不同預處理精度對膜生物反應器污泥性質和微生物種群的影響

彭爭梁，李漢沖，王煊博，王巧英，吳志超

(1.同濟大學環境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點試驗室，上海 200092；2.上海金山廊下污水處理有限公司，上海 201516；3.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)是一種膜分離技術與活性污泥法相結合的污水處理技術，已廣泛應用于工業水處理和市政污水處理領域，同時MBR技術也存在一些不足，主要表現在投資成本高、膜污染、膜組件阻塞等方面。其中，膜組件堵塞是MBR工程在運維過程中遇到的難題之一[1-2]。

阻塞現象大致可以分為兩類：一類是頭發絲等纖維類物質纏繞在膜組件上并與雜質結合形成緊密的纏繞物，另一類是大顆粒雜質與污泥形成泥餅沉積在膜表面，這都將導致膜污染加劇和膜組件板結[3]。研究指出[4]，市政污水中毛發及纖維類物質大多為粒徑大于100 μm的有機物，雖然占比很少，但這些物質卻是造成MBR膜組件阻塞的主要原因。

為了解決阻塞現象對MBR造成的不利影響，可以從以下幾方面入手：一是在阻塞現象發生后通過膜清洗去除纏繞物及膜表面的沉積物；二是通過過濾污泥混合液，將污泥中較大粒徑的雜質分離出來，減少膜組件阻塞的可能性；三是通過高精度預處理進水，防止雜質進入后續的生物處理工藝。其中，高精度預處理系統從源頭上分離雜質，是防止膜組件阻塞最為經濟有效的方法。因此，本文通過研究不同精度的預處理對MBR生物處理系統的影響，重點考察MBR污泥的性質及其微生物群落結構是否受到高精度污水雜質分離的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置和運行參數

1.1.1 上海某污水處理廠MBR中水回用工程

該MBR中水回用工程處理規模為400 m3/d，進水為污水處理廠沉砂池出水，沉砂池前設有格柵間隙為3 mm的格柵，主體工藝為平板膜MBR，MBR出水經消毒后作為廠區中水使用。該中水回用工程共設有5個MBR池，各池運行參數稍有不同，其1#MBR池主要工藝參數及運行參數如表1所示，該MBR反應池中設有上、中、下三層膜支架，每層支架中裝有110片尺寸為1 000 mm×500 mm×10 mm的平板膜。

如圖1所示，該中水回用工程在未經過雜質預處理的情況下，膜組件阻塞現象非常嚴重。

1.1.2 預處理精度為1 mm和0.1 mm的MBR現場試驗裝置

兩套MBR現場試驗裝置除了預處理精度不同之外，其他設計參數和運行參數均一致，總運行時長達300 d。兩套現場試驗裝置的預處理濾篩均采用滌綸濾網，孔徑分別為1 mm和0.1 mm(有效過濾面積為0.5 m2)，濾網及其攔截的雜質如圖2所示。為了避免在裝置運行過程中微網堵塞，采用較小的微網通量(3.6 m3·m-2·d-1)，同時濾篩采用曝氣沖刷(曝氣強度為5 m3·m-2·min-1)的方式維持網面清潔。為防止微網表面形成污染層造成分離精度的變化，試驗每24 h更換一次微網，換下的微網用毛刷刷洗后，用5‰濃度的次氯酸鈉溶液浸泡2 h，晾干后備用。

圖1 中水回用工程膜組件阻塞情況Fig.1 Membrane Clogging Phenomenon in Reclaimed Water Reuse System

圖2 孔徑1 mm(a)和0.1 mm(b)的濾網攔截的雜質Fig.2 Impurities Intercepted by 0.1 mm (a)and 1 mm (b) Screen

為了與MBR中水回用工程中的1#MBR池進行對比，進水同樣采用該污水處理廠沉砂池出水，且兩套現場試驗裝置的水力停留時間、膜通量、曝氣強度等參數與1#MBR池相同；同時，為了研究不同預處理精度對MBR出水水質和生物脫氮除磷過程的影響，兩套試驗裝置增設了厭氧段和缺氧段，其工藝流程及反應器示意圖如圖3所示。反應器內液位通過進水浮球閥控制；厭氧區(停留時間為1.7 h)和缺氧區(停留時間為3.6 h)均設有直桿攪拌機；缺氧區和好氧區設有污泥回流泵，回流比分別為100%和200%；通過自吸泵出水，出水量通過蝶閥和轉子流量計調節；利用曝氣機進行穿孔管曝氣，曝氣量通過氣體轉子流量計調節；跨膜壓力(TMP)通過水銀壓力計進行測量。主要設計參數如表1所示。

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

圖3 (a)工藝流程及(b)試驗裝置示意圖Fig.3 Diagram of (a) Process Flow and (b) Experiment Plant

1.2 試驗分析方法

1.2.1 物理化學指標法分析方法

試驗所涉及的測試項目及測試方法如表2所示。

1.2.2 CSS的測試方法

采用大顆粒懸浮物濃度(coarse suspended solids，CSS)來表征污泥混合液中的雜質濃度。CSS 100、CSS 500、CSS 1 000分別表示粒徑大于100、500 μm及1 000 μm雜質的濃度。其測試條件與方法如表3所示[5]。

1.2.3 污泥混合液過濾性能測試方法

本文采用膜生產廠家推薦的兩種方法測定污泥混合液的過濾性能。方法一：取50 mL污泥混合液，用孔徑2 μm濾膜(有效過濾區域為直徑10 cm圓形區域)在常壓下(1.03 MPa)重力過濾5 min，用濾液體積(mL)表示污泥混合液的過濾性能；方法二：取50 mL污泥混合液，用孔徑0.2 μm濾膜(有效過濾區域為直徑8 cm圓形區域)在-0.4 MPa壓力下過濾 5 min，用濾液體積(mL)表示污泥混合液的過濾性能。

1.2.4 微生物多樣性測試方法

本文采用高通量Miseq測序法進行微生物多樣性測試[6]。

表2 常規測試指標一覽表Tab.2 List of Routine Test Specification

表3 CSS測試指標一覽表Tab.3 List of CSS Test Specification

2 結果與討論

2.1 裝置運行中的雜質累積情況

2.1.1 CSS隨時間的變化

在裝置運行的194～238 d，每7 d對三個MBR系統的污泥混合液進行采樣，分別用孔徑100、500 μm及1 000 μm的濾篩進行過濾，測定其CSS 100、CSS 500及CSS 1 000值，結果如表4所示。

表4 CSS含量測試結果Tab.4 Test Results of CSS Contents

注：其中1#裝置的CSS 1000，2#裝置的CSS 500、CSS 1000，由于含量過低，測試中未檢出

CSS值的大小反映了污泥混合液中相應粒徑大小的顆粒物含量，即容易纏繞和阻塞膜組件的雜質。相關研究表明，污泥中這類顆粒物與膜阻塞現象有密切關系，運行過程中發生膜組件阻塞現象的MBR污水處理廠污泥的CSS值要明顯高于未發生膜阻塞現象的MBR污水廠污泥。由表4可知，對于本試驗中的三個MBR系統，CSS 500和CSS 1 000的值較小，而CSS 100值則可以看出明顯差別。發生膜組件阻塞現象的1#MBR池和1#裝置中CSS 100含量高達1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未發生膜組件阻塞現象的2#裝置中CSS含量僅有36±22 mg/L，如圖4所示。

圖4 各MBR系統的污泥混合液中CSS 100含量Fig.4 Content of CSS 100 in Each MBR System

2.2 污泥粒徑

在兩套現場試驗裝置運行238 d后，測定其污泥粒徑，其Dx10、Dx50、Dx90如表5所示。由表5可知，中水回用工程1#膜池中的污泥粒徑(Dx90=168 μm)要比1#裝置(Dx90=47.7 μm)及2#裝置(Dx90=37.1 μm)中的污泥粒徑大得多，而1#裝置與2#裝置中污泥粒徑的差異并不顯著。粒徑在0.1～10 μm，1#裝置(17.9 %)中污泥顆粒物的百分數要小于2#裝置(22.9%)，而對于孔徑為0.2～2 μm的膜來說，粒徑為0.1～10 μm的顆粒物最容易進入膜內部堵塞膜孔徑。

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

2.3 污泥過濾性能

污泥的過濾性在一定程度上能表征膜污染的趨勢，被作為MBR系統污泥性質的重要指標[7]，污泥過濾性能越好即代表單位時間內膜可以過濾的污泥混合液越多，相應地，當過濾量相同時過濾性能較好的污泥對膜造成的污染也較少。本試驗采用相關文獻中提到的兩種污泥過濾性能的測試方法測定三個MBR系統中污泥混合液的過濾性能，測定結果如表6所示。由表6可知，三種污泥的過濾性能有較大差異，2#裝置污泥的過濾性能最好，1#裝置污泥過濾性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的過濾性能最差，這可能是因為污泥粒徑較大的MBR污泥過濾性能較差，而粒徑較小的MBR污泥過濾性能較好。

表6 污泥過濾性能(n=8)Tab.6 Sludge Filtration Performance (n=8)

2.4 污泥毛細吸水時間(CST)

研究表明，CST與污泥濃度基本上呈線性相關。因此，可以用CST/SS比值來表示不同濃度污泥的脫水性能。此外，據相關文獻報道，CST與MBR的關鍵運行參數即膜的臨界通量呈負相關的關系[8-9]。

在裝置運行的194～238 d，測定了1#膜池、1#裝置、2#裝置中MBR污泥的毛細吸水時間和污泥黏度，如表7所示。由表7可知，1#膜池污泥CST較高，1#裝置污泥次之，2#裝置污泥最低，考慮三種污泥的污泥濃度不同所造成的影響，對比其CST/SS值，仍與CST值排序相同，這說明對城鎮污水進行高精度污水雜質分離有助于提高剩余污泥的脫水性能。

表7 污泥毛細吸水時間(n=8)Tab.7 Capillary Suction Time of Sludge (n=8)

2.5 三維熒光分析

1#膜池、1#裝置、2#裝置中MBR污泥的EPS和SMP的EEM圖譜如圖5所示。

由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可知，EPS的EEM圖譜中主要有一個熒光峰B，位于(Ex/Em)280/330 nm，該峰與類蛋白質物質有關，為色氨酸熒光。觀察不同預處理精度下EPS的EEM圖譜變化情況可知，三種MBR污泥峰B的熒光強度差別不大，峰B熒光強度的變化規律與預處理精度的相關性并不明顯。

圖5 污泥SMP及EPS的三維熒光圖Fig.5 3D Fluorescence of SMP and EPS of Sludge

由圖5可知：SMP的EEM圖譜中主要有3個熒光峰B、C和D，分別位于(Ex/Em)280/330、320/430 nm和250～450 nm；其中B峰與類蛋白質物質有關，為色氨酸熒光；C峰和D峰分別為類胡敏酸物質和類富里酸物質。觀察不同預處理精度下MBR污泥SMP的EEM圖譜變化情況可知：B峰的熒光強度均隨著預處理精度的提高而降低，其中中水回用工程中1#膜池污泥B峰的熒光強度要明顯高于兩套現場試驗裝置；1#裝置污泥的C峰熒光強度最強，2#裝置次之，1#膜池污泥最弱；1#裝置與2#裝置的D峰熒光強度沒有明顯差別，1#膜池污泥D峰熒光強度較弱。

上述結果表明，預處理精度的不同主要對MBR污泥中SMP的成分造成了一定影響，這也將會直接影響各個MBR系統的膜污染速率，而預處理精度對污泥中EPS成分的影響不大。

2.6 微生物分析

本文在反應器運行的第250 d，從中水回用工程1#MBR池(A1)、1#MBR裝置的好氧池(A2)，以及2#MBR裝置好氧池(A3) 中取活性污泥。樣品在運輸過程中采用干冰或液氮保存，至實驗室后在3 000 r/min條件下離心10 min，回收沉淀物，并在實驗室中存放于-80 ℃冰箱內，以待進一步分析。

本試驗中主要針對三種樣品A1～A3中原核細菌的微生物多樣性進行分析，主要分析污水中雜質經不同目數雜質分離器去除后，對后續生物處理過程中微生物種群結構產生的影響。本試驗采用的新一代測序方法(NGS)是通量高、拼接長度長的Miseq測序技術。3個樣品的微生物統計學信息如表8所示。

表8 A1～A3樣品微生物多樣性測試統計學參數與α多樣性指數Tab.8 α Diversity Index and Statistical Parameters of Microbial Diversity Test for A1～A3 Samples

圖6 A1～A3樣品在各細菌門的相對豐度Fig.6 Isotopic Abundance Ratio in Bacteriophyta of A1～A3

由表8可知，三個樣品測序的均一性較好，優化后有效序列數量為39 186～42 238條，因此可不進行樣品抽平而進行后續分析。經統計計算，三組樣品的平均測序序列長度為438.92 bp，與擴增區域的基因片段長度 (468 bp) 基本吻合。經去除沒有重復的單序列 (singletons) 后，A1～A3獲得25 206、27 952與26 287條可聚類序列 (reads)，經聚類后，在97%的相似度下各獲得766、898個以及897個OTUs(operational taxonomic units,OTUS)。α多樣性指數表明，經污水雜質分離器對進水處理后，反應器內微生物的豐度與多樣性均有所提升。其中，A1的Chao豐度指數為817，Shannon多樣性指數為5.48，而A2與A3的Chao豐度指數升至916與925，Shannon多樣性指數則升至5.69與5.81。三個樣品的測序覆蓋率均超過99%，說明測序結構非常具有代表性。

通過對三個樣品發育學信息對比，可進一步得知污水雜質分離器的使用對后續微生物種群結構產生的影響。三個樣品在不同細菌門水平上的相對豐度如圖6所示。Miseq高通量測序技術從三個樣品中共發現16個細菌門，其中變形菌門 (Proteobacteria) 與擬桿菌門 (Bacteroidetes) 是豐度最高的兩個細菌門，細分至這兩個門的微生物分別占到A1、A2與A3細菌總數的63.4%、55.2%與52.8%。相比于A1樣品，A2與A3樣品中Candidate_division_TM7與Candidate_division_OD1的相對豐度均顯著下降，而Proteobacteria的相對豐度也略有降低。相比之下，綠彎菌門 (Chloroflexi)，WCHB1-60、芽單胞菌門 (Gemmatimonadetes)、浮霉菌門 (Planctomycetes) 及硝化螺旋菌門 (Nitrospirae) 在A2與A3中的相對豐度得到了顯著提升。其中綠彎菌門等通過光合作用產能的細菌相對豐度的提升是由于中水回用工程1#MBR池在室內，而1#和2#試驗裝置則放置在室外。

將分類學繼續細分至細菌屬水平上可以得到更多的微生物多樣性信息。表9給出了在A1、A2與A3中至少兩個樣品中相對豐度高于0.5%的主要細菌屬的相對豐度。由表9可知，Candidate_division_TM7_norank與Saprospiraceae_uncultured是A1中主要的細菌屬，占到所有細菌的22.7%，而這兩個細菌屬在A2與A3中的相對豐度則顯著下降。而Ottowia、Chitinophagaceae_uncultured及Brevundimonas也呈現出相似的規律。相比之下，Caldilineaceae_uncultured、NS9_marine_group_norank、TK10_norank、WCHB1-60_norank、硝化螺旋菌屬 (Nitrospira)、Gemmatimonadaceae_uncultured等細菌屬在A2與A3中相對豐度得到了提升。例如，A1中Nitrospira的相對豐度為0.10%，而A2中Nitrospira的相對豐度為2.0%，A3中Nitrospira的相對豐度為2.4%。Nitrospira，是污水處理廠和實驗室反應器中主要的亞硝酸氧化菌，其在A2和A3中的富集說明污水雜質分離器的使用會對微生物種群結構產生影響，而部分對污水處理有重要作用的微生物可能在這一過程中得到了富集。

表9 A1～A3樣品中主要細菌屬的相對豐度Tab.9 Isotopic Abundance Ratio of Major Bacteria Count of A1～A3

3 結論

(1)本試驗中的三個MBR系統，CSS 500和CSS 1 000的值較小，而CSS 100值則可以看出明顯差別。發生膜組件阻塞現象的1#MBR池和1#裝置中CSS含量高達1 292±492 mg/L和153±30 mg/L，未發生膜組件阻塞現象的2#裝置中CSS含量僅有36±22 mg/L。

(2)三種污泥的過濾性能有較大差異，2#裝置污泥的過濾性能最好，1#裝置污泥過濾性能次之，中水回用工程中1#膜池污泥的過濾性能最差。從CST的測定結果可以看出對城鎮污水進行高精度污水雜質分離有利于提高剩余污泥的脫水性能。

(3)污泥混合液中的EPS和SMP三維熒光圖譜分析表明預處理精度的不同主要對MBR污泥中SMP的成分造成了一定影響，并影響各個MBR系統的膜污染速率，而預處理精度對污泥中EPS成分的影響不大。

(4)微生物多樣性分析結果表明，污水中雜質被去除的同時，污泥中的微生物種群結構也發生了變化，對污水處理有重要作用的微生物在這一過程中得到了富集。

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