曝氣強度對膜生物反應器中胞外聚合物組成及分布的影響

陳春梅，張君，李秀芬*，王新華，任月萍

（1.江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫214122；2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇無錫214122）

曝氣強度對膜生物反應器中胞外聚合物組成及分布的影響

陳春梅1，2，張君1，2，李秀芬*1，2，王新華1，2，任月萍1，2

（1.江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫214122；2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇無錫214122）

以膜生物反應器處理模擬生活廢水為研究體系，研究了曝氣強度對系統比耗氧速率、胞外聚合物含量及分布的影響。結果表明，隨著曝氣強度增大，比耗氧速率增加，反應器內上清液胞外聚合物含量下降，污泥胞外聚合物含量則變化不大，且胞外聚合物組成均以多糖為主。然而，膜污染層中溶解態胞外聚合物及總胞外聚合物含量隨曝氣強度升高而增加，其組成以蛋白質為主。膜污染速率與污泥混合液溶解態胞外聚合物中蛋白質與多糖的比值呈正相關。

曝氣強度；膜生物反應器；胞外聚合物

近年來，作為廢水物理與生物處理技術的優勢組合，以剩余污泥產量低和高效脫氮見長、以污水資源化（或回用）和無害化為最終目標的膜生物反應器（Membrane Bioreactor，MBR）技術已在污水處理領域得到廣泛的應用。據統計，我國投入運行或在建的MBR系統已超過500套，其中萬噸級MBR系統近20套［1］。然而，國內外實踐表明，膜污染始終是制約MBR穩定運行的主要障礙［2］。

研究表明［3］，膜污染主要是由胞外聚合物（Extracellular polymeric substance，EPS）引起的。早在1988年，Flemming就提出了膜生物污染的4階段學說。該學說認為，膜的生物污染分為4個階段。第一階段：多糖、蛋白質、腐殖質與其它微生物的代謝產物等大分子有機物在膜表面的吸附，形成一層具備微生物生存條件的生物膜。第二階段：體系中粘附速度快的細胞完成初期粘附過程，且死亡與活細菌在這一階段的粘附行為是相同的。第三階段：由于后續大量不同菌種的粘附，特別是胞外聚合物的形成，加劇了微生物的群聚和繁殖。第四階段：在膜表面形成了一層生物膜，造成膜的不可逆阻塞/污染，使產水阻力增加。顯然，EPS在膜表面、膜孔內以及膜中空纖維/膜片間的累積（即生物污染）將直接影響MBR的效率和經濟性。

EPS是一定環境條件下活性污泥中的微生物主要是細菌分泌的用于自我保護和相互粘附的細胞代謝產物或細胞自溶物，主要成分為蛋白質、多糖、腐殖質和核酸等［4-5］。通常，MBR中曝氣強度越大，膜面水力剪切力越大，膜面污染物越難以附著沉積，亦可促使膜表面已沉積污染物脫附，可大大緩解膜污染。因此，超強曝氣是MBR工程中普遍采用的膜污染防治措施之一。而微生物抵御外界環境條件（包括水力剪切力或曝氣強度）變化的方式之一是分泌釋放更多的EPS。Starkey和Kar［6］的研究結果即表明，當系統處于限氧和氧被耗盡的情況下（即曝氣量較低），EPS的形成受到抑制。曝氣強度與EPS密切相關。研究曝氣強度對MBR中EPS組成及分布的影響，可為膜污染防治提供有益參考。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗裝置如圖1所示，為一體式MBR反應器。

膜組件為天津膜天膜工程技術有限公司生產的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）中空纖維微濾膜，膜面積為2 m2，膜孔徑為0.2 μm，纖維內徑為0.65 mm，外徑為1.0 mm。反應器主體為矩形有機玻璃容器，總容積達100 L，有效容積為80 L。

圖1　MBR實驗裝置Fig.1　Schematic of MBR

實驗用水為人工配制模擬廢水，主要由葡萄糖、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀、乙酸鈉、蛋白胨、酵母膏及少量微量元素組成，COD在330～400 mg/L之間，NH3-N質量濃度為30 mg/L，pH值為7.0±0.2。模擬廢水組成如表1所示。

表1　模擬廢水的組成Table 1　Components of synthetic wastewater

1.2實驗條件

接種污泥取自無錫市蘆村污水處理廠的剩余污泥，初始接種污泥質量濃度為3 g/L，其MLVSS/ MLSS比值為0.41。采用恒通量操作模式，膜通量控制在6 L/（m2·h）左右（除特殊說明外，所指通量均為瞬時通量），反應器進出水為自動控制。實驗期間，污泥停留時間為20 d，室溫運行。

在曝氣強度（相對于膜面積）分別為800、600 L/（m2·h）和400 L/（m2·h）條件下啟動MBR反應器，運行穩定后，不同曝氣強度的COD去除率均高于94%，系統出水COD均低于36 mg/L［7］，此時，取出膜組件，小心刮去膜面沉積物，并取一定體積的污泥混合液，分別測定比耗氧速率、上清液EPS組成及含量、污泥EPS組成及含量和膜面沉積物中EPS組成及含量，研究曝氣強度對EPS組成及分布的影響。1.3分析測試項目及方法

取一定體積的污泥混合液，8 000 r/min離心10 min，所得上清液用于測定反應器上清液中EPS的含量［8］。分別將上述沉淀物和膜面沉積物再懸浮于質量分數0.9%的NaCl溶液中，80℃水浴熱提取30 min，然后12 000 r/min離心15 min，上清液分別用于測定污泥和膜面沉積物中EPS的含量。EPS中蛋白質和多糖分別采用考馬斯亮藍G250染色法和苯酚-硫酸法測定［9］。

污泥比耗氧速率（Specific oxygen utilization rate，SOUR）采用標準方法測定［10］。

2　結果與討論

2.1污泥比耗氧速率

由于含碳有機物、氨氮等物質的去除都是耗氧過程，因此，SOUR（單位時間內單位質量的活性污泥所消耗的氧量）的大小可用來表征有機污染物去除過程中好氧微生物的活性，它從微生物呼吸角度反映了基質代謝情況［11］。不同曝氣強度下污泥SOUR的變化情況如圖2所示。可見，隨曝氣強度增加，污泥比耗氧速率呈上升趨勢，從400 L/（m2·h）時的18.35 mg/（g·h）升高到800 L/（m2·h）時的24.96 mg/（g·h），表明隨著曝氣強度增加，微生物活動加劇。

圖2　污泥比耗氧速率的變化Fig.2　Variations in sludge SOUR

2.2反應器上清液中EPS組成及含量

圖3為不同曝氣強度條件下反應器上清液中EPS的組成及含量的變化情況。隨著曝氣強度升高，反應器上清液中的蛋白質、多糖及EPS總量大體呈下降趨勢，當曝氣強度為800 L/（m2·h）時，蛋白質、多糖及EPS質量分數分別為0.06、0.43 mg/g和0.49 mg/g。上清液中EPS含量取決于微生物產生EPS與降解消耗EPS的動態平衡。生物處理系統中，微生物生長代謝及細胞自溶（或內源呼吸）均產生EPS，而EPS特別是胞外蛋白質和多糖又是可以生物降解的，當曝氣強度升高時，體系溶解氧濃度增大，微生物活動加劇（圖2），體系累積的EPS作為基質被降解利用。

圖3　上清液中EPS組成及質量分數的變化Fig.3　Variations in EPS components and their contents in supernatant

EPS是影響活性污泥相對疏水性的根由［12］。研究表明，EPS的疏水部分主要由蛋白質組成，帶有疏水部位的氨基酸對微生物絮體的疏水性影響很大。而多糖中含有羧基等親水性基團，使污泥表面具有較高的親水性，蛋白質與多糖的質量比值能準確地表現污泥的疏水性［13］。反應器上清液中的EPS以多糖為主，運行穩定后，曝氣強度為400、600和800 L/（m2·h）時的蛋白質與多糖的質量比值分別為0.35、0.24和0.16。此外，在每個曝氣強度運行周期內，上清液EPS含量都呈先增加后降低的趨勢，可能是由于體系環境條件發生變化時，微生物分泌較多EPS作為應答，隨著運行時間延長，微生物逐漸適應環境變化，累積的EPS逐漸被降解。吳金玲［14］等關于膜污染造成的膜過濾阻力與溶解態EPS濃度的相關關系研究中發現，隨著曝氣強度增加，膜污染速率降低，這與上清液中EPS含量的變化趨勢一致。曝氣強度增加可以緩解膜污染，但緩解機理并不僅僅局限于較大的曝氣強度產生較強的膜面剪切力，還與體系上清液中EPS的組成及含量密切相關。

2.3污泥EPS組成及含量

如圖4所示，MBR反應器中曝氣強度對污泥中總EPS組成及含量的影響不大，且均以多糖為主，當曝氣強度為400、600 L/（m2·h）和800 L/（m2·h）時，多糖、蛋白質及總EPS含量幾乎沒有變化。結合圖3可知，當曝氣強度發生變化時，微生物作為應答分泌的EPS主要為溶解態EPS，對污泥EPS的組成及含量影響不大，這一特性使得微生物對外界環境的變化具有較好的抵抗能力。李紹峰［15］等人研究了EPS與MBR中污泥活性的關系，結果表明，EPS含量增加，污泥活性隨之增強，同時大量研究確認，EPS的增加會導致更嚴重的膜污染。這一結果說明，引起膜污染的主要是體系上清液中的溶解態EPS。

圖4　污泥EPS組成及其質量分數的變化Fig.4　Variations in EPS components and its contents in sludge

2.4膜面污染層EPS組成及含量

膜面污染層EPS的組成及含量與MBR污泥混合液中的EPS密切相關。圖5和圖6分別給出了膜面污染層中溶解態EPS和總EPS的組成及含量。隨著曝氣強度增加，膜污染層沉積物中的溶解態EPS和總EPS含量均增大，與污泥混合液相比，溶解態EPS在總EPS中的質量比例大幅增加，由0.1左右增到0.6，可能是因為溶解態EPS更容易與膜面接觸。此外，膜面污染物以蛋白質為主，膜面污染層溶解態EPS中蛋白質與多糖的質量比值在1.1～2.0之間，總EPS中蛋白質與多糖的質量比值在1.0～1.8之間，可能是蛋白質在膜上的選擇性吸附所致。

圖5　膜面污染層溶解態EPS組成及其質量分數的變化Fig.5　Variations in soluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

圖6　膜面污染層不溶性EPS組成及其質量分數的變化Fig.6　Variations in insoluble EPS components and their contents in membrane fouling layer

表明，與混合液中污泥EPS變化趨勢相似，蛋白質與多糖質量比值均隨曝氣強度增加而減小。

2.5MBR中的EPS分布

為了更好地比較和理解不同曝氣強度時EPS在反應器上清液、污泥及膜污染層中的組成及含量，了解其分布特征，解析其在膜污染中的作用，將上述有關EPS的結果列于表2。可見：

1）與污泥混合液相比，膜面污染層中溶解態EPS所占質量比例降低；

2）污泥混合液中溶解態與結合態EPS均以多糖為主，而膜面污染層中溶解態與結合態EPS均以蛋白質為主；

3）膜污染速率與污泥混合液溶解態EPS中蛋白質與多糖的質量比值呈現出良好的正相關性。

導致上述結果的主要原因可能是：相比于結合態EPS，溶解態EPS與膜表面接觸的機會較多，更容易于膜表面吸附沉積，而膜面污染層中溶解態與結合態EPS均以蛋白質為主，即蛋白質成為了膜面濾餅層的主要組成部分，膜面污泥中蛋白質的增加一方面可能是由沉積在膜表面的污泥中微生物得不到足夠的營養基質，通過內源呼吸所致；另一方面，部分大分子蛋白質本身就可以直接作為膜污染物堵塞膜孔，或者吸附并沉積在膜表面，因此溶解態EPS中蛋白質與多糖的質量比值與膜污染速率呈現出良好的相關性，而與EPS總量相關性不大。

此外，污泥混合液溶解態EPS中蛋白質與多糖的質量比值影響著膜污染速率。采用適當曝氣強度，保證微生物營養供給充足，微生物分泌的EPS較少，同時，微生物生長迅速，活性增加，使EPS的代謝速率增大，有助于減輕膜污染。見表3。

表2　不同曝氣強度時MBR中EPS的分布Table 2　EPS distribution in MBR under different aeration intensity

表3　不同曝氣強度下的膜污染速率Table 3　Rateofmembranefoulingunderdifferent aeration intensity

3　結語

1）隨著曝氣強度升高，比耗氧速率呈增大趨勢，微生物表現出較好活性。

2）隨著曝氣強度升高，上清液EPS總量總體呈下降趨勢，污泥總EPS含量變化不大。上清液中EPS以多糖為主，運行結束時，EPS及多糖質量分數分別為0.49 mg/g和0.43 mg/g。污泥中的EPS同樣以多糖為主，曝氣強度為800 L/（m2·h）時，污泥總EPS及多糖質量分數分別為27.58 mg/g和22.07 mg/g。

3）隨著曝氣強度升高，膜污染層中溶解態及總EPS含量均升高，其組成均以蛋白質為主。蛋白質與多糖的質量比值隨著曝氣強度升高而減小。

4）與污泥混合液相比，膜面污染層中溶解態EPS所占質量比例大幅度增加，污泥混合液中溶解態與結合態EPS均以多糖為主，而膜面污染層中溶解態與結合態EPS均以蛋白質為主。膜污染速率與污泥混合液溶解態EPS中蛋白質與多糖的質量比值呈現出良好的正相關性。

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Effect of Aeration Intensity on the Components of Extracellular Polymeric Substances and Their Distribution in Membrane Bioreactor System

CHEN Chunmei1，2，ZHANG Jun1，2，LI Xiufen*1，2，WANG Xinhua1，2，REN Yueping1，2
（1.School of Environmental and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology，Wuxi 214122，China）

In this study，the effect of aeration intensity on specific oxygen utilization rate（SOUR），the content of extracellular polymeric substances（EPS）and their distribution during synthetic wastewater treating was investigated in membrane bioreactor（MBR）system.The results showed that SOUR was increased and the EPS content in the MBR supernatant dropped by increasing the aeration intensity，but it didn't change much in sludge.The EPS both in supernatant and sludge were dominated by polysaccharides.However，the EPS content in membrane fouling layer increased along with the aeration intensity and was mainly consisted of proteins.The membrane-fouling rate was in proportion to the proteins/polysaccharides ratio in soluble EPS of the mixed liquid.

aeration intensity，membrane bioreactor，extracellular polymeric substances

X 703

A

1673—1689（2015）09—0920—06

2014-09-08

國家863計劃重點項目（2012AA063407）；國家自然科學基金項目（50678073）；江蘇省“六大人才高峰”資助項目（2011-JNHB-004）。

李秀芬（1968—），女，河北唐山人，工學博士，教授，博士研究生導師，主要從事環境生物技術及生物化工研究。E-mail：xfli@jiangnan.edu.cn