丝状菌对膜生物反应器中溶解性有机物及膜污染的影响

1、净水技术2011,30(7:3539,69Water Purification Technology 丝状菌对膜生物反应器中溶解性有机物及膜污染的影响童飞1,顾萍,娄卫红1,朱学峰2,王志伟2(1.上海城投污水处理有限公司曲阳污水处理厂,上海 200083;2.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092摘要该文以处理超市废水实际MBR工程为基础,通过对污泥膨胀过程中进出水、溶解性微生物产物(SMP和胞外聚合物 (EPS中的溶解性有机物(DOM特性的研究,发现SMP和进出水的DOM主要以蛋白质为主。且SMP较EPS含有更多大分子 物质;同时发现SMP比EPS和进出水中含有更多50100kDa

2、、100500kDa和>500kDa吸收紫外光的大分子物质;此外通过 对比SMP和膜污染的红外图谱。发现两者具有相似性,且两者中的主要有机物均为糖类、蛋白质和脂肪族类物质。以上结果表 明在污泥膨胀过程中,与EPS相比较,SMP对膜污染具有更加重要的影响。关键词 膜牛物反应器(MBR 丝状菌 溶解性有机物 膜污染中图分类号:TU992.2文献标识码:A 文章编号:1009-0177(201104-0035-06Influence of Filamentous Microbes on Dissolved Organic Matters and Membrane Fouling in Memb

3、rane Bioreactor(MBRTong Feil,Gu Pin91,Lou Weihon91,Zhu Xuefenga,Wang ZhiweP口.Q例Wastewater Treatment鼬硎g梳Chengtou Wastewater Treatment Co.,Ltd.,Sb,ghoZ 200083,China; 2.School ofEnvironmental Science and Engineering,ron百i University,Shanghai 200092.ChinaAbstract On the basis of a full一scale submerged m

4、embrane bioreaetor(MBRfor wastewater treatment from supermarket,the diS-solved organic matters(DOMin the influent,in soluble microbial products(SMP,and in extraeellular polymeric subslanees(EPS were investigated during sludge bulking process.It is found that DOM of the influent.the effluent and SMP

5、are mainly comprised of the protein-like substances;moreover,it is also found that SMP has organic matters of higher molecular weight(M聊absorbing UV light compared with EPS.and the fraction of the organic matter whose MW comprises 50100kDa,100-500kDaand>500kDa in SMP is more山an those in EPS.the i

6、nfluent and the effluent.Comparison of the infrared spectra of SMP and membrane fouling,it iS clear tllat the infrared spectra of SMP and membrane are simik,moreover,beth SMP and membrane fouling are mainly consisted of polysaccharides,proteins and aliphatie substances.Asmentioned above,it is distin

7、ct that SMP has more important influence on mem brahe fouling compared with EPS,when sludge bulking happens in the MBR.Key wordsmembrane bioreaetor(MBR filamentous microbes dissolved organic matters membrane fouling膜生物反应器(MBR作为一种新型、高效水处 理技术,由于其具有占地面积小、低污泥产率、出水 水质好等优势,被越来越多地运用于中水回用和再 生水循环,但膜污染等难题依旧未能

8、解决。近年 来,有学者研究得出MBR中污泥膨胀对膜污染具 有重要影响陋协。Mengv一认为膨胀污泥较普通污泥 有更高的胞外聚合物浓度,同时更加容易吸附到膜 表面产生膜污染。王勇121等研究发现丝状菌对膜污 染物具有支撑和捆绑的作用,使膜污染更加稳固。【收稿日期】201l加l一21f作者简介】童飞(1969一,大学学历。工程师,从事污水处理和污泥处 置1:作。【通讯作者】朱学峰,目gii舌E-mail:228750366163一como 通过以上结论可得出,丝状菌对膜污染具有不可忽 略的影响,然而以上研究都集中在对膜污染的性质 和组成成分上,忽略了对系统内DOM特性的

9、研究。 有专家指出DOM是不可逆膜污染物质的主要组成 成分,对长期运行的MBR具有重要影响【13l。本文以 处理超市废水实际工程为基础。利用三维荧光 (EEM、分子量(GPC分析手段对丝状菌膨胀时期 反应器内DOM进行系统研究,同时利用傅里叶红 外(门一lR对SMP和膜污染物进行红外分析,以获 取丝状菌对DOM的特性与膜污染的影响,为丝状 菌过程中膜污染控制措施的开发和工程优化提供 借鉴。1材料与方法一35万方数据童飞,顾萍,娄卫红,等.丝状菌对膜生物反应器中溶解性有机物及膜污染的影响 V01.30,No.4,2011 1.1试验装置图1混凝/气浮一MBR流程图Fig 1Flow Diagra

10、m of Coagulation/Air Flotation-MBR处理超市废水工程流程包括格栅、调节池、两 组混凝/气浮一MBR等【141。本试验主要对其中2#混 凝/气浮一MBR中MBR的运行状况进行研究。由于 经过2年的运行和期间的管路改造,进水量为18 24mVd,MBR现在的水力停留时间(HRT为7.8。9 h、污泥停留时间(SRT为3050d、抽停比为10:2、 气水比为20:1左右,通量为710L/m2h。所用平 板膜为上海子征环境技术咨询有限公司自产,孔径 为0.2Ixm,材质为PVDF,单片膜面积为0.73m2。在 本试验44d中未对反应器进行排泥,本试验开始前 平板膜已通过

11、0.5%NaCl0溶液在线清洗。反应器 温度维持在28左右。1.2MBR进、出水水质MBR进水水质如表1所示。裹1MBR进水出水水质Tab.1Water Quality of the Influent and Effluent注:MBR进水即气浮出水,两者相同1.3分析测试方法1.3.1普通测试方法MISS、MLVSS采用重量法(GB 1190187; COD采用重铬酸钾法(GB 11914-89;溶解氧一36一 (DO由溶解氧仪测定(美国YSI;EPS采用热 提取法USl;SMP采用离心过滤法t61;溶解性COD (SCOD采用0.45¨m滤纸过滤污泥混合液后测 量【-71;SVI

12、=SV30/MLSS,其中高污泥浓度的Sv是稀 释至3。4g/L后测量。在MBR达到50kPa左右,将 污染的膜组件取出反应器,将膜表面的污染物小心 刮下,并用蒸馏水冲洗,同时搅拌均匀,然后定容到 l 000mL容量瓶中待用。1.3.2仪器分析三维荧光光谱采用F一4500型荧光光度计(HI TACHI,日本测定,仪器光源为150W氙灯、光电 倍增管电压为400V、激发和发射狭缝宽度均为10 nm、扫描间隔均为5nm。EEM数据采用SigmaPlot 11.0软件进行处理,以等高线图表征,每条等高线 间隔代表5个单位荧光强度;分子量(MW分布采 用凝胶色谱仪(LC一10ATVP,SHIMADZU

13、,日本测 定,采用TSK G4000SW凝胶色谱柱(TOSOH,日本 和紫外检测器,以聚乙二醇为标准物质;在进行傅 里叶红外测定之前,所测物品在60下烘干24h, 红外采用Nicolet 5700型红外分析仪(鸭e珊o E1ec tron Corporation。美国测定。2结果分析与讨论2.1污泥的微观形态、沉降性能与粘度的变化 图2是污泥SVI值和粘度随时间变化图。从图2可看出,SVI和粘度随着时间的增加而增 加。在运行40多d之后,SVI和粘度分别由80mL/s 和1.8mPas增加到大约280mL/g和4.7mPas。万方数据净水技术WmR PURIFICAnON TECHNOLOGY

14、 V01.30,No.4,2011 August 25th,2011时间/d图2污泥的SVI值与粘度随时间的变化Fig.2Change of SVI and Viscosity of Sludge with Time图3是污泥的显微镜照片。从图3可看出,丝状菌在污泥絮体中大量繁殖。有研究表明丝状菌的繁殖会使SVI值和粘度大量增加啕。由此可知SVI和粘度的增加主要是由于丝状菌大量繁殖所致。叭60倍J圈3污泥絮体中丝状菌生存状态Fig.3Existing States of Filaments-Microbes in Active Sludge2.2混合液中DOM荧光物质分析图4是迸水、SMP和出

15、水的三维荧光图谱。 进水,f吖飞.划慧水图4进水、SMP和出水三维荧光图谱Fig.4EEM Spectra of the lnfluent,SMP and the Effluent三维荧光(EEMt81具有快捷和灵敏度高的特 点,被广泛的用于DOM的测定09-201。本文对进水、 SMP、出水进行了三维荧光分析。从图中可知,它们 一37万方数据童飞.顾萍,娄卫红,等.丝状菌对膜生物反应器中溶解性有机物及膜污染的影响 V01.30,No.4,2011具有较相似的荧光特性,即有2个明显的荧光峰一 Peak A(Ex/Em:230。235/335。350和Peak B(Ex/ Em:280/3203

16、25o根据文献报道19,2q,Peak A代表 芳香类蛋白质,而Peak B代表色氨酸类蛋白质。因 此进水、SMP和出水中含有大量的蛋白质物质。为 了更加细致的分析光谱信息,表2列出了各图谱的 峰值强度和峰位置。从表2可知,进水、SMP和出水 中的峰值的强度发生了变化,且SMP中的Peak A 和B的峰值都要强于进水中对应的峰值强度,说明 MBR对蛋白质物质具有一定的截留作用。而进水、 SMP和出水中Peal【A和B的位置都发生了一定的 位移,说明三者中的DOM的性质发生了变化。由此 可知,在丝状菌大量繁殖的时期,蛋白质是SMP的 主要荧光类物质,而有研究表明蛋白质类物质对膜 污染具有重要影响

17、固。表2进出、SMP和出水的荧光谱图参数Tab.2EEM Spectral Parameters of the Influent,SMP and the Effiuent图5为EPS的荧光光谱图图5EPs的荧光光谱图Fig.5EEM Spectra of EPS与图4比较,图5中未发现Peak A,出现Peak B(Ex/Em:290/350和Peak C(Ex/Em:350/445。 从相关文献中发现,Peak C是关于腐植酸类物质。一38一 SMP和EPS的荧光特性具有显著的区别。为了更深 入了解两者的荧光特性区别,利用荧光区域积分分 析方法(FRIt-啊荧光数据进行再处理得到图6。由 图

18、6可知,Region I、Region II和Region IV三者之 和在SMP中的所占比重显然较在EPS比重大,而 Region I和Region II是蛋白质类物质属于大分子 物厨柳,Region IV是SMP也代表大分子类物质【嘲。 SMP的组分中含有更多的大分子类物质,而大分子 类物质对膜污染具有重要影响圆。由此可知,在丝状 菌膨胀时期,SMP较EPS有更多大分子物质是影响 膜污染的重要因素。1.0O.8邃0.6UL妞w-z 0.4O.2O.O。一SMP熙EPS圈6SMP和EPS的荧光区域积分分布图F嘻6Fluorescence rtcConal Integrationof SMP

19、and EPS 2.3混合液中DOM凝胶渗透色谱(GPC 分析图7是进水、SMP、出水和EPS的分子量分布 图。髓嚼681012141618202224时间/niln图7进水、SMP、出水和EPS的分子量分布Fig.7GPC Chromatograms of the lnfluent,SMR the Effluent and EPS 在分子量图谱中,分子量越大的物质在图谱中 出现的时间越早【冽。由于GPC采用紫外检定器,故 所测有机物的分子量只是对紫外光有吸收的那部 嘲嘞嘲嘞嘲 三三一 554O4硝郴¨o“2l55万方数据净水技术WATER PURIFICATION TECHNOLO

20、GYV01.30,No.4,2011August 25th,2011分有机物的分子量。从图7可知,进水图谱中第16rain出现的峰在SMP和出水中都消失了,说明MBR 对进水中的有机物进行了降解。同时,与出进水相比,SMP和EPs在第10min之前出现峰,说明SMP和EPS含有较大分子有机物。为了更好的分析各水 样中不同分子量分布情况,图8列出了各水样的分 子量组分分布。从图8中可看出,SMP中所含50100kDa、100500kDa和>500kDa吸收紫外光的大分子有机物明显要多于EPS和进出水。而有研究表 明大分子有机物对膜污染具有严重的影响渊。综上, SMP含有大量大分子有机物是丝

21、状菌膨胀时期膜 污染较严重的重要因素。<10kDa 10-50kDa 50100kDa loo一500kDa >500kDa进水SMP出水EPS图8进水、SMP、出水和EPS的分子量组分分布Fig.8Distribution ofMW in the Intluent,SMP,the Effluent and EPS2.4SMP以及膜污染物的红外分析图9是SMP和膜污染物的红外图谱。赵 呆 督6100020003OOO4000,000波长/cm-I图9SMP和膜污染物的红外图谱Fig.9Infrared Spectra of SMP and Membrane Foulings由图9可

22、知,SMP和膜污染物图谱具有相似 性。根据文献25并对图中谱峰的位置进行分析得 出,1124cm-表示糖类物质的C一0基团,l 405cm一-代表羧酸酯类物质中的C一0基团的伸缩振动闭,l 545和1654cmI表示蛋白质类物质中的氨基基团271,2854和2910cm一分别代表脂肪酸类物质的CH基团的对称伸缩振动和脂肪族类物质的 CH基团的伸缩振动I捌,而3320cm一1表示物质中含有羟基基团1291。由上述可知,在丝状菌膨胀时期膜污染物与SMP的红外图谱具有相似性,且两者中的 有机物物质都以糖类、蛋白质和脂肪族类物质为 主。此结论与Pan等人的研究结果相近,丝状菌大 量繁殖产生了大量的SM

23、P,而SMP是导致严重膜污染的主要原因。3结论(1MBR污泥的SVI和粘度随着时间的增加而增加。在运行40多d后,SVI和粘度分别由80mL/g和1.8mPas增加到大约280mL/g和 4.7mPas。而微生物镜像发现丝状菌大量繁殖。由此可得出SVI和粘度的增加主要是由于丝状菌大量 繁殖所致。(2通过对进出水、SMP和EPS的DOM进行EEM分析,得出SMP和进出水的DOM主要以蛋白质物质为主;同时通过FRl分析比较了SMP和 EPS,在丝状菌膨胀时期,SMP较EPS有更多大分子 类物质。(3通过对进出水、SMP和EPS的DOM进行GPC分析,发现SMP所含50100kDa,100500kD

24、a和>500kPa可吸收紫外光的大分子物质比重明显要高于EPS和进出水,而SMP含有大量大分子物 质是丝状菌膨胀时期膜污染较严重的重要因素。(4通过对SMP和膜污染的红外分析,发现在 丝状菌膨胀时期膜污染物与SMP的红外图谱具有 相似性,且两者中有机物都以糖类、蛋白质和脂肪族类物质为主。参考文献陈学民,唐玉霖,伏小勇.中空纤维膜生物反应器膜污染影响因素【J】.净水技术,2011,30(1:3338,66.Judd S.Thestatusof membrane bioreactortechnologyJ.TrendsinBioteehnology,2008。26(2:109-116.1fi

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