倪偉鳳

（上海市青浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,上海 201700）

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

環(huán)境工程

運行工況對膜生物反應器內(nèi)污泥特性的影響

倪偉鳳

（上海市青浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,上海 201700）

探討了膜生物反應器的運行工況對MBR內(nèi)胞外聚合物（EPS）及污泥特性的影響，試驗結(jié)果表明：污泥負荷Ns增加，污泥EPS降低，Zeta電位值降低，沉降性能變好，活性增加；曝氣量增加，污泥EPS降低，Zeta電位值降低，沉降性能變好，活性先增加后降低；pH值由酸性變?yōu)閴A性，污泥EPS增加，Zeta電位值增加，沉降性能先變好后變差，污泥活性先增加后降低。適宜的運行工況可改善MBR的微環(huán)境、維持系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

一體式膜生物反應器；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

活性污泥絮體是由不同種類的細菌、真菌、藻類、原后生動物以及一些懸浮的非生物物質(zhì)組成的微生物實體。發(fā)育良好的活性污泥絮體，是活性污泥處理系統(tǒng)保持正常凈化功能的關鍵。胞外聚合物EPS普遍存在于活性污泥絮體內(nèi)部及表面，在細胞之間構成一種架橋作用，細胞通過這些胞外物質(zhì)進行物質(zhì)和能量的傳遞。EPS被認為是活性污泥絮體里除微生物細胞和水之外的第3種成份，其組成和濃度影響著污泥的表面特性（Zeta電位）[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組成非常復雜，主要成分是糖類和蛋白質(zhì)，二者的TOC占整個EPS的70%～80%[7]，其它成分還有核酸、脂類、腐殖酸、糖醛酸或氨基糖等。不同條件下EPS總量及各成分的比例不一樣，溶解氧（DO）、pH值和污泥負荷（Ns）等影響著EPS的組成。

膜生物反應器（MBR）是由膜分離技術和傳統(tǒng)的活性污泥法相結(jié)合的新型水處理技術，其可實現(xiàn)反應器水力停留時間和污泥齡的完全分離，從而提高有機物的去除效率。MBR對污染物質(zhì)的去除是生物反應器和膜分離作用的結(jié)果，然而起主要作用的還是生物反應器的降解作用，膜分離起強化作用。反應器運行工況的改變可以改變生物反應器內(nèi)的污泥特性，改善MBR的微環(huán)境、提高MBR的污染物去除效果，因此，有必要對運行工況的改變對污泥特性的影響進行研究。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

自行研制一體式膜生物反應器（MBR）裝置結(jié)構見圖1。反應器容積為40L（有效容積30L），尺寸為長×寬×高＝50×20×40（cm）。缺氧區(qū)尺寸為10×10×40（cm），在二面距池底 5cm處分別開5cm×2cm孔一個，設攪拌裝置，運行過程中不曝氣；好氧區(qū)運行過程中采用砂頭進行連續(xù)曝氣，反應器采用連續(xù)進水，間歇出水的方式運行。進水泵、出水泵和空氣泵與自動控制箱連接，可通過調(diào)節(jié)運行時間來實行周期的控制。膜組件采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維超濾膜組件。

圖1 MBR裝置Fig.1 Diagram of the MBR

1.2 原水水質(zhì)

實驗用水為模擬生活廢水，以葡萄糖為C源，NH4Cl為N源（蛋白胨為輔助N源），KH2PO4為P源，營養(yǎng)比控制在 m（BOD5）∶m（N）∶m（P）=100∶5∶1，同時為保證微生物生長、繁殖需要，加入適當微量元素MgSO4·7H2O等作為補充。實驗配水成分及原水水質(zhì)見表1。

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

1.3 試驗內(nèi)容及試驗方法

進行了運行工況（污泥負荷、曝氣量、pH值）改變對MBR內(nèi)胞外聚合物（EPS）的影響研究，考察了運行工況對污泥特性（Zeta電位、污泥沉降性SVI、污泥活性SOUR）的影響。探討了運行工況改變對反應器內(nèi)污泥特性的影響，為改善MBR的微環(huán)境、維持系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行提供理論基礎。

實驗分析項目及方法見表2。采用國家標準分析方法測定[8]。

表2 實驗分析項目及方法Tab.2 The items and methods for experiments

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥負荷對EPS及污泥特性的影響

反應器可由3個參數(shù)來控制污泥負荷變化，即進水濃度、進水量、污泥濃度。進水濃度通過配水改變，污泥濃度可通過排泥控制，進水量可通過改變反應器水力停留時間HRT控制。本實驗主要通過改變HRT來改變進水量從而改變反應器污泥負荷，控制HRT分別為10、6、4、2h。反應器其它參數(shù)見表3。

表3 反應器其它運行參數(shù)Tab.3 Other running parameter in MBR

2.1.1 實驗結(jié)果 污泥負荷對EPS成分及含量、污泥特性的影響結(jié)果見圖2～5。

圖2 負荷對EPS成分及含量的影響Fig.2 Effect of Ns on componentand contentof EPS

2.1.2 結(jié)果分析

（1）不同污泥負荷下，污泥EPS變化 圖2反映出不同污泥負荷條件下污泥EPS的變化。當污泥負荷由0.1kg CODCr/kgMLSS·d 增加至 0.6kgCODCr/kgMLSS·d時，EPS中多糖含量及EPS總量均呈下降趨勢，蛋白質(zhì)含量也有輕微下降，但變化幅度不大，其中EPS總量從20.13mg/gVSS降至6.35mg/gVSS。污泥負荷對EPS影響高度顯著，且隨著負荷增加，EPS含量降低。這是因為在高負荷條件下，營養(yǎng)物質(zhì)基本能夠滿足微生物生長需要，使得細菌分泌的EPS各組份含量相對穩(wěn)定；而在低負荷條件下，細菌與絲狀菌在低基質(zhì)的條件下進行競爭，導致了一些細菌死亡解體，另外營養(yǎng)不足降低了微生物的同化作用，使得絮體中死亡微生物增加，而絮體中死亡細菌的增加以及細胞自溶導致了EPS中多糖、蛋白質(zhì)含量的增加。

（2）不同污泥負荷下，污泥Zeta電位變化

圖3反映出不同污泥負荷條件下污泥Zeta電位的變化。

圖3 負荷對污泥Zeta電位的影響Fig.3 Effect of Ns on Zeta potential

由圖3可見，當污泥負荷增加時，污泥Zeta電位值由20.4mV降至10.28mV。污泥絮體中表面電荷的數(shù)量取決于污泥絮體的表面特性及其表面所含的離子化基團的數(shù)量。研究表明EPS總量及其中多糖含量與Zeta電位值之間有良好的正相關關系[10]。當系統(tǒng)污泥負荷較低時，污泥中EPS總量及多糖含量較高，EPS中帶負電的功能基團（如-OH、-COOH等）濃度較大，EPS表面負電荷較多，導致Zeta電位值較大。

（3）不同污泥負荷下，EPS對污泥沉降性能的影響分析

不同污泥負荷下EPS及其各組份含量對污泥沉降性能的影響見圖4。

圖4 EPS與污泥沉降性能的關系Fig.4 Connection between EPSand sludge sedimentation performance

隨著反應器內(nèi)污泥負荷的增加，污泥EPS及其中多糖、蛋白質(zhì)含量有著不同程度的降低，污泥SVI值隨之減小，污泥沉降性能逐漸變好?？梢钥闯鯡PS總量從 20.13mg/gVSS降至 6.35mg/gVSS，SVI從140.97mL·g-1降至 63.19mL·g-1。污泥 EPS總量和多糖含量對污泥SVI值影響較大。EPS及其中多糖、蛋白質(zhì)含量是影響污泥沉降性能的主要因素，許多研究結(jié)果也得出了一致結(jié)論[11]。這是因為EPS為親水型物質(zhì)，EPS含量高可導致污泥絮體內(nèi)間隙水增多，絮體體積增大，絮體表面粗糙度增大，使得污泥與水分離的難度加大，沉降性能變差。

（4）不同污泥負荷下，污泥活性變化

圖5反映出不同污泥負荷條件下污泥活性的變化。

圖5 負荷對污泥活性的影響Fig.5 Effectof Ns on sludge activity

當污泥負荷增加時，污泥活性值SOUR呈增加趨勢，由 110.3mgDO/gVSS·h 增至169mgDO/gVSS·h。污泥負荷低時，微生物所需用的碳源不充足，具有較慢的生長速率和較高的內(nèi)源代謝水平，大量的細胞發(fā)生自溶；污泥負荷高時，微生物有充足碳源可以利用，可以進行較強新陳代謝，自溶現(xiàn)象減少，污泥活性較高。

2.2 曝氣量對EPS及污泥特性的影響

為了考察曝氣量對EPS及污泥特性的影響，反應器維持在下面的運行狀態(tài)下，控制曝氣量分別為0.4、0.48、0.56、0.64、0.72m3·h-1。反應器其它參數(shù)見表4。

表4 反應器其它運行參數(shù)Tab.4 Other running parameter in MBR

2.2.1 實驗結(jié)果

曝氣量對EPS成分及含量、污泥特性的影響結(jié)果見圖6～9。

2.2.2 結(jié)果分析

（1）不同曝氣量下，污泥EPS變化

圖6反映出不同曝氣量下污泥EPS各組份的變化。

圖6 曝氣量對EPS成分及含量的影響Fig.6 Effectof aeration on componentand contentof EPS

當曝氣量由 0.4m3·h-1增加至 0.72m3·h-1時，EPS中多糖含量及EPS總量均呈下降趨勢，蛋白質(zhì)含量也有輕微下降，但變化幅度不大，其中EPS總量從15.09mg/gVSS降至9.56mg/gVSS。關于曝氣量對EPS及其各組份含量的影響，國內(nèi)周健等[12]的研究得出，隨著DO增加，EPS含量降低。分析認為一方面是較高的曝氣量使得微生物能夠進行正常的代謝活動，污泥顆粒解體釋放的EPS逐漸降低；另一方面隨曝氣量的升高，微生物的代謝活動加劇，底物消耗加快，污泥產(chǎn)生的部分EPS被微生物作為底物利用。這也可從優(yōu)勢菌種的角度來解釋，高曝氣量下，微生物生長效率較高，使得細菌分泌的EPS各組份含量相對穩(wěn)定；而在低曝氣量下，絲狀菌開始大量生長，并逐漸成為優(yōu)勢菌種，細菌與絲狀菌在低曝氣量的條件下進行競爭，導致了一些細菌死亡解體，絮體中死亡細菌的增加以及細胞自溶導致了EPS中多糖、蛋白質(zhì)含量的增加。

（2）不同曝氣量下，污泥Zeta電位變化

圖7為不同曝氣量下污泥Zeta電位的變化。

圖7 曝氣量對污泥Zeta電位的影響Fig.7 Effectof aeration on Zeta potential

當曝氣量由 0.4m3·h-1增加至 0.72m3·h-1時，污泥Zeta電位值由18.3mV降至11.63mV。當系統(tǒng)曝氣量增加時，污泥中EPS總量及多糖含量降低，EPS中帶負電的功能基團（如-OH、-COOH等）濃度降低，從而使EPS表面負電荷減少，因此導致Zeta電位值降低。

（3）不同曝氣量下，Zeta電位對污泥沉降性能的影響分析

不同曝氣量下Zeta電位對污泥沉降性能的影響見圖8。

圖8 Zeta電位與污泥沉降性能的關系Fig.8 Connection between Zeta potential and sludge sedimentation performance

隨著反應器內(nèi)曝氣量的增加，Zeta電位值降低，污泥SVI值隨之減小，污泥沉降性能逐漸變好?？梢钥闯鯶eta電位值由18.3mV降至11.63mV，SVI從117.47mL·g-1降至 76.09mL·g-1。Zeta 電位值較大表明污泥絮體表面離子化多聚物較多，污泥與水分子之間的極性作用增強，即親水性增強，導致污泥絮體內(nèi)結(jié)合水增多，使得污泥與水分離的難度增大，從而使污泥的沉降性能變差。這也可從電層理論來解釋。根據(jù)DLVO理論，表面負電荷Zeta電位增加，絮體間的排斥力增加，這將導致污泥絮凝、沉降性能惡化，SVI升高。

（4）不同曝氣量下，污泥活性變化

圖9為不同曝氣量下污泥活性的變化。

圖9 曝氣量對污泥活性的影響Fig.9 Effectof aeration on sludge activity

當曝氣量增加時，污泥活性值SOUR呈先增加后輕微降低趨勢，曝氣量由0.4m3·h-1增加至0.56m3·h-1時，SOUR 由 100.3mgDO/gVSS·h 增至140mgDO/gVSS·h，曝氣量由 0.56m3·h-1增加至0.72m3·h-1時 ，SOUR 由 140mgDO/gVSS·h 降 至128.6mgDO/gVSS·h。低曝氣量影響污泥絮粒內(nèi)部細菌的代謝速率，使菌膠團生長不良，污泥活性較低；而過高的曝氣量增加了污泥混合液的湍流程度，造成微生物的絮體破碎，導致污泥活性有降低趨勢，同時過高的曝氣量還會對膜通量造成一定的影響，而且增加能耗，因此，實際工程中，維持適當?shù)钠貧饬渴鞘种匾摹?/p>

2.3 pH值對EPS及污泥特性的影響

為了考察pH值對EPS及污泥特性的影響，反應器維持在下面的運行狀態(tài)下，調(diào)節(jié)pH值分別為5、7、9。反應器其它參數(shù)見表5。

表5 反應器其它運行參數(shù)Tab.5 Other running parameter in MBR

2.3.1 實驗結(jié)果

pH值對EPS及污泥特性的影響結(jié)果見表6。

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

（1）不同pH值下，污泥EPS變化

由表6可知，當pH值由5增加至9時，EPS中多糖、蛋白質(zhì)含量及EPS總量均呈增加趨勢，其中EPS總量從6.28mg/gVSS增至16.4mg/gVSS。關于pH值對EPS及其各組份含量的影響，鄭蕾等[12]通過pH值對污泥EPS分子結(jié)構的研究中也得出，隨著pH由酸性變?yōu)閴A性，EPS中多糖、蛋白質(zhì)含量及EPS總量增加。推測原因為不同的pH值，造成了溶液的酸堿度不同，pH值能通過改變酸堿度來改變EPS。堿性越強，EPS中酸性基團易分裂，帶負電荷的EPS間相斥，使EPS在污泥周圍的水中溶解度增大，細胞外多糖、蛋白質(zhì)含量上升。因此，EPS合成的最佳pH一般為中性到偏堿性。

（2）不同pH下，污泥Zeta電位變化

由表6可知，當pH由5增加至9時，污泥Zeta電位值由9.39mV增加至17.8mV。污泥絮體中表面電荷的數(shù)量取決于污泥絮體的表面特性及其表面所含的離子化基團的數(shù)量。研究表明EPS總量及其中多糖含量與Zeta電位值之間有良好的正相關關系。pH值極大地影響著EPS的組分，多糖和蛋白質(zhì)濃度隨著pH值的升高而上升，導致EPS中帶負電的功能基團（如-OH、-COOH等）濃度的增加，從而使EPS表面負電荷增多，Zeta電位值增加。

（3）不同pH值下，污泥沉降性能的變化

由表6可知，當pH值由5增加至9時，污泥SVI呈現(xiàn)先減小后增加趨勢。pH值為5時，污泥SVI值達153.49mL·g-1，沉降性能較差，當pH值為7時污泥沉降性能較好，SVI值降至89.1mL·g-1，而當pH值為9時污泥沉降性能變差，SVI值增至122.47mL·g-1。pH值低于6.5的酸性環(huán)境不利于細菌和原生動物的生長，而有利于霉菌及酵母菌的生長。由于霉菌及酵母菌不象細菌那樣分泌粘性物質(zhì)于細胞外，這樣使活性污泥的凝聚性能較差，其結(jié)構松散不易沉降。pH值為7時污泥沉降性能較好，絮體密實。pH值為9時，污泥中一些微生物不能適應堿性環(huán)境，細菌死亡或自溶從而破壞菌膠團，污泥的絮體很松散，沉降性能變差。

（4）不同pH下，污泥活性變化

由表6可知，當pH值由5增加至9時，污泥活性值SOUR呈先增加后降低趨勢。pH值為5時，污泥活性較低，SOUR僅為37.8mgDO/gVSS·h，在pH值為7時污泥活性較高，達到130.6mgDO/gVSS·h，而當pH值增加到9時，污泥活性降低，降為75.5mgDO/gVSS·h。混合液中的pH值不僅影響有機底物中有機化合物的離子化作用，引起細胞膜電荷的變化，從而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，而且影響活性污泥微生物胞外酶及存在于細胞質(zhì)和細胞壁內(nèi)酶的催化作用，影響微生物的分布和活性[13]。污水生物處理中微生物生存適宜的的pH值范圍為6.5～8.0，過高或過低的pH值會抑制微生物的活性，實驗結(jié)果表明酸性條件對微生物的抑制作用強于堿性。

3 結(jié)論

（1）污泥負荷增加，污泥EPS降低，Zeta電位值降低，沉降性能變好，活性增加。

（2）曝氣量增加，污泥EPS降低，Zeta電位值降低，沉降性能變好，活性先增加后降低，維持適當?shù)钠貧饬渴鞘种匾摹?/p>

（3）pH值由酸性變?yōu)閴A性，污泥EPS增加，Zeta電位值增加，沉降性能先變好后變差，污泥活性先增加后降低，過高或過低的pH值會抑制微生物的活性。

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Impact of operation condition on sludge characteristics

NIWei-feng

A

1002-1124（2011）03-0042-06

2011-01-11

倪偉鳳（1973-），女，工程師，華東師范大學畢業(yè),現(xiàn)從事環(huán)境管理工作。