它的成分及数量必然影响着污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等，在活性污泥中具有重要作用。有关研究表明EPS的存在不利于污泥沉降，EPS的主要成分蛋白质、糖类、DNA含量都与SVI成正比关系，沉降性能恶化与高浓度EPS有关并且SVI随多糖物质增加而增加［13］。

1.3.3 EPS对膜组件的影响

膜—生物反应器中膜污染的物质来源是活性污泥混合液。污泥混合液的组成是复杂而变化的，它包括微生物菌群及其代谢产物、要处理废水中的有机大分子、小分子、溶解性物质和固体颗粒，理论上讲每一部分都对膜污染有贡献。国内外学者对不同膜生物反应器（如厌氧MBR、好氧MBR）处理不同废水时的污染情况进行了细致、深入的研究。如E.Tardien等在对分置式好氧MBR的研究中认为数量占绝对多数的生物絮体起主导作用；K.H.Choo等在厌氧消化液组成对膜透过性的影响的研究表明，与消化液中其他组分相比，上清液中微小胶体尽管数量相对小但对沉积层阻力贡献最大。K.H.Choo等还发现无机污染物MgNH4PO4·6H2O和微生物细菌一并沉积并吸附在膜表面，形成粘附性很强、限制膜通量的凝胶层。而在膜的生物污染中，一个非常重要的因素是生物细胞产生的胞外聚合物（EPS），如H.Nafaoka等的研究表明，EPS既在曝气池中积累，从而引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加，计算得到EPS的比阻数量级为1016～1017m/kg。EPS作为一种重要的优势污染物已得到广泛的证明［12］。

在膜过滤过程中，随时间的增加污染层的厚度在增加，膜过滤阻力亦不断增加。粘附在膜表面的EPS对膜阻力贡献可通过比阻值反映，EPS的比阻值的测定可根据式（2）计算得：

式中 a为EPS的比阻（m/kg）；R为过滤阻力（m－1）；DP为单位膜表面上EPS质量（g/m2）［14］。 膜表面EPS含量直接改变沉积层的孔隙率和结构，EPS和细微颗粒一并沉积并吸附在膜表面，形成粘附性很强的凝胶层。降低了膜通量，影响了出水速度，从而对处理系统造成影响。

1.4 微型动物对系统的影响

在传统活性污泥中微型动物常常是多样化的，可以通过生理代谢过程对废水起到直接的净化作用。某些原生动物可以直接利用废水中的有机物，如一些鞭毛虫能直接通过细胞膜吸收水中的溶解性有机营养；一些大型原生动物和后生动物可以直接吞噬污水中的有机颗粒和构成活性污泥的细菌；纤毛虫可以分泌多糖类碳水化合物和粘脘，利于活性污泥絮凝体的形成，据统计，传统活性污泥系统中的原生动物有纤毛虫160种，鞭毛虫36种，肉足虫29种。MBR中微型动物的种类少，但优势微型动物一般较为突出地表现为一种或少数几种［15］。

MBR中微型动物在处理系统中发挥吞食活性污泥作用以控制系统内活性污泥总量的增长，而活性污泥的状态特性，如丝状菌膨胀等又会反过来影响微型动物的生活过程及数量的变化。随着MBR系统内活性污泥运行状态的改变，微型动物群落系统变化呈现稳定、破坏、再稳定、再破坏过程，最终由于污泥膨胀的发生和持续而形成相对稳定的新型群落系统的变化规律。所以在MBR系统中，微型动物与活性污泥整体之间是一种相互影响相互作用的动态变化过程。在这种动态的变化中，微生物之间又构成一个小的生态系统，相互影响相互制约，共同影响着膜生物反应处理系统。

2 结语

近年来随着膜—生物反应器在水处理工艺中的广泛应用，膜污染问题成为研究热点，但大多数研究集中在膜材质改性和膜污染清洗两方面。而从微生物对系统影响角度研究膜污染的很少，基于这种原因，在查阅了大量文献资料的基础上，整理总结出本文，以期为膜污染治理提供一份参考。

［1］汪诚文.两类膜—生物反应器处理生活污水的实验研究［D］.北京：清华大学，1996.

［2］刘锐，黄霞，范彬，等.膜—生物反应器中溶解性微生物产物的研究进展［J］.环境污染治理技术与设备，2002，3（1）：1－6.

［3］刘锐.一体式膜—生物反应器中的微生物代谢特性及膜污染控制［D］.北京：清华大学，2000.

［4］桂萍.一体式膜—生物反应器污水处理特性及膜污染机理研究［D］.北京：清华大学，1999.

［5］孙寓姣，王勇，黄霞.MBR系统内丝状菌污泥膨胀的分子生态学解析［J］.环境科学，2004，6（25）：56－58.

［6］顾国维，何义亮.MBR—在污水处理中的研究和应用［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［7］西村和之，河村清史，真柄泰基.限外ろ过を用いた活性污泥プろセスにおける溶解性有机物质の举动［J］.水环境学会志，1997，20（12）：845－852.

［8］柳根勇，桃井清至，小松俊哉.膜分离活性污泥法における膜透过性能に对する生物代谢成分の影响［J］.水环境学会志，1997，20（7）：475－480.

［9］上田达己，端二，菊冈保人，等.膜分离活性污泥法における溶解性代谢产物の动态と膜过性能［J］.水环境学会志，1997，20（4）：233－237.

［10］佐佐木慎哉，桃井清至，小松俊哉，等.膜分离活性污泥法における溶解性代谢产物の举动と微生物活性への影响［J］.水处理技术，1997，38（5）：225－230.

［11］B arkerD.J.，StuckeyD.C.A review of soluble micorobial products（SMP） in waste water treat ment systems.Wat.Res，2002，33（14）：3063－3082.

［12］顾国维，何义亮.膜生物反应器在污水处理中的研究和应用［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［13］周健，龙腾锐，苗利利.胞外聚合物EPS对活性污泥沉降性能的影响研究［J］.环境科学学报，2004，24（4）：614－618.

［14］藏倩，孙宝盛，张海丰，等.胞外聚合物对一体式膜生物反应器过滤特性的影响［J］.天津工业大学学报，2005，24（5）：41－44.

［15］王勇，孙寓姣，黄霞.膜—生物反应器中微型动物变化与活性污泥状态相关性研究［J］.环境科学研究，2004，17（5）：48－51.

The Effect of Microorganism on System in Membrance-biology Reactor Craft

CHEN Zhong-bao，DAI Shi-bo
（Dalian Dayu Processing Technology Co.， LTD，Dalian 116011，China）

The membrane-biology reactor was hot spot of the sewage treatment research in the recent years， but factor influence of the membrane pollution causes it to develop slowly in the practical application.Because the membrane-biology reactor movement mechanism is not adding in the biological reactor and in the membrane module foundation the simple superimposition， as a result of biological characteristic and type change， the influence is also different in the system of the traditional active sludge law.Because its unique movement way causes the microorganism type， the quantity have changed，the microorganism not only plays in the membrane-biology reactor removes the organic matter and remove Nitrogen，eliminates the phosphorus， has also had the certain influence to the system movement， in particular it is important in membrane pollution influence.This article carries on the elaboration from the microorganism angle，and hope that provides a reference that take the evidence for the membrane pollution government.

membrane-biology reactor； membrane pollution； microorganism

X703

A

1672-9900（2011）01-0011-03

2010－12－20

陈忠宝（1982－），男（汉族），辽宁鞍山人，助理工程师，主要从事水处理研究工作，（Tel）1504044212。