膜生物反應器(membrane bioreactor, MBR)是一種由膜技術(shù)代替傳統活性污泥處理法中的沉降環(huán)節從而完成固液分離的新型高效廢水處理工藝。同時(shí)具有出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量低、運行維護簡(jiǎn)單和占地面積小等不同于傳統處理系統的特性。高效降解分離的特點(diǎn)使得MBR 在得到越來(lái)越多研究者青睞的同時(shí)MBR 系統普遍存在的能耗高、膜易堵塞且使用壽命短等缺點(diǎn)卻極大的影響并制約了其在實(shí)際廢水處理中的進(jìn)一步推廣和應用。追本溯源,進(jìn)水中的污染成分及其與膜接觸時(shí)發(fā)生了一系列物化作用,隨系統的運行,膜滲透通量逐漸下降且過(guò)膜壓力提高,膜污染由此形成。
在諸多影響膜污染的因素中,由微生物細胞和微生物代謝產(chǎn)物構成的污泥混合液的性質(zhì)對膜污染的形成有很大關(guān)系 。諸多研究表明,在MBR 處理廢水的過(guò)程中,微生物降解基質(zhì)和內源呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial product, SMP)會(huì )被膜截留且逐漸積累,因此,對以SMP 為代表的微生物產(chǎn)物的特性解析成為研究膜污染問(wèn)題的重中之重。
鹽度高于1% 的廢水被定義為含鹽廢水,含鹽廢水的處理通常分為物理化學(xué)法及生物法,相較于前者,生物法更經(jīng)濟有效。隨著(zhù)MBR 工藝的迅速發(fā)展,除了將其應用于處理市政廢水,也被用來(lái)處理高鹽廢水。研究表明 ,鹽度在0. 9 ~ 1. 3 g·L - 1 之間的廢水經(jīng)膜處理后化學(xué)需氧量(COD)可被去除90% ,氨氮的去除率則達到95% 。然而,高鹽廢水可能會(huì )抑制微生物活性并改變其表面電荷、疏水性、濾過(guò)性和絮凝性等,進(jìn)而影響活性污泥的理化性質(zhì) 。PENDASHTEH 等[18] 發(fā)現,在水力停留時(shí)間(HRT)為48 h 總可溶顆粒物(TDS)為35. 0 g·L - 1 時(shí),序批式膜生物反應器對COD 負荷量為1. 12 kg COD·(m3 ·d) - 1 的高鹽廢水的COD 去除率為86. 2% 。目前,諸多研究都對MBR 處理含鹽廢水的情況做了較為有意義的闡述,但對MBR 處理高鹽廢水造成的膜污染及污染物特性的解析等問(wèn)題的探討仍顯不足。
本實(shí)驗將生物接觸氧化法(biological contact oxidation reactor, BCOR)與MBR 結合,并設置對照組,利用生物接觸氧化池內填料比表面積較大特點(diǎn),使微生物盡量多的附著(zhù)在填料表面,形成生物膜,在有氧條件下,污水與填料表面的微生物充分接觸,而生物膜內層供氧不足甚至處于厭氧狀態(tài),這樣在生物膜中形成了由厭氧菌、兼性菌和好氧菌構成的生物群落,豐富的微生物群落可以進(jìn)行較完整的硝化反硝化作用,能夠彌補好氧體系脫氮除磷不完全的缺陷。三維熒光光譜(three-dimensional excitation emission matrix fluorescencespectroscopy, 3DEEM)技術(shù)在特定波長(cháng)下的激發(fā)光照射分子可以發(fā)出特征發(fā)射光,獲取激發(fā)波長(cháng)(λex )和發(fā)射波長(cháng)(λem ) 同時(shí)變化時(shí)的熒光強度信息,并能夠識別和表征復雜有機物的物質(zhì)組成與特征 ,本實(shí)驗將BCOR 與MBR 兩工藝耦合處理含鹽廢水,與BCOR 聯(lián)合的MBR 中污泥混合液的SMP 特性必然會(huì )發(fā)生變化,SMP 特性的變化會(huì )引起MBR 膜污染情況的變化,利用三維熒光光譜對MBR 上清液SMP 及出水的特性進(jìn)行表征,從而研究在處理不同鹽度污水過(guò)程中與BCOR 聯(lián)合的MBR 內微生物產(chǎn)物特性,解析BCOR 與MBR 聯(lián)合系統膜污染變化的原因,為膜污染控制提供新思路。
1 材料與方法
1. 1 實(shí)驗裝置及運行參數
實(shí)驗裝置如圖1 所示,以?xún)商捉Y構組成、大小及運行條件完全相同的一體式MBR(分別記為MBR-1與MBR-2)為含鹽廢水處理的主體工藝。一套為不與BCOR 工藝相連的傳統MBR-1,作為對照系統;一套為BCOR 與MBR-2 聯(lián)合的BCOR-MBR 反應器。兩個(gè)MBR 有效容積均為11 L,內置大小為30 cm ×25 cm × 5 cm 的膜組件,膜孔徑為0. 03 μm,膜面積為0. 2 m2 。
實(shí)驗所用活性污泥來(lái)自威海市第三污水處理廠(chǎng)的二沉池回流污泥,所用廢水為模擬含鹽廢水,通過(guò)添加海水調整含鹽量為0、3、9、18 和30 g·L - 1 ,主要成分為可溶性淀粉、NH4 Cl、KH2 PO4 、K2 HPO4 以及NaHCO3 。反應器都在常溫條件下運行,pH 值為6. 5 ~ 7. 5,污泥停留時(shí)間(SRT)保持在220 d 左右,水力停留時(shí)間(HRT)設置在8 h。各個(gè)反應器底部設2 組微孔曝氣器,在運行期間進(jìn)行連續曝氣。膜生物反應器中液面由液位繼電器保持恒定,其內污泥混合液在蠕動(dòng)泵的抽吸作用下經(jīng)膜過(guò)濾出水,蠕動(dòng)泵由時(shí)間繼電器控制并采用8 min 開(kāi)、2 min 停的間歇運行方式。通過(guò)真空壓力表反映膜組件污染情況,當膜過(guò)濾壓差達到30 KPa 時(shí),將膜組件取出清洗。
1. 2 SMP 的提取方法
在調整鹽度變化的過(guò)程中,每階段的運行時(shí)間約為10 d,每天分別從MBR-1 與MBR-2 的膜生物反應器中各取50 mL 污泥混合液,在4 000 r·min - 1 的條件下離心5 min,取上清液經(jīng)0. 45 μm 的濾膜過(guò)濾,所得即為兩系統的溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)。
1. 3 三維熒光光譜分析
三維熒光光譜能夠獲得激發(fā)波長(cháng)和發(fā)射波長(cháng)同時(shí)變化時(shí)的熒光強度信息,在光譜圖中,不同的溶解性有機質(zhì)具有不同的熒光基團,并且熒光峰的位置和強度也不盡相同。本實(shí)驗采用F-2700 型熒光光譜儀(日本日立公司)對提取的SMP 進(jìn)行三維熒光掃描,激發(fā)光波長(cháng)范圍為220 ~ 450 nm(步長(cháng)10 nm),發(fā)射光為220 ~ 600 nm(步長(cháng)10 nm),激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為5 nm。所得結果利用Orign 軟件進(jìn)行數據分析,所有的三維熒光光譜分析都重復測量3 次。
2 結果與討論
2. 1 不同鹽度下MBR-1 上清液SMP 與出水的3DEEM
通過(guò)觀(guān)察發(fā)現,BCOR-MBR 工藝的過(guò)膜壓力上升速率為0. 767 6 kPa·d - 1 ,低于對照組(0. 872 8kPa·d - 1 )。BCOR-MBR 組合工藝的出水TOC 濃度均低于對照MBR,組合工藝與對照組的TOC 平均去除率為分別為92. 69% 、88. 72% 。
不同鹽度下MBR-1 中上清液SMP 與出水的三維熒光光譜圖如圖2 中所示。各組光譜圖形狀相似,均含3 個(gè)主要特征峰,各個(gè)特征峰的主要位置列于表1。結合前人對三維熒光光譜圖五個(gè)區域的總結 ,其中,A 峰與C 峰中心位置(λex / λem ) 均位于250 ~ 380 /380 ~ 540 nm,屬于類(lèi)腐殖酸物質(zhì)。B 峰中心位置(λex / λem )位于250 ~ 335 /280 ~ 380 nm,屬于類(lèi)溶解性微生物副產(chǎn)物,為色氨酸類(lèi)物質(zhì)。作為對照組的MBR-1 系統在鹽度逐漸升高的過(guò)程中,3 個(gè)熒光峰強度與位置均發(fā)生不同程度的改變。其中,代表類(lèi)腐殖酸類(lèi)物質(zhì)的A 峰與C 峰先隨著(zhù)鹽度的提高熒光強度顯著(zhù)增強,在鹽度為9 ~ 18 g·L - 1 范圍內,兩峰強度達到最大,后隨著(zhù)鹽度繼續提高而變弱。代表色氨酸類(lèi)物質(zhì)的B 峰在鹽度為18 ~ 30g·L - 1 之間熒光強度最大,且發(fā)生藍移。
推測鹽度的提高使得微生物細胞內某些大分子蛋白等參與調滲作用的物質(zhì)產(chǎn)出增多,從而調節內外滲透壓來(lái)保障自身的繁殖,在更高的鹽度條件下(18 ~ 30 g·L - 1 ),鹽度對微生物生長(cháng)的抑制作用增強,高鹽環(huán)境造成的高滲透壓使細胞脫水進(jìn)而原生質(zhì)流失,且高濃度的氯離子對微生物具一定的毒害作用。故而系統中類(lèi)腐殖酸類(lèi)物質(zhì)隨著(zhù)鹽度繼續上升特征峰強度下降,微生物產(chǎn)物生產(chǎn)量減少,經(jīng)過(guò)馴化的耐鹽優(yōu)勢菌種得以繼續繁殖。
對比MBR-1 的出水與污泥上清液中SMP 的三維熒光光譜發(fā)現,在無(wú)海水投加環(huán)境下,出水中代表類(lèi)腐殖酸的C 峰發(fā)生藍移,且出水中色氨酸熒光強度增強,其他各鹽度下3 個(gè)熒光峰均不同程度減弱。根據已有的研究得出,熒光峰的藍移可能是由π 電子體系的變化(如芳香環(huán)的減少、共軛鍵和脂肪鏈的斷裂等),有機結構中羰基、羥基和胺基等官能團的消減等現象引起的。據此推測,MBR 對類(lèi)腐殖酸類(lèi)物質(zhì)有一定的攔截作用,并會(huì )將較復雜的芳香環(huán)等體系裂解并使較大粒徑的有機物顆粒破碎成較小的碎片。
2. 2 不同鹽度下MBR-2 上清液SMP 與出水的3DEEM
不同鹽度下MBR-2 上清液SMP 和出水的三維熒光光譜圖如圖3 所示。各組光譜圖中均含上述3 個(gè)主要特征峰,當鹽度提高至30 g·L - 1 時(shí),MBR-2 的出水中出現第4 個(gè)熒光峰D,其中心位置(λex / λem )位于200 ~ 275 /335 ~ 380 nm,屬于色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)。鹽度在3 ~ 9 g·L - 1 范圍時(shí),MBR-2 上清液SMP 中色氨酸濃度驟升,類(lèi)腐殖酸物質(zhì)熒光強度略有減弱并伴隨著(zhù)C 峰出現較大藍移,隨著(zhù)鹽度的繼續提高,三峰強度均有所減弱。在MBR-2 出水熒光光譜圖中,同樣在鹽度9 g·L - 1 附近時(shí),色氨酸熒光強度達到最大,類(lèi)腐殖酸物質(zhì)熒光峰強度則隨著(zhù)鹽度的升高而減弱。分析其可能原因,鹽度的提高使得微生物細胞內生成很多參與調滲作用的大分子蛋白,而MBR-2 系統中部分微生物分泌物會(huì )先一步粘附在BCOR 的填料上,由于生物接觸氧化池中生物種類(lèi)豐富,復雜的大分子有機物經(jīng)過(guò)生物膜的層層分解吸收逐漸被轉化為更為簡(jiǎn)單的構型。
對比MBR-2 的出水與污泥上清液中SMP 的三維熒光光譜,可見(jiàn)不同鹽度條件下經(jīng)過(guò)MBR 處理后3個(gè)熒光峰強度均有不同程度的減弱,說(shuō)明MBR 對三類(lèi)熒光物質(zhì)均有攔截,在鹽度為30 g·L - 1 時(shí),MBR-2系統出水中出現色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)特征峰且表征類(lèi)腐殖酸物質(zhì)的C 峰出現較大藍移,推測過(guò)高的鹽度造成部分細胞破裂,溶出的細胞質(zhì)與經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾而斷裂的特定基團結合進(jìn)而生成芳香族蛋白質(zhì)。
2. 3 不同鹽度下SMP 與出水三維熒光圖熒光特性
MBR-1 與MBR-2 在不同鹽度下上清液SMP 和出水熒光特性列于表1。無(wú)海水投加時(shí)作為對照組的MBR-1 中污泥上清液SMP 與出水相比類(lèi)腐殖酸峰發(fā)生藍移伴隨著(zhù)出水中色氨酸強度增強,即膜生物反應器會(huì )使較大的有機物顆粒破碎成較小的碎片,而MBR-2 因耦合了生物接觸氧化池,復雜的芳香族化合物與大顆粒有機物已被先一步分解,進(jìn)而其出水與污泥上清液中SMP 熒光性質(zhì)無(wú)明顯區別。
表1 MBR-1 與MBR-2 中SMP 與出水熒光特性
在鹽度為3 ~ 9 g·L - 1 范圍內,對照組MBR-1 上清液SMP 中類(lèi)腐殖酸物質(zhì)累積,組合工藝MBR-2 中色氨酸濃度驟升且類(lèi)腐殖酸物質(zhì)峰藍移。鹽度一定范圍內的上升使微生物細胞內調節機制啟動(dòng),參與調滲作用的某些大分子蛋白等產(chǎn)出增多,而MBR-2 系統中部分微生物分泌物會(huì )先被生物接觸氧化池填料截留并經(jīng)過(guò)生物膜的分解吸收而轉化為較簡(jiǎn)單的構型。
在鹽度為18 ~ 30 g·L - 1 范圍時(shí),鹽度的微生物毒害作用增強,微生物細胞發(fā)生脫水甚至破裂,兩系統中SMP 均隨著(zhù)鹽度繼續上升特征峰強度下降,微生物產(chǎn)物生產(chǎn)量減少。在鹽度為30 g·L - 1 時(shí),MBR-2 系統出水中類(lèi)腐殖酸物質(zhì)峰藍移,出現的色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)特征峰則可能是高鹽環(huán)境下微生物溶出的原生質(zhì)與之前因膜過(guò)濾而斷裂的基團的產(chǎn)物。值得注意的是不同鹽度環(huán)境下,MBR-2 中三峰的熒光強度均弱于MBR-1,同時(shí),BCOR-MBR 組合工藝的出水TOC 濃度均低于對照MBR,即耦合的BCOR 可吸附部分復雜有機酸等大分子物質(zhì),從而降低了MBR-2 的膜污染速度。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
1)在不同鹽度條件下,MBR-1、MBR-2 中SMP 的三維熒光光譜均包含3 個(gè)特征峰,分別為2 個(gè)代表類(lèi)腐殖酸的特征峰和表征類(lèi)溶解性微生物產(chǎn)物特征峰。兩系統的出水熒光光譜中除了包含以上3 個(gè)特征峰,在鹽度為30 g·L - 1 時(shí)MBR-2 系統出水中出現色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)的特征峰。
2)對照組MBR-1 在0 ~ 9 g·L - 1 的鹽度環(huán)境下,代表類(lèi)腐殖酸物質(zhì)的特征峰熒光強度隨鹽度的提高而顯著(zhù)增強,在鹽度為9 ~ 30 g·L - 1 時(shí),MBR-1 的3 個(gè)特征峰熒光強度都不同程度的減弱。MBR-2 系統只有在鹽度提高到9 ~ 18 g·L - 1 時(shí),代表色氨酸的特征峰熒光強度增強明顯且類(lèi)腐殖酸峰藍移,在此范圍之外的其他鹽度下熒光峰都沒(méi)有明顯變化。
3)對照組鹽度的提高使得微生物抗逆性增強,細胞內某些大分子蛋白等參與調滲作用的物質(zhì)產(chǎn)出增多,而耦合了BCOR 的MBR-2 中懸浮顆粒和大分子有機物會(huì )先一步分解為小分子可溶物質(zhì),進(jìn)而在某種程度上延緩了鹽度的沖擊。
4)不同鹽度條件下,BCOR-MBR 組合工藝的出水TOC 濃度均低于對照MBR,在MBR-2 中三峰的熒光強度均弱于MBR-1,說(shuō)明生物氧化池吸附了部分復雜有機酸等大分子物質(zhì),從而降低了MBR-2 的膜污染速度。
5)將MBR 中SMP 與出水對比來(lái)看,經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾作用類(lèi)腐殖酸物質(zhì)與類(lèi)溶解性微生物產(chǎn)物均有攔截,且對類(lèi)腐殖酸物質(zhì)的攔截明顯強于類(lèi)溶解性微生物產(chǎn)物,在鹽度為9 ~ 18 g·L - 1 時(shí),這種攔截作用尤為明顯。
