MBR中微生物产物对膜污染的影响机制研究

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膜生物反应器(MBR)工艺在污水深度处理和回用方面优势突出,但其膜污染问题严重影响了工艺的稳定性与经济性,在很大程度上限制了MBR应用领域的拓展。MBR中的微生物处于相对封闭的系统,其中的微生物产物不断积累,逐渐成为影响出水水质及膜污染的重要因素,因此研究污泥混合液中胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)的膜污染机理及其控制方法已成为MBR应用研究中的一项重要内容。本研究以人工配制的模拟生活污水作为原水,在絮状活性污泥MBR体系中,研究了不同水力停留时间(HRT)和曝气强度下EPS和SMP的生成特性以及其在长期运行中的膜污染影响机制,提出了基于微生物产物调控的膜污染控制策略。旨在阐明MBR污泥混合液中EPS和SMP的膜污染影响机制,为MBR工艺优化和膜污染控制提供理论依据。研究结果如下:(1)随着HRT延长,COD、氨氮和总氮去除率升高,磷酸盐和总磷去除率降低;EPS在MBR中累积量增多,其中多糖和蛋白质含量也升高;SMP在MBR中累积量减少,其中多糖含量升高,蛋白质含量降低。说明SMP较EPS易被微生物利用,蛋白质较多糖易被微生物利用。SMP平均粒径随运行时间延长呈下降趋势,并且HRT较短有利于粒径较小的SMP生成,从而堵塞膜孔;HRT较长有利于粒径较大的SMP生成,从而形成凝胶层,两种情况导致膜污染的机制不同。(2)随着曝气强度降低,COD、氨氮和总氮去除率降低,磷酸盐和总磷去除率升高;EPS在MBR中累积量减少,其中多糖和蛋白质含量升高;SMP在MBR中累积量增多,其中多糖和蛋白质含量也升高。说明曝气强度较低时,污泥絮体完整性较好,EPS释放较少;有机污染物向生物体表面的传质较慢,SMP累积;但多糖和胞外酶等物质释放较多,导致多糖和蛋白质含量增多。曝气强度较低有利于粒径较大的SMP生成,曝气强度较高有利于粒径较小的SMP生成。(3)恒通量下运行的MBR其膜污染过程符合三阶段理论。EPS对膜污染的影响主要体现在对滤饼层形成的贡献上,SMP对膜污染的影响主要体现在对沉积层阻力的贡献上。EPS和SMP均是总量及蛋白质与多糖的比值(P/C)和跨膜压差(TMP)变化率的简单相关性好;蛋白质和多糖与TMP变化率的秩相关性好。EPS中P/C对TMP变化率的影响最大,呈显著正相关(rp=0.882)。SMP中P/C对TMP变化率的影响最大,呈极显著正相关(rp=0.916)。基于微生物产物调控的膜污染减缓措施主要有:优化操作条件、调控混合液、定期清洗膜组件等。(4)污染后的膜外表面覆盖结构致密的凝胶层;内表面因无机物透过膜面堵塞膜孔形成污垢层。冷水、柠檬酸、NaOH分别对膜外表面附着力不是很强的物质、膜内表面的无机物、细菌和胶体物质的去除效果较好。冷水、柠檬酸和NaOH对膜通量恢复的贡献率分别为9.2%、31.5%、50.7%,经冷水、柠檬酸和NaOH依次冲洗0.5h后膜通量恢复到92.4%。就污染后膜组件的清洗效果而言,NaOH最好,柠檬酸次之,冷水最差。
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