运行工况对膜生物反应器内污泥特性的影响

倪伟凤

（上海市青浦区环境监测站,上海 201700）

（Qingpu Environmental Monitoring Station of Shanghai,Shanghai201700,China）

环境工程

运行工况对膜生物反应器内污泥特性的影响

倪伟凤

（上海市青浦区环境监测站,上海 201700）

探讨了膜生物反应器的运行工况对MBR内胞外聚合物（EPS）及污泥特性的影响，试验结果表明：污泥负荷Ns增加，污泥EPS降低，Zeta电位值降低，沉降性能变好，活性增加；曝气量增加，污泥EPS降低，Zeta电位值降低，沉降性能变好，活性先增加后降低；pH值由酸性变为碱性，污泥EPS增加，Zeta电位值增加，沉降性能先变好后变差，污泥活性先增加后降低。适宜的运行工况可改善MBR的微环境、维持系统的长期稳定运行。

一体式膜生物反应器；胞外聚合物；污泥特性

（Qingpu Environmental Monitoring Station of Shanghai,Shanghai201700,China）

Abstract：The paper researched on the effect of membrane bioreactor（MBR） operation conditions on extracellular polymeric substances（EPS） and sludge characteristics.The research results showed that when increasing sludge burthen Ns,resulted in degressive EPS，degressive Zeta potential，favorable sludge sedimentation performance and enhancive sludge activity;when increasing aeration,resulted in degressive EPS，degressive Zeta potential，favorable sludge sedimentation performance，enhancive and degressive sludge activity;When pH value change from acidity to alkalescence,resulted in enhancive EPS，enhancive Zeta potential，favorable and unfavorable sludge sedimentation performance，enhancive and degressive sludge activity.The feasible operation condition could improvemicrocosmic circumstance in MBR and keep a stable performance.

Keywords：MBR（membrane bioreactor）;EPS;sludge characteristic

活性污泥絮体是由不同种类的细菌、真菌、藻类、原后生动物以及一些悬浮的非生物物质组成的微生物实体。发育良好的活性污泥絮体，是活性污泥处理系统保持正常净化功能的关键。胞外聚合物EPS普遍存在于活性污泥絮体内部及表面，在细胞之间构成一种架桥作用，细胞通过这些胞外物质进行物质和能量的传递。EPS被认为是活性污泥絮体里除微生物细胞和水之外的第3种成份，其组成和浓度影响着污泥的表面特性（Zeta电位）[1,2]、生物絮凝、沉降性能[3,4]、污泥活性[5,6]等，在活性污泥中具有重要作用。

EPS组成非常复杂，主要成分是糖类和蛋白质，二者的TOC占整个EPS的70%～80%[7]，其它成分还有核酸、脂类、腐殖酸、糖醛酸或氨基糖等。不同条件下EPS总量及各成分的比例不一样，溶解氧（DO）、pH值和污泥负荷（Ns）等影响着EPS的组成。

膜生物反应器（MBR）是由膜分离技术和传统的活性污泥法相结合的新型水处理技术，其可实现反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，从而提高有机物的去除效率。MBR对污染物质的去除是生物反应器和膜分离作用的结果，然而起主要作用的还是生物反应器的降解作用，膜分离起强化作用。反应器运行工况的改变可以改变生物反应器内的污泥特性，改善MBR的微环境、提高MBR的污染物去除效果，因此，有必要对运行工况的改变对污泥特性的影响进行研究。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

自行研制一体式膜生物反应器（MBR）装置结构见图1。反应器容积为40L（有效容积30L），尺寸为长×宽×高＝50×20×40（cm）。缺氧区尺寸为10×10×40（cm），在二面距池底 5cm处分别开5cm×2cm孔一个，设搅拌装置，运行过程中不曝气；好氧区运行过程中采用砂头进行连续曝气，反应器采用连续进水，间歇出水的方式运行。进水泵、出水泵和空气泵与自动控制箱连接，可通过调节运行时间来实行周期的控制。膜组件采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维超滤膜组件。

图1 MBR装置Fig.1 Diagram of the MBR

1.2 原水水质

实验用水为模拟生活废水，以葡萄糖为C源，NH4Cl为N源（蛋白胨为辅助N源），KH2PO4为P源，营养比控制在 m（BOD5）∶m（N）∶m（P）=100∶5∶1，同时为保证微生物生长、繁殖需要，加入适当微量元素MgSO4·7H2O等作为补充。实验配水成分及原水水质见表1。

表1实验配水成份Tab.1 Composition of raw wastewater（mg·L-1）

1.3 试验内容及试验方法

进行了运行工况（污泥负荷、曝气量、pH值）改变对MBR内胞外聚合物（EPS）的影响研究，考察了运行工况对污泥特性（Zeta电位、污泥沉降性SVI、污泥活性SOUR）的影响。探讨了运行工况改变对反应器内污泥特性的影响，为改善MBR的微环境、维持系统的长期稳定运行提供理论基础。

实验分析项目及方法见表2。采用国家标准分析方法测定[8]。

表2 实验分析项目及方法Tab.2 The items and methods for experiments

2 结果与讨论

2.1 污泥负荷对EPS及污泥特性的影响

反应器可由3个参数来控制污泥负荷变化，即进水浓度、进水量、污泥浓度。进水浓度通过配水改变，污泥浓度可通过排泥控制，进水量可通过改变反应器水力停留时间HRT控制。本实验主要通过改变HRT来改变进水量从而改变反应器污泥负荷，控制HRT分别为10、6、4、2h。反应器其它参数见表3。

表3 反应器其它运行参数Tab.3 Other running parameter in MBR

2.1.1 实验结果 污泥负荷对EPS成分及含量、污泥特性的影响结果见图2～5。

图2 负荷对EPS成分及含量的影响Fig.2 Effect of Ns on componentand contentof EPS

2.1.2 结果分析

（1）不同污泥负荷下，污泥EPS变化 图2反映出不同污泥负荷条件下污泥EPS的变化。当污泥负荷由0.1kg CODCr/kgMLSS·d 增加至 0.6kgCODCr/kgMLSS·d时，EPS中多糖含量及EPS总量均呈下降趋势，蛋白质含量也有轻微下降，但变化幅度不大，其中EPS总量从20.13mg/gVSS降至6.35mg/gVSS。污泥负荷对EPS影响高度显著，且随着负荷增加，EPS含量降低。这是因为在高负荷条件下，营养物质基本能够满足微生物生长需要，使得细菌分泌的EPS各组份含量相对稳定；而在低负荷条件下，细菌与丝状菌在低基质的条件下进行竞争，导致了一些细菌死亡解体，另外营养不足降低了微生物的同化作用，使得絮体中死亡微生物增加，而絮体中死亡细菌的增加以及细胞自溶导致了EPS中多糖、蛋白质含量的增加。

（2）不同污泥负荷下，污泥Zeta电位变化

图3反映出不同污泥负荷条件下污泥Zeta电位的变化。

图3 负荷对污泥Zeta电位的影响Fig.3 Effect of Ns on Zeta potential

由图3可见，当污泥负荷增加时，污泥Zeta电位值由20.4mV降至10.28mV。污泥絮体中表面电荷的数量取决于污泥絮体的表面特性及其表面所含的离子化基团的数量。研究表明EPS总量及其中多糖含量与Zeta电位值之间有良好的正相关关系[10]。当系统污泥负荷较低时，污泥中EPS总量及多糖含量较高，EPS中带负电的功能基团（如-OH、-COOH等）浓度较大，EPS表面负电荷较多，导致Zeta电位值较大。

（3）不同污泥负荷下，EPS对污泥沉降性能的影响分析

不同污泥负荷下EPS及其各组份含量对污泥沉降性能的影响见图4。

图4 EPS与污泥沉降性能的关系Fig.4 Connection between EPSand sludge sedimentation performance

随着反应器内污泥负荷的增加，污泥EPS及其中多糖、蛋白质含量有着不同程度的降低，污泥SVI值随之减小，污泥沉降性能逐渐变好。可以看出EPS总量从 20.13mg/gVSS降至 6.35mg/gVSS，SVI从140.97mL·g-1降至 63.19mL·g-1。污泥 EPS总量和多糖含量对污泥SVI值影响较大。EPS及其中多糖、蛋白质含量是影响污泥沉降性能的主要因素，许多研究结果也得出了一致结论[11]。这是因为EPS为亲水型物质，EPS含量高可导致污泥絮体内间隙水增多，絮体体积增大，絮体表面粗糙度增大，使得污泥与水分离的难度加大，沉降性能变差。

（4）不同污泥负荷下，污泥活性变化

图5反映出不同污泥负荷条件下污泥活性的变化。

图5 负荷对污泥活性的影响Fig.5 Effectof Ns on sludge activity

当污泥负荷增加时，污泥活性值SOUR呈增加趋势，由 110.3mgDO/gVSS·h 增至169mgDO/gVSS·h。污泥负荷低时，微生物所需用的碳源不充足，具有较慢的生长速率和较高的内源代谢水平，大量的细胞发生自溶；污泥负荷高时，微生物有充足碳源可以利用，可以进行较强新陈代谢，自溶现象减少，污泥活性较高。

2.2 曝气量对EPS及污泥特性的影响

为了考察曝气量对EPS及污泥特性的影响，反应器维持在下面的运行状态下，控制曝气量分别为0.4、0.48、0.56、0.64、0.72m3·h-1。反应器其它参数见表4。

表4 反应器其它运行参数Tab.4 Other running parameter in MBR

2.2.1 实验结果

曝气量对EPS成分及含量、污泥特性的影响结果见图6～9。

2.2.2 结果分析

（1）不同曝气量下，污泥EPS变化

图6反映出不同曝气量下污泥EPS各组份的变化。

图6 曝气量对EPS成分及含量的影响Fig.6 Effectof aeration on componentand contentof EPS

当曝气量由 0.4m3·h-1增加至 0.72m3·h-1时，EPS中多糖含量及EPS总量均呈下降趋势，蛋白质含量也有轻微下降，但变化幅度不大，其中EPS总量从15.09mg/gVSS降至9.56mg/gVSS。关于曝气量对EPS及其各组份含量的影响，国内周健等[12]的研究得出，随着DO增加，EPS含量降低。分析认为一方面是较高的曝气量使得微生物能够进行正常的代谢活动，污泥颗粒解体释放的EPS逐渐降低；另一方面随曝气量的升高，微生物的代谢活动加剧，底物消耗加快，污泥产生的部分EPS被微生物作为底物利用。这也可从优势菌种的角度来解释，高曝气量下，微生物生长效率较高，使得细菌分泌的EPS各组份含量相对稳定；而在低曝气量下，丝状菌开始大量生长，并逐渐成为优势菌种，细菌与丝状菌在低曝气量的条件下进行竞争，导致了一些细菌死亡解体，絮体中死亡细菌的增加以及细胞自溶导致了EPS中多糖、蛋白质含量的增加。

（2）不同曝气量下，污泥Zeta电位变化

图7为不同曝气量下污泥Zeta电位的变化。

图7 曝气量对污泥Zeta电位的影响Fig.7 Effectof aeration on Zeta potential

当曝气量由 0.4m3·h-1增加至 0.72m3·h-1时，污泥Zeta电位值由18.3mV降至11.63mV。当系统曝气量增加时，污泥中EPS总量及多糖含量降低，EPS中带负电的功能基团（如-OH、-COOH等）浓度降低，从而使EPS表面负电荷减少，因此导致Zeta电位值降低。

（3）不同曝气量下，Zeta电位对污泥沉降性能的影响分析

不同曝气量下Zeta电位对污泥沉降性能的影响见图8。

图8 Zeta电位与污泥沉降性能的关系Fig.8 Connection between Zeta potential and sludge sedimentation performance

随着反应器内曝气量的增加，Zeta电位值降低，污泥SVI值随之减小，污泥沉降性能逐渐变好。可以看出Zeta电位值由18.3mV降至11.63mV，SVI从117.47mL·g-1降至 76.09mL·g-1。Zeta 电位值较大表明污泥絮体表面离子化多聚物较多，污泥与水分子之间的极性作用增强，即亲水性增强，导致污泥絮体内结合水增多，使得污泥与水分离的难度增大，从而使污泥的沉降性能变差。这也可从电层理论来解释。根据DLVO理论，表面负电荷Zeta电位增加，絮体间的排斥力增加，这将导致污泥絮凝、沉降性能恶化，SVI升高。

（4）不同曝气量下，污泥活性变化

图9为不同曝气量下污泥活性的变化。

图9 曝气量对污泥活性的影响Fig.9 Effectof aeration on sludge activity

当曝气量增加时，污泥活性值SOUR呈先增加后轻微降低趋势，曝气量由0.4m3·h-1增加至0.56m3·h-1时，SOUR 由 100.3mgDO/gVSS·h 增至140mgDO/gVSS·h，曝气量由 0.56m3·h-1增加至0.72m3·h-1时 ，SOUR 由 140mgDO/gVSS·h 降 至128.6mgDO/gVSS·h。低曝气量影响污泥絮粒内部细菌的代谢速率，使菌胶团生长不良，污泥活性较低；而过高的曝气量增加了污泥混合液的湍流程度，造成微生物的絮体破碎，导致污泥活性有降低趋势，同时过高的曝气量还会对膜通量造成一定的影响，而且增加能耗，因此，实际工程中，维持适当的曝气量是十分重要的。

2.3 pH值对EPS及污泥特性的影响

为了考察pH值对EPS及污泥特性的影响，反应器维持在下面的运行状态下，调节pH值分别为5、7、9。反应器其它参数见表5。

表5 反应器其它运行参数Tab.5 Other running parameter in MBR

2.3.1 实验结果

pH值对EPS及污泥特性的影响结果见表6。

表6 pH值对EPS成分及含量、污泥特性的影响Tab.6 Effect of pH on componentand contentof EPS、sludge characteristics

（1）不同pH值下，污泥EPS变化

由表6可知，当pH值由5增加至9时，EPS中多糖、蛋白质含量及EPS总量均呈增加趋势，其中EPS总量从6.28mg/gVSS增至16.4mg/gVSS。关于pH值对EPS及其各组份含量的影响，郑蕾等[12]通过pH值对污泥EPS分子结构的研究中也得出，随着pH由酸性变为碱性，EPS中多糖、蛋白质含量及EPS总量增加。推测原因为不同的pH值，造成了溶液的酸碱度不同，pH值能通过改变酸碱度来改变EPS。碱性越强，EPS中酸性基团易分裂，带负电荷的EPS间相斥，使EPS在污泥周围的水中溶解度增大，细胞外多糖、蛋白质含量上升。因此，EPS合成的最佳pH一般为中性到偏碱性。

（2）不同pH下，污泥Zeta电位变化

由表6可知，当pH由5增加至9时，污泥Zeta电位值由9.39mV增加至17.8mV。污泥絮体中表面电荷的数量取决于污泥絮体的表面特性及其表面所含的离子化基团的数量。研究表明EPS总量及其中多糖含量与Zeta电位值之间有良好的正相关关系。pH值极大地影响着EPS的组分，多糖和蛋白质浓度随着pH值的升高而上升，导致EPS中带负电的功能基团（如-OH、-COOH等）浓度的增加，从而使EPS表面负电荷增多，Zeta电位值增加。

（3）不同pH值下，污泥沉降性能的变化

由表6可知，当pH值由5增加至9时，污泥SVI呈现先减小后增加趋势。pH值为5时，污泥SVI值达153.49mL·g-1，沉降性能较差，当pH值为7时污泥沉降性能较好，SVI值降至89.1mL·g-1，而当pH值为9时污泥沉降性能变差，SVI值增至122.47mL·g-1。pH值低于6.5的酸性环境不利于细菌和原生动物的生长，而有利于霉菌及酵母菌的生长。由于霉菌及酵母菌不象细菌那样分泌粘性物质于细胞外，这样使活性污泥的凝聚性能较差，其结构松散不易沉降。pH值为7时污泥沉降性能较好，絮体密实。pH值为9时，污泥中一些微生物不能适应碱性环境，细菌死亡或自溶从而破坏菌胶团，污泥的絮体很松散，沉降性能变差。

（4）不同pH下，污泥活性变化

由表6可知，当pH值由5增加至9时，污泥活性值SOUR呈先增加后降低趋势。pH值为5时，污泥活性较低，SOUR仅为37.8mgDO/gVSS·h，在pH值为7时污泥活性较高，达到130.6mgDO/gVSS·h，而当pH值增加到9时，污泥活性降低，降为75.5mgDO/gVSS·h。混合液中的pH值不仅影响有机底物中有机化合物的离子化作用，引起细胞膜电荷的变化，从而影响微生物对营养物质的吸收，而且影响活性污泥微生物胞外酶及存在于细胞质和细胞壁内酶的催化作用，影响微生物的分布和活性[13]。污水生物处理中微生物生存适宜的的pH值范围为6.5～8.0，过高或过低的pH值会抑制微生物的活性，实验结果表明酸性条件对微生物的抑制作用强于碱性。

3 结论

（1）污泥负荷增加，污泥EPS降低，Zeta电位值降低，沉降性能变好，活性增加。

（2）曝气量增加，污泥EPS降低，Zeta电位值降低，沉降性能变好，活性先增加后降低，维持适当的曝气量是十分重要的。

（3）pH值由酸性变为碱性，污泥EPS增加，Zeta电位值增加，沉降性能先变好后变差，污泥活性先增加后降低，过高或过低的pH值会抑制微生物的活性。

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Impact of operation condition on sludge characteristics

NIWei-feng

A

1002-1124（2011）03-0042-06

2011-01-11

倪伟凤（1973-），女，工程师，华东师范大学毕业,现从事环境管理工作。