MBBR-MBR组合工艺处理生活污水效能及膜污染研究

构建了移动床生物膜反应器(MBBR)-膜生物反应器(MBR)组合工艺处理生活污水,考察了其对污染物的去除效果和膜污染情况。结果表明,MBBR-MBR对NH₄⁺-N和COD的去除率均能达到97%以上。MBR中跨膜压随运行时间延长呈先慢速增加后快速增加的特点,活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)和微生物代谢产物(SMP)是膜污染的重要物质,普通的化学清洗并不能使MBR膜组件恢复到新膜的水平,膜污染呈不可逆性。EPS的表观分子量分布较广泛,而SMP的表观分子量呈单峰特征,主要以小分子量物质为主。

关键词：移动床生物膜反应器(MBBR);膜生物反应器(MBR);生活污水;胞外聚合物;微生物代谢产物

移动床生物膜反应器(MBBR)工艺是一种新型高效的污水处理方法,依靠曝气和水流的提升作用使填料处于流化状态,进而逐渐形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜,使移动床生物膜充分利用整个反应器空间,发挥附着相和悬浮相生物的优越性,使之扬长避短,相互补充。与以往填料不同的是,悬浮填料因能与污水多次接触而被称为“移动的生物膜”。MBBR工艺综合了传统流化床以及生物接触氧化法的优点,其适应性很强、运行稳定可靠,并且水头损失小、不堵塞、无需反冲洗,有着良好的抗冲击负荷的能力[1]。近年来,国内外学者针对MBBR工艺处理生活污水、工业废水、高氨氮有机废水、垃圾渗滤液等方面做了大量试验研究,均取得了良好的结果[2,3,4]。其规格可大可小,从几t∕d的污水处理装置到几万、几十万t∕d的污水处理厂;其方法灵活多变,可以和多种工艺进行自由组合,满足不同水质、水量场合,具有广泛的应用前景。

膜生物反应器(MBR)是一种由膜分离单元和生物处理单元相结合的新型水处理技术,该技术以膜组件替代二沉池,可以进行高效的固液分离;由于曝气池中活性污泥浓度的增大和污泥中特效菌(特别是优势菌群)的出现,使其生化反应速率大大提高;同时,有机负荷率(F∕M)的降低减少了剩余污泥产生量,甚至无剩余污泥,从而解决了传统活性污泥法存在的出水水质不稳定、污泥容易膨胀等问题。国内外对MBR工艺已有很多研究:欧阳雄文等[5]肯定了MBR工艺的脱氮除磷效果;Rosenberger等[6]验证了MBR工艺处理市政污水有很好的效果。目前,MBR工艺已在美国、德国、法国和埃及等10多个国家得到广泛应用[7,8]。

MBBR-MBR组合工艺是将二者有机结合起来,形成一体化的移动床膜生物反应器,该组合工艺与单独的MBBR和MBR工艺相比进一步减少了剩余污泥的产生量,提高了脱氮效果,减少了膜污染,抗冲击负荷能力得到进一步的提高[9]。现有报道[10]主要研究了生物填料在反应器中剧烈运动时碰撞膜表面滤饼层进而造成的膜污染情况。笔者主要对各反应器中生物质如胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物产物(SMP)进行研究,着重阐述了反应器存在形式和表观分子量分级,以期为MBBR-MBR组合工艺膜污染理论研究提供参考,并为污水处理工艺的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。整套装置由MBBR和MBR串联而成,总有效容积为7 L。从图1可以看出,2个反应器均为圆柱形容器,底部均设有排泥阀,在MBR与MBBR之间设有污泥回流管道。MBBR中所用填料为直径15.0 mm的聚乙烯材料,填充比为30%。MBR中膜组件所用膜为中空纤维膜,膜孔径为0.4 μm,总有效过滤面积为0.02 m2。MBR和MBBR均设置了沙球曝气器,给混合液充氧,使反应器中混合液溶解氧(DO)浓度保持在6.0~7.0 mg∕L,曝气过程中还可以产生水力剪切力和搅动混合液,进而减缓膜的污染。曝气量由玻璃转子流量计调节,使其保持在1.0 L∕min。通过每天排放剩余污泥控制污泥龄(SRT)为80 d,水力停留时间(HRT)为17 h。反应器接种污泥取自北京某污水处理厂。

在膜吸压力初次达到35 kPa时,进行1次反冲洗;待膜吸压力再次升至50 kPa,接近蠕动泵的阈值时对膜进行化学清洗,即结束反应器运行,取出膜组件冲洗去掉滤饼层,再采用1%的NaClO溶液将其浸泡过夜,第2天再以清水冲洗。

1.2 试验配水

MBBR-MBR组合工艺通过蠕动泵进水,进水为人工合成生活污水,其具体组分如表1所示。

1.3 常规指标测定方法

选取NH₄⁺-N浓度和COD作为监测指标,以反映MBBR-MBR组合工艺的脱氮和对有机物的去除效果。试验中常规监测项目及其分析方法如表2所示。

1.4 EPS提取及检测

以蛋白质、多糖、DNA、总有机碳(TOC)浓度来表征活性污泥微生物胞外聚合物(EPS)的浓度。采用阳离子交换树脂(CER)法将活性污泥中的EPS从微生物细胞中分离出来[11]。首先将CER以70 g∕g[12]加入到80 mL活性污泥中,以130 r∕min振荡2 h,然后将混合液以12 000 r∕min离心15 min以去除MLSS,测定上清液各指标即为EPS和微生物代谢产物(SMP)浓度总和。同时取80 mL不加CER的活性污泥进行振荡离心,测定上清液各指标即为SMP浓度。EPS浓度可由差减法求得。

以牛血清蛋白为标样,用蛋白质快速测定试剂盒(Sigma-Aldrich,美国)测定样品中蛋白质的浓度;以葡萄糖做标准曲线,用蒽酮法测定样品中多糖的浓度[13];DNA浓度由紫外分光光度计测定260 nm处的光密度(OD260)计算得出;总有机碳(TOC)浓度由日本岛津TOC分析仪测定。

1.5 EPS和SMP表观分子量分级

采用超滤膜法进行EPS和SMP分子量分级的测定。选用美国Millipore公司的YM系列超滤膜,其对应的截留分子量分别为1、10、100 kDa。氮气加压超滤器(8200型,美国Amicon公司),其有效容积为200 mL,有效过滤面积为28.7 cm2,最大耐压为517.2 kPa,内设磁力搅拌装置。膜过滤采用平行法,即将待测样品先用0.45 μm玻璃纤维膜过滤,出水分别通过分子量由大到小的超滤膜,测定滤出液蛋白质、多糖、DNA和TOC的浓度,其对应的分子量分布区间用差减法求得。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

MBBR-MBR组合工艺的基本参数如表3所示。从表3可以看出,NH4+-N和COD的平均去除率分别为99.2%和97.2%,表明该组合工艺对NH4+-N和COD均有较好的去除效果。一方面,由于微生物附着生长在填料表面形成生物膜,曝气使其处于流化状态,保证了良好的传质条件,从而实现了对污染物的高效去除;另一方面,MBR膜组件的完全截留作用使MBR的污泥停留时间与水力停留时间完全分离,同时保持了反应器内很高的污泥浓度,使大量硝化菌在反应器内积累,从而有利于NH4+-N的去除。Shore等[4]验证了MBBR对NH4+-N有很高的去除率,可达90%。Wang等[14]采用缺氧∕好氧MBR处理食品废水,NH4+-N进水浓度高达400~660 mg∕L时,去除率超过91%。王勇等[15]对MBR运行过程中活性污泥沉降性能对膜污染的影响进行了研究,结果表明,随着污泥容积指数(SVI)的增大,膜污染平均速率呈增加趋势,膜过滤周期逐渐缩短,因此在实际MBR系统运行过程中,应尽可能控制和维持SVI在较低的范围,以延长膜污染周期,减少运行费用。本试验中SVI平均值低于200,总体膜污染情况处于良好状态。

2.2 膜污染情况

MBR反应器跨膜压随运行时间变化见图2。从图2可以看出,随反应器运行时间增加,跨膜压增大速率先慢后快。膜表面的泥饼层处于一种动态平衡状态,成为过滤的主要阻力[16]。运行40 d时,MBR内跨膜压达到35 kPa,首次对膜进行反冲洗,反冲洗后跨膜压有所降低;运行54 d时跨膜压达到45 kPa,对膜组件进行化学清洗,清洗后跨膜压降至1 kPa;随着运行时间的增加,很快又出现膜污染现象,且污染速度较反应器使用新膜的初始阶段更快,不到30 d跨膜压便达到35 kPa,表明普通的化学清洗并不能使MBR膜组件恢复至新膜水平,这可能是由于一些小粒径物质吸附在膜表面堵塞了膜孔所致。Wisniewski等[17]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溶解性物质对膜污染的影响,得出溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力。Meng等[18]报道了SMP除了容易在膜面沉积外,还会引起膜孔滤饼层内后生孔道的堵塞,使膜阻力大幅升高。在整个试验过程中,膜组件清洗的周期随着运行时间的增加逐渐缩短,说明有些膜污染是不可逆的。

2.3 EPS和SMP各组分浓度

表征EPS和SMP的各组分浓度如表4所示。从表4可以看出,在MBBR和MBR反应器中,以TOC表征的EPS浓度最高,以TOC表征的SMP浓度较低。DNA是EPS的重要组分,在MBBR和MBR中浓度分别为6.70和7.10 mg∕g。多糖是SMP重要组分,且MBR中多糖浓度明显高于MBBR,但蛋白质和DNA浓度相差不大。

膜污染是影响MBR长期稳定运行的关键因素,国内外学者针对膜污染的主要影响因素进行了大量研究。在膜污染产生过程中,虽然一些小分子物质会堵塞膜孔,但滤饼层的形成是影响膜污染的主要因素之一,在膜组件运行过程中活性污泥微生物絮体会很快在膜表面沉积形成滤饼层,从而造成膜通量的下降。微生物代谢产物EPS和SMP对膜污染有重要影响,活性污泥性质分析是当前的研究热点。Drews等[19,20]认为EPS是膜阻力主要贡献者,EPS浓度与活性污泥中滤饼层阻力的回归相关系数大于0.9,且在活性污泥的每一个生理状态,EPS浓度越高,膜污染越严重。不同种类的EPS对膜污染的贡献程度不同,Mukai等[21]发现,超滤的膜通量与EPS中蛋白质和多糖的比例有关,膜通量随着蛋白质比例的减少而增加。张洪杰等[22]通过模拟膜污染的过程,并采用扫描电镜观察新膜及污染膜表面,发现SMP对膜污染有重要影响,在滤饼层形成的过程中,SMP会不断地填充微生物絮体之间的空隙,从而使滤饼层变得更加紧密,因此滤饼层的紧密程度与SMP的浓度有很大关系,从而影响膜污染的速度。

2.4 EPS和SMP表观分子量分布

通过逐级超滤法对EPS中各组分进行了表观分子量分级试验,结果如图3所示。由图3可以看出,蛋白质以分子量大于100 kDa的大分子量物质为主,在2个反应器中的浓度均在0.2 mg∕g以上,占40%~47%;分子量小于1 kDa的物质次之,为0.14~0.17 mg∕g;分子量为1~100 kDa的物质浓度最低,约为0.1 mg∕g,仅占20%左右。MBBR中小分子量物质浓度大于MBR,其余分子量的物质浓度相差不大。多糖各分子量的物质浓度相差不大,小于1 kDa的小分子量物质和10~100 kDa物质的浓度接近,为0.5 mg∕g左右,占22%~34%。但在MBBR中小分子量物质的浓度明显高于MBR。DNA的分子量分布规律和蛋白质相反,小分子量物质浓度明显高于其他分子量,在2个反应器中均超过2.5 mg∕g,且相差不大,占50%左右;而大分子量物质浓度和中间分子量物质浓度均呈现MBBR中高于MBR。TOC的分子量分布规律和蛋白质基本相同,但其大分子量物质浓度更高,在MBBR中达到了3.0 mg∕g,约占51%,在MBR中也达到了2.4 mg∕g,约占48%;中间分子量物质浓度次之,约为1.5 mg∕g;小分子量物质浓度约为1.0 mg∕g,占20%左右。

SMP中各组分分子量分布如图4所示。从图4可以看出,蛋白质的分子量分布以小分子量物质为主,其浓度远高于其他分子量物质,在2个反应器中均超过1.3 mg∕g,约占80%,且MBBR中浓度大于MBR;其他分子量物质浓度均较低,不足0.2 mg∕g。多糖的分子量分布规律与蛋白质基本相同,也是以小分子量物质为主,占50%以上;中间分子量物质浓度与大分子量物质浓度较接近,均在0.3 mg∕g左右。DNA的分子量分布也以小分子量物质为主,浓度约为0.5 mg∕g,占55%以上;其次是中间分子量物质,中间分子量物质中又以1~10 kDa分子量物质为主,占30%左右;大分子量物质浓度较低,在MBBR中为0.05 mg∕g,在MBR中浓度更低,仅占6%。TOC的分子量分布与DNA相似,不同分子量的物质浓度由高到低依次为小分子量物质(占50%以上)、中间分子量物质、大分子量物质(占20%以下),且MBBR中的大分子量物质浓度低于MBR,中间分子量物质浓度高于MBR。

总体来说,MBBR-MBR组合工艺中,MBBR与MBR中EPS和SMP的表观分子量分布规律差别不大。2个反应器中EPS表观分子量分布均较广,SMP的表观分子量分布主要集中于小于1 kDa的物质,呈单峰特征。MBBR内分子量小于1 kDa的物质浓度高于MBR。有研究认为小分子量物质会堵塞膜表面孔隙,并可沉积在表面形成黏液层,从而引起膜污染[23]。董滨等[24]对不同泥龄下MBR中SMP的膜污染行为进行研究发现,SMP中的碳水化合物较蛋白质更易在MBR中积累,污泥龄短时尤为显著,SMP组分对膜污染的影响为碳水化合物>蛋白质,小分子量组分>大分子量组分。

3 结论

(1)MBBR-MBR组合工艺对人工合成生活污水的处理效果良好,NH4+-N和COD的去除率都很高,是一种稳定、高效的污水处理工艺。

(2)MBR跨膜压随反应器运行逐渐增大,增加速度先慢后快,由于小粒径物质堵塞了膜孔径,普通的化学清洗并不能使MBR膜组件恢复到新膜的水平。

(3)MBBR和MBR反应器中,DNA是EPS的主要组分,而多糖是SMP的主要组分,EPS与SMP是膜污染的重要物质。

(4)EPS的表观分子量分布范围较广,SMP的表观分子量分布呈单峰特征,主要以小分子量物质为主。