不同预处理精度对膜生物反应器污泥性质和微生物种群的影响

彭争梁，李汉冲，王煊博，王巧英，吴志超

(1.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点试验室，上海 200092；2.上海金山廊下污水处理有限公司，上海 201516；3.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)是一种膜分离技术与活性污泥法相结合的污水处理技术，已广泛应用于工业水处理和市政污水处理领域，同时MBR技术也存在一些不足，主要表现在投资成本高、膜污染、膜组件阻塞等方面。其中，膜组件堵塞是MBR工程在运维过程中遇到的难题之一[1-2]。

阻塞现象大致可以分为两类：一类是头发丝等纤维类物质缠绕在膜组件上并与杂质结合形成紧密的缠绕物，另一类是大颗粒杂质与污泥形成泥饼沉积在膜表面，这都将导致膜污染加剧和膜组件板结[3]。研究指出[4]，市政污水中毛发及纤维类物质大多为粒径大于100 μm的有机物，虽然占比很少，但这些物质却是造成MBR膜组件阻塞的主要原因。

为了解决阻塞现象对MBR造成的不利影响，可以从以下几方面入手：一是在阻塞现象发生后通过膜清洗去除缠绕物及膜表面的沉积物；二是通过过滤污泥混合液，将污泥中较大粒径的杂质分离出来，减少膜组件阻塞的可能性；三是通过高精度预处理进水，防止杂质进入后续的生物处理工艺。其中，高精度预处理系统从源头上分离杂质，是防止膜组件阻塞最为经济有效的方法。因此，本文通过研究不同精度的预处理对MBR生物处理系统的影响，重点考察MBR污泥的性质及其微生物群落结构是否受到高精度污水杂质分离的影响。

1 材料与方法

1.1 试验装置和运行参数

1.1.1 上海某污水处理厂MBR中水回用工程

该MBR中水回用工程处理规模为400 m3/d，进水为污水处理厂沉砂池出水，沉砂池前设有格栅间隙为3 mm的格栅，主体工艺为平板膜MBR，MBR出水经消毒后作为厂区中水使用。该中水回用工程共设有5个MBR池，各池运行参数稍有不同，其1#MBR池主要工艺参数及运行参数如表1所示，该MBR反应池中设有上、中、下三层膜支架，每层支架中装有110片尺寸为1 000 mm×500 mm×10 mm的平板膜。

如图1所示，该中水回用工程在未经过杂质预处理的情况下，膜组件阻塞现象非常严重。

1.1.2 预处理精度为1 mm和0.1 mm的MBR现场试验装置

两套MBR现场试验装置除了预处理精度不同之外，其他设计参数和运行参数均一致，总运行时长达300 d。两套现场试验装置的预处理滤筛均采用涤纶滤网，孔径分别为1 mm和0.1 mm(有效过滤面积为0.5 m2)，滤网及其拦截的杂质如图2所示。为了避免在装置运行过程中微网堵塞，采用较小的微网通量(3.6 m3·m-2·d-1)，同时滤筛采用曝气冲刷(曝气强度为5 m3·m-2·min-1)的方式维持网面清洁。为防止微网表面形成污染层造成分离精度的变化，试验每24 h更换一次微网，换下的微网用毛刷刷洗后，用5‰浓度的次氯酸钠溶液浸泡2 h，晾干后备用。

图1 中水回用工程膜组件阻塞情况Fig.1 Membrane Clogging Phenomenon in Reclaimed Water Reuse System

图2 孔径1 mm(a)和0.1 mm(b)的滤网拦截的杂质Fig.2 Impurities Intercepted by 0.1 mm (a)and 1 mm (b) Screen

为了与MBR中水回用工程中的1#MBR池进行对比，进水同样采用该污水处理厂沉砂池出水，且两套现场试验装置的水力停留时间、膜通量、曝气强度等参数与1#MBR池相同；同时，为了研究不同预处理精度对MBR出水水质和生物脱氮除磷过程的影响，两套试验装置增设了厌氧段和缺氧段，其工艺流程及反应器示意图如图3所示。反应器内液位通过进水浮球阀控制；厌氧区(停留时间为1.7 h)和缺氧区(停留时间为3.6 h)均设有直杆搅拌机；缺氧区和好氧区设有污泥回流泵，回流比分别为100%和200%；通过自吸泵出水，出水量通过蝶阀和转子流量计调节；利用曝气机进行穿孔管曝气，曝气量通过气体转子流量计调节；跨膜压力(TMP)通过水银压力计进行测量。主要设计参数如表1所示。

表1 400 m3/d MBR中水回用工程1#池主要工艺参数Tab.1 Main Parameters of MBR System 1# for Reclaimed Water Reuse with Capacity of 400 m3/d

图3 (a)工艺流程及(b)试验装置示意图Fig.3 Diagram of (a) Process Flow and (b) Experiment Plant

1.2 试验分析方法

1.2.1 物理化学指标法分析方法

试验所涉及的测试项目及测试方法如表2所示。

1.2.2 CSS的测试方法

采用大颗粒悬浮物浓度(coarse suspended solids，CSS)来表征污泥混合液中的杂质浓度。CSS 100、CSS 500、CSS 1 000分别表示粒径大于100、500 μm及1 000 μm杂质的浓度。其测试条件与方法如表3所示[5]。

1.2.3 污泥混合液过滤性能测试方法

本文采用膜生产厂家推荐的两种方法测定污泥混合液的过滤性能。方法一：取50 mL污泥混合液，用孔径2 μm滤膜(有效过滤区域为直径10 cm圆形区域)在常压下(1.03 MPa)重力过滤5 min，用滤液体积(mL)表示污泥混合液的过滤性能；方法二：取50 mL污泥混合液，用孔径0.2 μm滤膜(有效过滤区域为直径8 cm圆形区域)在-0.4 MPa压力下过滤 5 min，用滤液体积(mL)表示污泥混合液的过滤性能。

1.2.4 微生物多样性测试方法

本文采用高通量Miseq测序法进行微生物多样性测试[6]。

表2 常规测试指标一览表Tab.2 List of Routine Test Specification

表3 CSS测试指标一览表Tab.3 List of CSS Test Specification

2 结果与讨论

2.1 装置运行中的杂质累积情况

2.1.1 CSS随时间的变化

在装置运行的194～238 d，每7 d对三个MBR系统的污泥混合液进行采样，分别用孔径100、500 μm及1 000 μm的滤筛进行过滤，测定其CSS 100、CSS 500及CSS 1 000值，结果如表4所示。

表4 CSS含量测试结果Tab.4 Test Results of CSS Contents

注：其中1#装置的CSS 1000，2#装置的CSS 500、CSS 1000，由于含量过低，测试中未检出

CSS值的大小反映了污泥混合液中相应粒径大小的颗粒物含量，即容易缠绕和阻塞膜组件的杂质。相关研究表明，污泥中这类颗粒物与膜阻塞现象有密切关系，运行过程中发生膜组件阻塞现象的MBR污水处理厂污泥的CSS值要明显高于未发生膜阻塞现象的MBR污水厂污泥。由表4可知，对于本试验中的三个MBR系统，CSS 500和CSS 1 000的值较小，而CSS 100值则可以看出明显差别。发生膜组件阻塞现象的1#MBR池和1#装置中CSS 100含量高达1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未发生膜组件阻塞现象的2#装置中CSS含量仅有36±22 mg/L，如图4所示。

图4 各MBR系统的污泥混合液中CSS 100含量Fig.4 Content of CSS 100 in Each MBR System

2.2 污泥粒径

在两套现场试验装置运行238 d后，测定其污泥粒径，其Dx10、Dx50、Dx90如表5所示。由表5可知，中水回用工程1#膜池中的污泥粒径(Dx90=168 μm)要比1#装置(Dx90=47.7 μm)及2#装置(Dx90=37.1 μm)中的污泥粒径大得多，而1#装置与2#装置中污泥粒径的差异并不显著。粒径在0.1～10 μm，1#装置(17.9 %)中污泥颗粒物的百分数要小于2#装置(22.9%)，而对于孔径为0.2～2 μm的膜来说，粒径为0.1～10 μm的颗粒物最容易进入膜内部堵塞膜孔径。

表5 污泥粒径Dx10、Dx50、Dx90Tab.5 Sludge Grain Sizes of Dx10,Dx50,Dx90

2.3 污泥过滤性能

污泥的过滤性在一定程度上能表征膜污染的趋势，被作为MBR系统污泥性质的重要指标[7]，污泥过滤性能越好即代表单位时间内膜可以过滤的污泥混合液越多，相应地，当过滤量相同时过滤性能较好的污泥对膜造成的污染也较少。本试验采用相关文献中提到的两种污泥过滤性能的测试方法测定三个MBR系统中污泥混合液的过滤性能，测定结果如表6所示。由表6可知，三种污泥的过滤性能有较大差异，2#装置污泥的过滤性能最好，1#装置污泥过滤性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的过滤性能最差，这可能是因为污泥粒径较大的MBR污泥过滤性能较差，而粒径较小的MBR污泥过滤性能较好。

表6 污泥过滤性能(n=8)Tab.6 Sludge Filtration Performance (n=8)

2.4 污泥毛细吸水时间(CST)

研究表明，CST与污泥浓度基本上呈线性相关。因此，可以用CST/SS比值来表示不同浓度污泥的脱水性能。此外，据相关文献报道，CST与MBR的关键运行参数即膜的临界通量呈负相关的关系[8-9]。

在装置运行的194～238 d，测定了1#膜池、1#装置、2#装置中MBR污泥的毛细吸水时间和污泥黏度，如表7所示。由表7可知，1#膜池污泥CST较高，1#装置污泥次之，2#装置污泥最低，考虑三种污泥的污泥浓度不同所造成的影响，对比其CST/SS值，仍与CST值排序相同，这说明对城镇污水进行高精度污水杂质分离有助于提高剩余污泥的脱水性能。

表7 污泥毛细吸水时间(n=8)Tab.7 Capillary Suction Time of Sludge (n=8)

2.5 三维荧光分析

1#膜池、1#装置、2#装置中MBR污泥的EPS和SMP的EEM图谱如图5所示。

由图5(a)、图5(b)、图5(c)可知，EPS的EEM图谱中主要有一个荧光峰B，位于(Ex/Em)280/330 nm，该峰与类蛋白质物质有关，为色氨酸荧光。观察不同预处理精度下EPS的EEM图谱变化情况可知，三种MBR污泥峰B的荧光强度差别不大，峰B荧光强度的变化规律与预处理精度的相关性并不明显。

图5 污泥SMP及EPS的三维荧光图Fig.5 3D Fluorescence of SMP and EPS of Sludge

由图5可知：SMP的EEM图谱中主要有3个荧光峰B、C和D，分别位于(Ex/Em)280/330、320/430 nm和250～450 nm；其中B峰与类蛋白质物质有关，为色氨酸荧光；C峰和D峰分别为类胡敏酸物质和类富里酸物质。观察不同预处理精度下MBR污泥SMP的EEM图谱变化情况可知：B峰的荧光强度均随着预处理精度的提高而降低，其中中水回用工程中1#膜池污泥B峰的荧光强度要明显高于两套现场试验装置；1#装置污泥的C峰荧光强度最强，2#装置次之，1#膜池污泥最弱；1#装置与2#装置的D峰荧光强度没有明显差别，1#膜池污泥D峰荧光强度较弱。

上述结果表明，预处理精度的不同主要对MBR污泥中SMP的成分造成了一定影响，这也将会直接影响各个MBR系统的膜污染速率，而预处理精度对污泥中EPS成分的影响不大。

2.6 微生物分析

本文在反应器运行的第250 d，从中水回用工程1#MBR池(A1)、1#MBR装置的好氧池(A2)，以及2#MBR装置好氧池(A3) 中取活性污泥。样品在运输过程中采用干冰或液氮保存，至实验室后在3 000 r/min条件下离心10 min，回收沉淀物，并在实验室中存放于-80 ℃冰箱内，以待进一步分析。

本试验中主要针对三种样品A1～A3中原核细菌的微生物多样性进行分析，主要分析污水中杂质经不同目数杂质分离器去除后，对后续生物处理过程中微生物种群结构产生的影响。本试验采用的新一代测序方法(NGS)是通量高、拼接长度长的Miseq测序技术。3个样品的微生物统计学信息如表8所示。

表8 A1～A3样品微生物多样性测试统计学参数与α多样性指数Tab.8 α Diversity Index and Statistical Parameters of Microbial Diversity Test for A1～A3 Samples

图6 A1～A3样品在各细菌门的相对丰度Fig.6 Isotopic Abundance Ratio in Bacteriophyta of A1～A3

由表8可知，三个样品测序的均一性较好，优化后有效序列数量为39 186～42 238条，因此可不进行样品抽平而进行后续分析。经统计计算，三组样品的平均测序序列长度为438.92 bp，与扩增区域的基因片段长度 (468 bp) 基本吻合。经去除没有重复的单序列 (singletons) 后，A1～A3获得25 206、27 952与26 287条可聚类序列 (reads)，经聚类后，在97%的相似度下各获得766、898个以及897个OTUs(operational taxonomic units,OTUS)。α多样性指数表明，经污水杂质分离器对进水处理后，反应器内微生物的丰度与多样性均有所提升。其中，A1的Chao丰度指数为817，Shannon多样性指数为5.48，而A2与A3的Chao丰度指数升至916与925，Shannon多样性指数则升至5.69与5.81。三个样品的测序覆盖率均超过99%，说明测序结构非常具有代表性。

通过对三个样品发育学信息对比，可进一步得知污水杂质分离器的使用对后续微生物种群结构产生的影响。三个样品在不同细菌门水平上的相对丰度如图6所示。Miseq高通量测序技术从三个样品中共发现16个细菌门，其中变形菌门 (Proteobacteria) 与拟杆菌门 (Bacteroidetes) 是丰度最高的两个细菌门，细分至这两个门的微生物分别占到A1、A2与A3细菌总数的63.4%、55.2%与52.8%。相比于A1样品，A2与A3样品中Candidate_division_TM7与Candidate_division_OD1的相对丰度均显著下降，而Proteobacteria的相对丰度也略有降低。相比之下，绿弯菌门 (Chloroflexi)，WCHB1-60、芽单胞菌门 (Gemmatimonadetes)、浮霉菌门 (Planctomycetes) 及硝化螺旋菌门 (Nitrospirae) 在A2与A3中的相对丰度得到了显著提升。其中绿弯菌门等通过光合作用产能的细菌相对丰度的提升是由于中水回用工程1#MBR池在室内，而1#和2#试验装置则放置在室外。

将分类学继续细分至细菌属水平上可以得到更多的微生物多样性信息。表9给出了在A1、A2与A3中至少两个样品中相对丰度高于0.5%的主要细菌属的相对丰度。由表9可知，Candidate_division_TM7_norank与Saprospiraceae_uncultured是A1中主要的细菌属，占到所有细菌的22.7%，而这两个细菌属在A2与A3中的相对丰度则显著下降。而Ottowia、Chitinophagaceae_uncultured及Brevundimonas也呈现出相似的规律。相比之下，Caldilineaceae_uncultured、NS9_marine_group_norank、TK10_norank、WCHB1-60_norank、硝化螺旋菌属 (Nitrospira)、Gemmatimonadaceae_uncultured等细菌属在A2与A3中相对丰度得到了提升。例如，A1中Nitrospira的相对丰度为0.10%，而A2中Nitrospira的相对丰度为2.0%，A3中Nitrospira的相对丰度为2.4%。Nitrospira，是污水处理厂和实验室反应器中主要的亚硝酸氧化菌，其在A2和A3中的富集说明污水杂质分离器的使用会对微生物种群结构产生影响，而部分对污水处理有重要作用的微生物可能在这一过程中得到了富集。

表9 A1～A3样品中主要细菌属的相对丰度Tab.9 Isotopic Abundance Ratio of Major Bacteria Count of A1～A3

3 结论

(1)本试验中的三个MBR系统，CSS 500和CSS 1 000的值较小，而CSS 100值则可以看出明显差别。发生膜组件阻塞现象的1#MBR池和1#装置中CSS含量高达1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未发生膜组件阻塞现象的2#装置中CSS含量仅有36±22 mg/L。

(2)三种污泥的过滤性能有较大差异，2#装置污泥的过滤性能最好，1#装置污泥过滤性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的过滤性能最差。从CST的测定结果可以看出对城镇污水进行高精度污水杂质分离有利于提高剩余污泥的脱水性能。

(3)污泥混合液中的EPS和SMP三维荧光图谱分析表明预处理精度的不同主要对MBR污泥中SMP的成分造成了一定影响，并影响各个MBR系统的膜污染速率，而预处理精度对污泥中EPS成分的影响不大。

(4)微生物多样性分析结果表明，污水中杂质被去除的同时，污泥中的微生物种群结构也发生了变化，对污水处理有重要作用的微生物在这一过程中得到了富集。

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