胞外聚合物EPS对MBR膜污染的影响
第39卷 第2期2007年2月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGY
Vo l 39N o 2Feb.2007
胞外聚合物EPS 对MBR 膜污染的影响
李绍峰1,2
,崔崇威3
,黄君礼
3
(1.哈尔滨工业大学环保科技有限公司博士后工作站,哈尔滨150001;2.深圳职业技术学院建工系,广东深圳518055;
3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090)
摘 要:EPS 普遍存在于活性污泥絮体内部及表面,在细胞之间构成一种架桥作用,细胞通过这些胞外物质进行物质和能量的传递,具有重要的生理功能.M BR 膜通量下降主要来自污泥而非上清液中的胶体和溶解性有机物;EPS 浓度和组成影响污泥混合液疏水性、Ze ta 电位、黏度、粒径等物理、化学特性和菌胶团的生物活性,且与膜污染程度相关关系良好;通过操作条件的调整可以改变EPS 的组成和含量,在保证污泥系统正常运行的同时维持良好的膜通量.
关键词:胞外聚合物;膜生物反应器;膜污染;污泥特性中图分类号:X 172
文献标识码:A
文章编号:0367-6234(2007)02-0266-04
Effect of extracell ul ar pol y m eric substances on m e mbrane
fouli ng ofm e mbrane bi oreactor
LI Shao feng 1,2
,CU I Chong w e i 3
,HUANG Jun li
3
(1.R esearch station for Post doctoral F ell ows ,Env iron m enta l T echno logy Co .L td .,H arbi n Instit u te o f T echnology ,H arb i n 150001,Ch i na ;2.D epart m ent of A rch itect ure Eng i neeri ng ,Shenzhen Po l y techn i c Institute ,Shenzhen 518055,Chi na ;
3.H arb i n Instit ute o f T echnology ,School o fM un i c i pal and Env iron m enta l Eng i neer i ng ,H arb i n 150090,Ch i na)
Abst ract :EPS,d istri b uti n g w idespread a m ong i n -or ex ter nalm icrob ial floc takes on i m portant physi o log ica l ro le because it is i n dispensable in energy and substances transfer of cell i n activated sl u dge syste m.The per m eate flux declining ism a i n l y due to the characteristic of sludge but no t the co lloid and so lutes o f supernatan.t
The physica,l che m ical and physi o log ica l pr operty of sl u dge is a ffected by the co m ponents o f EPS .Further m ore ,the li n ear corre lati o ns bet w een the EPS co m ponents and m e m brane fou li n g degree is fairl y good .There f o re ,it is feasi b l e to change the co m ponents and concentrati o n o fEPS by adjusti n g the opera ti o n conditi o n tha t not on ly guarantees t h e activated sludge syste m operating i n gear but a lso m a i n tenances h i g h per m eate fl u x .K ey w ords :ex tracell u lar po ly m eric substances ;m e mbrane b i o reactor ;m e m brane fouli n g ;sludge property 收稿日期:2005-08-26.
基金项目:广东省自然科学基金资助项目(04K J D013);深圳市科
技局资助项目(03KJ D036).
作者简介:李绍峰(1972 ),男,博士,副教授;
黄君礼(1938 ),男,教授,博士生导师.
在膜过滤过程中,污泥混合液的特性对于膜污染有着重要的影响,胞外聚合物(EPS )是微生物在一定条件下产生的高分子物质,普遍存在于活性污泥絮体内部及表面,主要成分为多糖、蛋白质及DNA 等,其相对分子质量>10000Dalton .一般以2种形式存在,一种是紧密附着在细胞壁上
的胞囊聚合物(TB),另一种是以胶体或溶解状态松散存在于液相主体中的黏性聚合物(LB ).活性污泥的EPS 占污泥干重的比例最高可达15%,絮体中总的EPS 质量占活性污泥质量的80%左右.EPS 在细胞之间构成一种架桥作用,形成紧密的细胞菌落,细胞通过这些胞外物质进行物质和能量的传递,还可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞
的危害,具有重要的生理功能.
1 EPS 是膜通量下降的重要因素
近年来,许多研究认为EPS 是膜污染最重要
的生物因素.I n-Soung Chang等人认为EPS是膜阻力的主要贡献者[1-2].序批式试验结果表明正常活性污泥中泥饼层阻力R c占膜总阻力R t的54 8%,而污泥膨胀的条件下R c/R t为99%.SRT 增加,R t下降了71%,而R c/R t由77%下降至30%.EPS浓度与膜污染程度之间存在线性关系, EPS与R c回归的相关系数为0 9以上,可见EPS 是活性污泥中通量下降的主要原因.营养物质N 的缺乏,污泥产生较少的EPS,因而具有较高的膜通量;同时,两种SRT条件下,絮体颗粒的大小并没有明显的差别,也说明EPS是膜通量下降的主要原因.而且,在污泥的每一个生理状态,EPS含量越高,膜污染越严重.
M engchun Gao等以SMBR处理氨氮无机废水的研究中发现:由于原水为无机模拟废水,EPS 的增加主要来源于微生物的自溶.经过长时间的运行,微生物的形态越来越不清晰,细胞之间充满了黏稠的EPS,由于EPS的黏性和相对分子质量大难于通过膜的过滤而在反应器中积累[3].
M BR污泥浓度很高时,黏度和溶解性物质就成为膜通量下降的主要因素,而EPS可能就是造成混合液黏度增加的主要原因.T.U eda发现黏度的增加导致抽吸压力的急剧上升,最终可以导致M BR系统运行停止[4-5].EPS浓度高还会增大混合液黏度而不利于DO的扩散,使污泥系统充氧困难,从而影响菌胶团的正常生理活动,并使膜过滤压力极大地提高.T.S.K i m等人通过投加粉末活性炭对膜污染的影响进行了研究,发现M B R中单位VSS的溶解性EPS投加P AC后,从121~ 196m g/g减少到了90~127m g/g,膜通量也得到了增加[6].
Jung-Goo Choi等人研究发现,当发生污泥膨胀时,膜的污染更为严重,其原因是丝状菌比菌胶团细菌产生更多的EPS,并且丝状细菌如诺卡氏菌属(Nocard i a)比正常污泥含有较多的类脂类物质[7].不同种类的EPS对于膜污染的贡献程度也不同,T.M uka i等人发现EPS中蛋白质和糖类的比例不同,超滤的膜通量也不同,膜通量随着蛋白质比例的减少而增加[8].
2 EPS对污泥物理、化学和生物特
性的影响
微生物被EPS包埋在里面,EPS为固着的细胞创造了一个由其本质所决定的微生物环境,特别是直接覆盖于细菌细胞壁外的EPS,其特殊的位置决定着它的成分及数量必然影响着污泥的表面特性、生物絮凝、沉降性能及脱水性能等,在活性污泥中具有重要作用.
对于EPS影响沉降性能的机理研究,主要集中在EPS对污泥表面电荷的影响上.研究表明[9],EPS的存在不利于污泥沉降,EPS的主要成分蛋白质、糖类、DNA含量都与SV I成正比关系,沉降性能的恶化与高浓度EPS有关;Forster 等认为[10]当EPS含量过高,污泥表面负电荷足够大时,会由于絮体间斥力导致沉降性能恶化,污泥表面的Zeta电位直接与SV I相关,随Zeta电位增加SV I升高.M agara[11]发现随着EPS浓度增大,污泥电泳迁移率增大,沉降性能下降.但Chao认为SV I与污泥表面的Zeta电位关系不明显.
蔡春光等的研究认为EPS中蛋白质与总糖的比值与污泥的表面负电荷负相关,与污泥的疏水性成正相关[12].王红武等的试验表明LB含量与SV I有很好的相关性,不同运行方式和泥龄的污泥TB含量与SV I之间基本没有规律.其中多糖浓度与SV I有更好的相关性,与LB含量和SV I 的相关性几乎一致,而蛋白质浓度与SV I的相关性差.这一结果表明:决定LB性能的主要成分是多糖,多糖的亲水性比蛋白质强,其浓度增大导致LB中滞留水分增多,使絮体与水更难分离,沉降速度减慢,污泥沉降性能变差.其中LB中的多糖也是影响絮凝效果的主要因素[13].W ilen等认为LB含量的增加使污泥絮体界面粗糙度相对增加,同时,可能导致絮体Zeta电位增加,电泳迁移率增大,造成絮体与水分离的难度增大,因此,LB含量越高,污泥的沉降性能越差[14].王红武等人随后的研究也证明:随着SRT的延长,EPS中TB和LB两部分的质量比值(m TB/m LB)减少,小于10 m的微小絮体数量减少,Zeta电位值也减小. EPS的总量对污泥的沉降脱水性能影响很小,但其组成(LB、TB)有显著影响,m LB/m TB越大,污泥表面的Zeta电位值越大,小粒径的污泥颗粒则越多,污泥的沉降脱水性能变差.因此,通过改变运行条件,适当延长泥龄可减少m LB/m TB和Zeta 电位值,使小粒径絮体的数量减少,可改善污泥的沉降脱水性能[15].拟和接触角和EPS组分的关系发现,蛋白质/多糖的比例与接触角的相关关系(r=0 77)好于EPS的总量;EPS中蛋白质含量越高,污泥的疏水性越强(r=0 81).絮体表面电荷与接触角(r=0 75)和EPS中蛋白质/糖类(r=0 80)相关,蛋白质的电性影响污泥絮体的表面电荷,可能是由于正电荷和非极性氨基酸在蛋白质中占主导地位[1].
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第2期李绍峰,等:胞外聚合物EPS对M BR膜污染的影响
3 运行工况对EPS的含量和膜阻力
的影响
李久义等[16]的研究表明EPS的总量随滤池高度的升高而逐渐降低,在滤池底部较高的F/M 情况下,EPS最高,滤池的上部,低F/M条件下, EPS下降.原因主要为细胞得到的碳源下降,可以得到的食物较少,细胞内源代谢造成的细胞自溶作用较强,这会增加EPS的含量.周健等[17]对污泥负荷N s、溶解氧(DO)对活性污泥中胞外聚合物EPS的组成、含量及污泥沉降性能的影响进行研究,结果表明:负荷对EPS影响显著;而DO对EPS影响较小;EPS与污泥沉降性能SV I相关性高;随着负荷的降低,EPS含量增加,SV I增加.这一结果似乎与李久义等人的结论相矛盾,可见F/M对EPS产量的影响还需要更进一步的研究.
EPS对硝化细菌的活性也有影响.随着污泥浓度的增加,硝化细菌的活性下降.高浓度的胞外分泌物会抑制活性硝化菌的生长[18].M BR中SRT延长,污泥浓度升高,EPS浓度和组成的变化也很可能会降低菌胶团降解有机物的活性,但关于EPS与污泥活性的关系问题还未见相关报道.
EPS在细胞之间构成一种架桥作用,从而形成紧密的细胞菌落,通过这些胞外物质进行物质能量的传递.因此,采取适当的运行条件保证胞外聚合物的组成和数量,有利于维持菌胶团的正常生理活动,保证活性污泥系统运行状态.
EPS具有很高的膜污染倾向,不同成分的EPS对于不同的膜在不同的操作条件下污染膜的能力也不同.污泥停留时间直接影响剩余污泥的产量、组成、生物特性和浓度[2].C.H.X i n g等人发现较长的SRT使膜污染减轻[19].但是也有报道表明,高MLSS浓度会导致高的污泥黏度,从而加重膜污染[3].序批式过滤试验表明:随SRT由20d增大到40d和60d,上清液(溶解性有机物和胶体)对R f(泥饼层和膜污染)的贡献为37%, 28%和29%,SS的贡献分别为63%、72%和71%;说明随SRT的延长,上清液对膜污染的贡献减小,污泥带来的膜阻力有所上升,总的膜污染增大.同时,EPS含量(r=0 74)、蛋白质/多糖(r=0 85)、疏水性(r=0 86)和表面电荷(r= 0 87)与污泥引起的污染阻力正相关[1].也有研究表明随SRT延长,污泥浓度增加而营养物质相对贫乏,内源呼吸导致水中胶体物质增大而加大了膜的负担,因此,应对污泥停留时间进行控制.
H ideke H arada等人证明,过短的水力停留时间会导致溶解性有机物的积累,吸附在膜面上而影响膜通量[20].HRT和SRT并非是直接引起膜污染的因素,只是二者的变化会引起反应器中污泥特性的变化,从而导致膜污染状况的改变.
4 结 论
1)污泥特性对MBR膜通量有着显著的影响,EPS作为污泥絮体的重要组成成分,影响着污泥絮体的物理、化学和生物特性,最终可能影响膜通量和出水水质.
2)以往操作条件对EPS产生及其对絮凝和沉淀性能效果影响的研究多以SBR方式进行,采用MBR连续运行,操作条件如何影响EPS至今尚未见报道;而EPS对膜通量影响的研究采用序批式,难以正确反映泥饼阻力与膜污染阻力的相对贡献.
3)关于EPS浓度和成分如何影响污泥系统的特性、操作运行条件如SRT、F/M等如何影响EPS数量和组成还缺乏系统的研究,某些研究结果甚至是相互矛盾的.
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(编辑 刘彤)
简讯
第4届居住建筑能源与环境国际研讨会
在哈尔滨工业大学胜利召开
第4届居住建筑能源与环境国际研讨会(The 4t h I nternati o na lW o r kshop on Ener gy and Env i ronm ent o fResi d entia lBu ildings ,简称I W EERB 2007)于2007年1月15日至16日在哈尔滨工业大学成功召开.共有来自美国、日本、英国、法国、瑞士、保加利亚、韩国、匈牙利、中国香港、中国等10个国家和地区的120多位代表出席,其中国外代表35人,世界卫生组织驻中国办事处代表也出席了本次研讨会.会议开幕式由中国哈尔滨工业大学郭骏教授和日本东北大学H iroshi Yosh i no 教授主持,哈尔滨工业大学副校长孙和义教授出席了会议并致欢迎辞.市政环境工程学院副院长赵庆良教授介绍了我院近年来的发展情况并对会议代表的到来表示热烈欢迎.H iroshiY o sh i n o 教授、哈尔滨工业大学境外兼职博导美国普度大学陈清焰教授、清华大学江亿院士分别以"中国和日本居住建筑的能源现状"、"中国的可持续城市住宅建筑"、"中国建筑能耗调查"为题做了大会主题发言.本届会议共收到国内外高水平论文132篇.大会围绕"居住建筑节能与环境 可持续发展"会议主题,就可持续发展的居住环境与能源政策、居住建筑室内热环境与热舒适、室内空气品质、建筑仿真与实验研究、建筑节能设备技术与开发、建筑新材料、围护结构节能新技术和寒冷地区居住建筑环境与能源等方面进行了广泛而深入的交流.会议对建筑能耗、气候变化对建筑的影响和高科技并非都对建筑环境有益等方面进行了着重讨论.本次国际会议是哈尔滨工业大学供热、供燃气、通风及空调工程学科首次独立承办的国际系列会议,哈尔滨工业大学市政环境工程学院人工环境科学与工程研究所的全体师生作为组委会成员独立承担了会议组织、筹备和接待等工作.此次会议获得了圆满成功,得到了与会代表的一致好评.
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