PAC更新率对PAC-MBR耦合处理效能及污泥特性的影响

张 事,张忠义,鄢 琨,徐望朋

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.长江设计集团有限公司,湖北武汉 430010;3.流域水安全保障湖北省重点实验室,湖北武汉 430010)

世界范围的水资源短缺和日益严格的废水排放标准凸显了可持续废水处理的必要性[1]。与传统的活性污泥法相比,膜生物反应器(MBR)具有占地面积小、维护成本低、污泥产量低、营养盐及有机物去除率高等优点。然而,膜污染仍然是MBR广泛应用的主要限制因素。膜污染会导致跨膜压力(TMP)的增加,同时导致操作成本增加[2-3]。目前大量研究致力于减轻膜污染,其中包括膜清洗优化[4]、添加颗粒材料[5]和无机絮凝剂(明矾、聚合氯化铝等)[6]。

研究[7]表明,在MBR中添加粉末活性炭(PAC)可以减缓膜污染,降低运行成本约25%。PAC主要是通过高吸附力增强有机污染物的降解;老化的PAC会降低膜过滤性能和膜污染的改善效果[8]。因此,有必要稳步更新老化的PAC。Nicolas等[9]发现PAC更新率为5%时,有机物吸附效果较好,沉积物及生物絮体结构变化进而减缓膜污染速率。Jeong等[10]研究发现,海水中的出水溶解性有机碳(DOC)和可吸收有机碳浓度在PAC更新率为1.5%时降低,膜污染速率也有所减缓。因此,关于PAC更新率对膜污染减缓效果未有一致结果,特别是其对污泥的可过滤特性和微生物群落影响。本研究通过探索研究不同PAC更新率对污泥过滤能力和微生物群落结构变化的影响,尝试来筛选最佳的PAC更新率并揭示及其对膜污染改善效果的影响机制,创新性地研究出适宜的PAC更新率,可以有效改善微生物的活性并减缓膜污染进程。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

MBR反应器是由有机玻璃制成,底盘直径为15 cm,高为150 cm,有效容积为22 L。反应器中平行放置一个束式中空纤维聚偏氟乙烯(PVDF)膜组件(MOF-1B-W,MOTECH,中国),膜组件有效过滤面积为0.3 m2,内径为0.8 mm,外径为1.2 mm,最大孔径为0.2 μm。在整个运行阶段采用底部微孔连续曝气供氧,使得反应器内DO质量浓度在2～4 mg/L,由蠕动泵(BT100-1 L,LongerPump,中国)控制保持恒定的出水流量,水力停留时间(HRT)为6 h。采用8 min出水、2 min反冲洗及进水的时间模式控制装置的运行,在膜组件和出水泵之间安装压力计测量TMP,反映膜的污染情况,当TMP达到40 kPa时需对膜组件进行清洗。整个运行工艺以可编程逻辑控制器(PLC)控制水位的恒定实现进出水、反冲洗等运行过程的自动控制,并且室内温度一直控制在25 ℃左右。MBR装置示意图及实际运行装置如图1所示。

图1 PAC-MBR装置示意图(a)及实际运行装置图(b)

1.2 原水水质及接种污泥

本研究所用武汉某高校生活污水,采用葡萄糖、淀粉、磷酸二氢钾、铵盐、尿素等一些微量元素调整水质,其水质如表1所示。CODCr、氨氮和TP等物质在原水中的浓度存在一定的波动,但是整体来说进水中C、N、P的比例接近100∶5∶1,进水的pH值也一直维持在6.5～7.5,适合活性污泥中微生物的生长[11],并且原水中还添加了微生物生长所需的各种微量物质,避免了微生物由于营养不均衡而提前进入衰亡期的情况,能保证反应器的良好运行。

表1 原水各项指标浓度

试验所用活性污泥取自武汉市某污水处理厂AAO工艺的二沉池,在试验室通过SBR法对获取的污泥进行驯化。SBR的运行工况为进水(瞬时),曝气3.5 h,沉淀30 min,出水20 min。

1.3 试验设计

试验所用的PAC是200目的木屑原生炭,产自巩义市先科供水材料有限公司。PAC在投放到反应器中以前,通过蒸馏水清洗,并且在50 ℃条件下烘干保存。

污泥驯化到氨氮和CODCr的去除率达到试验要求,MLSS为(4.35±0.20)g/L,此时向4个反应器中同时投加膜组件和2 g/L的PAC投加量,以下分别简称为MBR-A、MBR-B、MBR-C、MBR-D。膜通量为15 L/(m2·h),运行阶段通过排泥控制反应器中PAC停留时间分别为无穷、80、60、40 d,同时向MBR-B、MBR-C、MBR-D中添加0.55、0.82、1.10 g新的PAC,即PAC的更新率分别为0、1.25%、1.67%、2.50%。

在PAC-MBR中,PAC的停留时间可以定义为反应器内PAC的质量与每天更换的PAC质量之间的比例,而PAC更新率对应于PAC停留时间,可以用每天排除污泥的体积和反应器内的PAC浓度来识别这种关系[12]。因此,PAC的更新率是根据PAC的停留时间来计算的,如式(1)。

(1)

其中:ζ——PAC更新率;

δPAC——PAC停留时间,d;

QR——每天排除污泥的体积,L/d;

Vr——反应器的体积,L;

mPAC——反应器内的PAC质量,g;

CPAC——反应器内的PAC质量浓度,g/L。

1.4 分析方法

常规指标分析方法如下。CODCr采用重铬酸钾快速消解法测定,用硫酸汞掩蔽氯离子[13]。氨氮、TN、MLSS、MLVSS、SV采用《水质和废水监测分析方法》(第四版)中推荐的方法进行测定[14]。可溶性微生物产物(SMP)采用离心过滤法提取,胞外聚合物(EPS)采用加热法提取[15],并且采用苯酚-硫酸法[16]和改良型的Lowry法[17]测定SMP和EPS中的多糖和蛋白质含量。DNA以二苯胺法进行测定,以DNA钠盐作为标准物质[18]。多糖、蛋白质和DNA的总和即为SMP和EPS的含量。

高通量测序:在反应器运行到76 d,从4个反应器的上中下层分别取3个污泥样品。根据制造商的说明使用E.Z.N.A.®Soil DNA试剂盒提取DNA,并通过0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量,然后用NanoDrop ND-1000分光光度计(Thermo Scientific,USA)对DNA进行定量。本试验选用长度约为250 bp的细菌16 S rRNA基因的高度可变的V4区用来测序。聚合酶链式反应(PCR)扩增选用细菌16S rDNA定制V4区特异性引物,引物为515F(5’-barcode+ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3’)。该扩增子由派生诺公司(上海,中国)在Illumina MiSeq平台上进行测序。

2 结果和讨论

2.1 PAC-MBR污染物去除效能

2.1.1 CODCr

反应器运行阶段,不同PAC更新率的反应器中进水、出水及上清液中CODCr的浓度以及去除率随时间的变化趋势如图2所示。由图2可知,4个反应器对CODCr都表现出较好的去除效果。在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,上清液的CODCr质量浓度分别是(30.91±14.23)、(30.81±22.53)、(28.85±8.23)、(31.76±14.52)mg/L,平均去除率分别达到了92.32%±4.21%、92.52%±5.00%、92.73%±2.50%、92.29%±3.07%,上清液的CODCr去除率达到了92%以上;出水的CODCr质量浓度分别是(20.01±6.29)、(16.79±3.60)、(11.75±4.27)、(17.79±5.03)mg/L,出水CODCr的平均去除率是94.98%±1.95%、95.82%±0.98%、97.05%±1.34%、95.58%±1.27%,去除率达到了94%以上。当PAC的更新率为1.67%时,CODCr的去除效果最好,出水CODCr去除率相比未更新PAC的反应器提高了2%左右,这主要是PAC的更新导致MBR中膜表面形成的饼层厚度、生物活性以及渗透特性存在差异,进而也影响反应器中SMP的生成[19]。

2.1.2 氨氮

在运行阶段,不同PAC更新率的反应器中进出水及上清液中氨氮的浓度及去除率随时间的变化趋势如图3所示。4个反应器对氨氮都表现出较好的去除效果。在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,上清液的氨氮质量浓度分别是(0.83±0.60)、(0.59±0.30)、(0.51±0.26)、(0.83±0.51)mg/L,平均去除率分别达到了98.01%±1.46%、98.60%±0.68%、98.82%±0.47%、98.06%±1.13%;反应器的出水氨氮质量浓度分别是(0.55±0.30)、(0.39±0.29)、(0.44±0.24)、(0.52±0.30)mg/L,平均去除率分别达到了98.65%±0.77%、99.05%±0.75%、98.94%±0.63%、98.75%±0.76%。4个反应器对氨氮都有较好的去除效果,上清液和出水的平均去除率在98%以上。对于4个反应器而言,PAC的更新有利于反应器对氨氮的降解作用,并且当PAC的更新率为1.25%时,上清液和出水的氨氮处理效果都是最佳的。

图3 氨氮随时间的变化

2.1.3 TN

图4 TN随时间变化

2.2 污泥特性变化

2.2.1 MLVSS/MLSS及MLSS变化

图5给出的是反应器运行阶段污泥浓度以及污泥有机组分的变化情况。由图5(a)可知,4个反应器的MLVSS/MLSS在整个运行阶段趋于逐渐增大的趋势,在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,MLVSS/MLSS由开始的0.709、0.674、0.687、0.661上升到0.817、0.887、0.885、0.906。4个反应器的MLVSS/MLSS平均值分别是0.802±0.038、0.817±0.052、0.822±0.052,0.833±0.063,不同PAC更新率的反应器之间未发现MLVSS/MLSS存在明显的差异。同时,4个反应器的MLVSS/MLSS值与城市污水处理厂的MLVSS/MLSS经验值(0.75)比较接近,说明了反应器处于比较稳定的运行状态[22]。

图5 (a)MLVSS/MLSS随运行时间的变化和(b)MLSS随运行时间的变化

由图5(b)可知,4个反应器从运行开始到结束,MLSS都有一定程度的提高。在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,MLSS由开始的5.1、5.059、5.112、5.221 g/L上升到11.77、8.608、8.6、8.274 g/L,4个反应器的平均MLSS质量浓度分别是(8.247±1.839)、(6.692±0.957)、(7.074±0.855)、(6.712±0.755)g/L。未更新PAC的反应器污泥浓度明显高于更新PAC的反应器,这可能与PAC更新的同时也会进行定量排泥有关[23]。

2.2.2 SMP变化

SMP的主要成分是多糖、蛋白质等有机物,大部分产生于微生物的基质分解和内源呼吸过程,其中高分子物质的含量较高且可生物降解性差,因此,SMP会在MBR中积累[24]。图6展示4个不同的反应器SMP组分及含量随运行时间的变化趋势。

图6 (a) SMP随运行时间的变化;(b) SMP中蛋白质及多糖的含量

由图6(a)可知,反应器运行前期(0～16 d),SMP含量逐步上升,这是由于劣势菌种死亡以及优势菌种大量繁殖,从而代谢大量的SMP。反应器从第16 d运行到第37 d,SMP含量逐渐下降,在第44 d SMP出现最大值,然后在第51～65 d以及第75～104 d出现两段逐渐增长的趋势,4个反应器的SMP浓度变化波动规律比较相似。PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,平均质量分数为(5.50±2.16)、(6.60±1.58)、(6.01±1.12)、(5.94±1.41) mg/(g VSS)。图6(b)描述的是SMP中蛋白质与多糖的平均值变化,整个运行阶段,SMP的多糖平均质量分数分别是(0.75±0.38)、(1.18±0.67)、(1.06±0.64)、(1.04±0.62)mg/(g VSS),可以看出随着PAC的更新加剧了反应器内SMP中多糖含量的积累,并且随着更新率的逐渐增大,反应器对SMP中多糖的降解吸附作用逐渐增强[12]。SMP中蛋白质质量分数分别是(3.36±1.75)、(4.02±2.63)、(2.91±1.28)、(3.46±1.65)mg/(g VSS),当PAC更新率达到1.67%的时候,SMP中蛋白质的浓度最低。

2.2.3 EPS的变化

EPS作为活性污泥的重要组成部分,是细菌在一定条件下形成的自我保护和相互黏附,并在饥饿环境下为细菌提供碳源和能量的有机物质[25]。单位质量活性污泥中EPS及其各组分浓度随运行时间的变化情况如图7所示。由图7(a)可知,4个反应器在运行0～60 d的时候,单位质量活性污泥中EPS的含量随着运行时间的延长呈现上升趋势,达到最大值后随着运行时间又出现不规律性的减小,在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,单位质量活性污泥混合液的EPS质量分数在第30、37、30、37 d分别达到最大值106.90、109.60、138.51、138.89 mg/(g VSS)。反应器在运行第60～104 d的时候,单位质量活性污泥中EPS的含量随着运行时间的延长呈现上升趋势,达到最大值后随着运行时间又出现不规律性的减小,在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%的情况下,单位质量活性污泥混合液的EPS质量分数分别在第85 d达到最大值102.44、140.53、124.97、131.75 mg/(g VSS)。在这个阶段反应器表现出与前一阶段相同的变化趋势,随着运行时间的延长呈现上升的趋势,当达到最大值后随着运行时间延长呈现不规律性的减小,这可能与污泥中微生物周期性更替相关[26]。

图7 (a) EPS随运行时间的变化;(b) EPS中蛋白质及多糖的含量

整个运行阶段,EPS以及其重要组分蛋白质和多糖含量的平均值如图7(b)所示。在PAC的更新率分别是0、1.25%、1.67%、2.50%时,多糖质量分数分别是(8.54±3.53)、(9.47±4.13)、(10.84±4.12)、(11.87±0.37)mg/(g VSS),很显然MBR-A中EPS的多糖含量明显少于其他反应器,说明随着PAC更新率的增加,多糖浓度不断增大。而4个反应器蛋白质质量分数分别是(58.80±21.25)、(64.71±25.65)、(73.01±25.69)、(76.71±25.86)mg/(g VSS),即PAC更新率不断增大,EPS中蛋白质含量也不断增多。随着PAC更新率的增加,EPS的含量也逐渐增大,每一个反应器中多糖的含量明显低于蛋白质的含量,这可能是在更新PAC的同时也排出大量污泥,使得反应器内源环境发生了变化,加快了微生物分泌EPS。同时,由于新鲜PAC的加入吸附大量的有机物,加大了污泥混合液中有机物的含量,最终导致EPS中多糖和蛋白质含量升高[27]。

2.2.4 微生物群落变化

将各分类水平的群落组成数据根据分类单元的丰度分布或样本间的相似程度加以聚类,并且根据聚类结果对分类单元和样本分别排序,以热图的形式加以呈现[28]。结合聚类分析的属水平群落组成热图如图8所示。图8中红色代表在对应样本中丰度较高的属,绿色代表丰度较低的属。

注:A1、A2及A3为反应器A的3个平行样品,B1、B2及B3为反应器B的3个平行样品,C1、C2及C3为反应器C的3个平行样品。

同一反应器不同高度的群落差异性不明显,不同反应器之间的群落差异性显著。Dinghuibacter、Pirellula、Phaselicystis、Solitalea、Turneriella、Woodsholea、Hyphomicrobium在反应器B中的丰度值较高,而其他3个反应器这些属种的含量不是很高;Denitratisoma、Aeromonas、Nitrospira、Tolumonas、Desulfovibrio、Roseiflexus、Sulfurospirillum、Bryobacter、Thiothrix、Sphaerotilus在反应器D中的丰度值较高,而在其他反应器的丰度值较低;反应器C中的Nitrosomonas、Pedobacter、Plasticicumulans、Dechlormonas、Yangia、Azonexus、Thauera、Nannocystis、Prosthecobacter等属种的丰度明显高于其他反应器。综上所述,不同反应器之间群落的差异性显著。

Planctomyces同样也是优势菌属,4个反应器的丰度分别是3.23%±0.77%、3.88%±0.40%、3.96%±0.17%、2.77%±0.16%,可以看出PAC更新率是1.67%时,Planctomyces的丰度值最高。Nitrospira是常见的硝化细菌,氨氧化以后进入硝化反应阶段,其丰度的大小决定了氨氮去除的效率[29],4个反应器的Nitrospira都有较高的丰度,所以氨氮的去除效果都比较显著,去除率均达到了98%以上。除此之外,MBR-B、MBR-C中的Thiobacillus具有较高的丰度值,而MBR-A、MBR-D的丰度均小于1%;Dechloromonas大量存在于MBR-C中,丰度达到了2.69%±0.38%。Zoogloea相较其他反应器而言广泛存在于MBR-A中,丰度是2.04%±0.20%,即PAC的更新减弱了该菌属的生长繁殖。Nannocystis存在于MBR-B、MBR-C、MBR-D,说明PAC的更新加强了该菌属的生长繁殖。往往这些细菌的富集可能与反应器中大分子的降解和膜污染的减轻有关[30-31]。

2.3 膜运行情况

大量研究[32]表明,膜表面污染物的种类和数量及膜孔径都会影响膜堵塞,而膜孔堵塞又是造成TMP改变的主要原因。因此,TMP是预测MBR系统膜污染的重要参数。TMP变化趋势一般分为两个阶段:运行前期TMP缓慢升高,随后TMP显著上升。图9所示的是不同PAC更新率的MBR在TMP达到40 kPa的两个周期内TMP随时间变化趋势,当PAC更新率为1.67%,TMP的运行周期延长25 d。

图9 TMP随运行时间的变化趋势

为了更好地反映4种MBR系统的污染情况,本试验引入膜污染速率K值,即为跨膜压力与通量及过滤时间的比值[33],两个阶段的K值列于表2中。4个反应器的K1均小于K2,说明MBR后期的污染速率高于早期阶段,这也与图9中TMP的变化趋势刚好吻合,并且PAC更新减小污染速率K值,这就说明了PAC更新减缓了TMP的增长,同时延长了膜组件的使用寿命。值得注意的是,由于活性污泥浓度会随着污泥龄(SRT)的增加而不断升高,MBR-A恰好有着较高的MLSS,而过高的污泥浓度容易造成膜表面滤饼层更快积累,使膜污染速率再次升高[34],与此处较高的污染速率刚好吻合,进一步说明了MBR-A相比其他反应器而言膜组件污染严重。而当PAC的更新率为1.67%,第一周期中MBR-C的K值最低,污染速率降低约45.5%。

表2 各个反应器两阶段的污染速率

3 结论

本文主要研究了不同PAC更新率下PAC-MBR的污泥过滤特性和微生物群落组成。PAC的更新率对CODCr、氨氮及TN的去除效率都没有显著差异,出水CODCr去除率基本维持在94%以上,氨氮去除率保持在98%以上,TN的去除率基本低于45%。SMP污染潜力随着PAC更新率的增加而降低,而多糖积累量却在增加;而EPS中多糖及蛋白质的累积量均随着PAC更新率的增大而不断增多。通过高通量测序分析PAC的更新率可以减少Betaproteobacteria的丰度,进而减缓膜初期污染。促进了Proteobacteria、Bacteroidetes和Nitrospira等的生长繁殖,强化了污染物去除。当PAC更新率达到1.67%时促进效果较为显著,优势菌群的繁殖进一步加大,同时降低污染速率,TMP的运行周期延长25 d,污染速率降低约45.5%。最佳PAC更新率能够有效改善污泥过滤特性并增强优势细菌结构,进而减缓膜污染。