倒置A2／O－动态膜生物反应器工艺中EPS分布及对膜污染的影响

李祖成， 凌 琪， 伍昌年， 李 晶， 张贤芳， 宋 箭， 陶 勇

（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

膜 生 物 反 应 器 （membrane bioreactor，MBR）集膜分离技术和活性污泥的生物降解作用于一体，具有出水水质好，占地面积小，生物量大，污泥产泥率低等优点而广泛应用于污水处理［1］。但是其能耗高、膜组件造价昂贵和膜污染等问题又限制了它的大规模应用。以廉价尼龙布、无纺布等为膜基材的动态膜生物反应器（dynamic membrane bioreactor，DMBR）保 留 了传统MBR的优点，大幅降低了膜组件的成本，由于膜基材孔径较大，膜阻力小，初始通量大，可实现重力出水，能有效降低能耗和运行费用［2］。倒置A2／O工艺将缺氧池前置，反硝化细菌对污水中硝酸盐进行还原而实现脱氮；聚磷菌减少了反硝化细菌对碳源的竞争，在厌氧池中充分释磷，而后进入好氧池吸磷，提高了系统的除磷能力［3］。倒置 A2／O－MBR组合工艺利用膜生物反应器中高浓度硝酸盐和高活性污泥浓度，经回流至缺氧和厌氧环境，便于提高脱氮除磷效果，该工艺处理城市生活污水研究已有报道［4］，而倒置 A2／O－DMBR组合工艺处理污水的研究还没有报道。相关研究［5］发现污泥混合液中 胞 外 聚 合 物 （extracellular polymeric substances，EPS）对 MBR的膜污染有重要影响，DMBR工艺也是如此，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%［6］，其他成分还有核酸、脂类、腐殖酸、糖醛酸或氨基糖等。Sheng等人［7］认为EPS在微生物细胞外的分布呈现为具有流变性的双层结构，其内层与细胞表面结合紧密，称为紧密粘附（tightly bound，TB）的EPS，简称 TBEPS；外层则较疏松，可向周围环境扩散，无明显边缘，称为松散附着（loosely bound，LB）的EPS，简称LB－EPS。本文选用倒置 A2／O－DMBR处理模拟的市政污水，EPS含量主要以多糖和蛋白质含量总和来表征，通过研究工艺沿程各反应池在运行过程中EPS的含量和组成的变化，为研究和控制膜污染提供依据。

1 实验部分

1．1 装置与流程

小试实验装置由缺氧池、厌氧池、好氧池、膜组件等组成，实验流程如图1所示。缺氧池、厌氧池设置搅拌器，好氧池和缺氧池均设有微孔曝气系统。膜基材为300目尼龙布，膜面积0．2m2。以间歇出水方式运行，抽、停时间分别为8min、2min。

图1 小试装置图

1．2 运行参数

实验用水为模拟市政污水，其COD、TN、NH3－N和TP的浓度（mg／L）分别为300～500、40～5、35～45和3～6。

试验期间水温为15～30oC，试验运行总HRT为12h，其中缺氧池3h、厌氧池3h、好氧池（膜池）6h；好氧池污泥的质量浓度控制在5000～7000mg／L；回流比为200%；好氧池DO的质量浓度控制在1．5～3mg／L，pH 值控制在7．2～8之间，污泥龄为21d。

1．3 分析方法

进出水水质分析采用标准分析方法，蛋白质采用考马斯亮蓝法，多糖采用苯酚硫酸法［8］，DO采用HACH LDO101溶解氧仪（美国哈希公司）测定，pH 值由雷磁（PHS－3C）PH 计（上海盛磁仪器有限公司）测定，TOC由TOC分析仪（德国元素分析系统公司）（Liqid TOC II）测定。

2 结果与讨论

2．1 工艺中EPS沿程分布

采用倒置A2／O－DMBR工艺，不排泥连续运行30d，EPS沿程分布如图2所示。由图2可以看出，好氧池（膜池）、缺氧池、厌氧池的EPS浓度均呈现随着运行时间延长而增加，好氧池、缺氧池和厌氧池 EPS分别从2．69、3．2和4．6 mg／g MLVSS增加到 11．2、9．3 和 10．1mg／g MLVSS。三个反应池相比，厌氧池中EPS浓度多数情况下高于好氧池和缺氧池。李莹等［9］在研究MBR中污泥EPS变化及其对反应器运行的影响过程中分析了EPS在MBR工艺运行过程中的分布情况，选用浸入式中空纤维膜作为膜材料，运行91d后发现EPS含量可达50mg／gMLVSS。杨文静等［10］在研究膜生物反应器操作条件对EPS含量及膜污染的影响时也分析了EPS在MBR工艺中的分布情况，以平板膜为研究对象，运行108d发现EPS含量也可达到49．10mg／g MLVSS。与文献相比，实验过程中EPS含量较低，主要是膜基材尼龙布孔径较大，EPS在工艺沿程中积累量少的缘故。

图2 工艺沿程中EPS含量变化

2．2 工艺沿程中多糖／蛋白质的变化

EPS中多糖／蛋白质的比值的沿程分布如图3所示。由图3可知，整个运行过程中，工艺沿程多糖／蛋白质均呈现先增加后减小的变化。沿程各反应池多糖／蛋白质比值分别为:好氧池（8．2～21）、缺氧池（7．0～21）和厌氧池（8．21～21．5）。运行15d后，各反应池中多糖／蛋白质比值逐渐增大，均出现峰值，在随后运行的15d中各反应池多糖／蛋白质不断减小，其中运行到25d时各反应池中多糖／蛋白质比值均出现了一个相对稳定值，26～30d时多糖／蛋白质比值变化很小。吴振宇等［11］在研究有机底物对活性污泥EPS的影响过程中发现，不同的碳源得到的EPS中多糖／蛋白质值不同，发现以葡萄糖、蛋白胨为碳源培养过程中活性污泥EPS中多糖／蛋白质值分别为22．9、4．8。小试以蔗糖为碳源，好氧池中多糖／蛋白质比值为8．2～21。

图3 工艺沿程中多糖／蛋白质变化

2．3 工艺沿程中TB－EPS／LB－EPS的变化

TB－EPS位于细胞体表面，与细胞壁紧密结合；而LB－EPS分布在TB－EPS外部，结构松散，密度较小。由于LB－EPS含量相对较少，以TBEPS／LB－EPS值来表征工艺运行过程中EPS内部的变化情况。工艺沿程中TB－EPS／LB－EPS的变化如图4所示，由图4可知，各反应池中TBEPS／LB－EPS变化趋势相近，均呈现先增大后减小的变化。工艺运行的前15d，TB－EPS／LB－EPS不断增加，到15d达到最大（峰值），而后运行中TB－EPS／LB－EPS均下降，其中好氧池下降最快，各反应池 TB－EPS／LB－EPS比值分别为:好氧池（4．5～32），缺氧池（10．5～28），厌氧池（11．7～31）。

图4 工艺沿程中TB－EPS／LB－EPS变化

2．4 EPS对膜污染的影响

膜污染是指与膜接触的料液中微粒胶体粒子或溶质大分子与膜发生物理、化用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化现象［12］。EPS对膜通量的影响如图5所示，由图5可知，随着运行时间的延长，好氧池中EPS浓度从2．7mg／g MLVSS增加到10．9mg／g MLVSS，其中蛋白质浓度从0．87mg／L增加到5．73mg／L，LB－EPS浓度从0．49mg／L增加到8．6mg／L，而膜通量从71．1L／m2．h减小到16．1L／m2．h，运行15d后，经过气水反冲洗后膜通量只恢复到初始通量的一半，并且恢复后通量下降迅速，清洗次数增加，最终导致膜污染加重，说明EPS浓度越高，加剧了膜污染。近年来，许多研究认为EPS是膜污染最重要的生物因素。李绍峰等［13］在研究胞外聚合物EPS对MBR膜污染的影响中发现，EPS浓度与膜污染程度之间存在线性关系，EPS与Rc（一致性相关系数）回归的相关系数为0．9以上，在污泥的每一个生理状态，EPS含量越高，膜污染越严重。结合图3和4，运行20d后，多糖／蛋白质值下降，蛋白质含量增多；运行15d后，TB－EPS／LB－EPS 值 逐 渐 下 降，LB－EPS增大，加剧了膜污染，膜通量随之下降，这与图5中膜通量的变化趋势一致。

图5 EPS与膜通量关系

3 结论

采用倒置A2／O－DMBR工艺，以尼龙布为膜基材，连续运行30d，工艺沿程各反应池中EPS均随运行时间的延长而增加。好氧池中EPS浓度从2．7mg／g MLVSS增加到10．9mg／gMLVSS，EPS中蛋白质和LB－EPS的含量分别从0．87mg／L，0．49mg／L增加到5．73mg／L，8．6mg／L，膜通量从71．1L／m2．h减小到16．1L／m2．h，膜污染加剧，清洗周期缩短。

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4 刘圣根，戴海平，柯永文．倒置A2／O－MBR工艺处理城市生活污水脱氮除磷中试研究［J］．膜科学与技术，2014，34（1）:91－95．

5 崔新伟，谢丽，毕晔，等．倒置A2／O－MBR工艺处理低C／N生活污水脱氮性能研究［J］．给水排水，2012，38（9）:132－136．

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11 杨文静，樊耀波，徐国良，等．膜生物反应器操作条件对EPS含量及膜污染的影响［J］．膜科学与技术，2010，30（6）:41－48．

12 吴振宇，刘峙嵘，陶琴琴，等．有机底物对活性污泥胞外聚合物的影响［J］．湿法冶金，2012，31（4）:216－219．

13 李绍峰，崔崇威，黄君礼．胞外聚合物EPS对MBR膜污染的影响［J］．哈尔滨工业大学学报，2007，39（2）:266－268．