膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor, MBR)是一種由膜技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥處理法中的沉降環(huán)節(jié)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(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單和占地面積小等不同于傳統(tǒng)處理系統(tǒng)的特性。高效降解分離的特點(diǎn)使得MBR 在得到越來越多研究者青睞的同時(shí)MBR 系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)的運(yùn)行,膜滲透通量逐漸下降且過膜壓力提高,膜污染由此形成。

在諸多影響膜污染的因素中,由微生物細(xì)胞和微生物代謝產(chǎn)物構(gòu)成的污泥混合液的性質(zhì)對(duì)膜污染的形成有很大關(guān)系 。諸多研究表明,在MBR 處理廢水的過程中,微生物降解基質(zhì)和內(nèi)源呼吸過程中產(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(duì)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(jì)有效。隨著MBR 工藝的迅速發(fā)展,除了將其應(yīng)用于處理市政廢水,也被用來處理高鹽廢水。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(dá)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(xiàn),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(yīng)器對(duì)COD 負(fù)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(duì)MBR 處理含鹽廢水的情況做了較為有意義的闡述,但對(duì)MBR 處理高鹽廢水造成的膜污染及污染物特性的解析等問題的探討仍顯不足。

本實(shí)驗(yàn)將生物接觸氧化法(biological contact oxidation reactor, BCOR)與MBR 結(jié)合,并設(shè)置對(duì)照組,利用生物接觸氧化池內(nèi)填料比表面積較大特點(diǎn),使微生物盡量多的附著在填料表面,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(nèi)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(gòu)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(bǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)(λex )和發(fā)射波長(zhǎng)(λem ) 同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度信息,并能夠識(shí)別和表征復(fù)雜有機(jī)物的物質(zhì)組成與特征 ,本實(shí)驗(yàn)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(duì)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程中與BCOR 聯(lián)合的MBR 內(nèi)微生物產(chǎn)物特性,解析BCOR 與MBR 聯(lián)合系統(tǒng)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(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,以兩套結(jié)構(gòu)組成、大小及運(yùn)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(tǒng)MBR-1,作為對(duì)照系統(tǒng);一套為BCOR 與MBR-2 聯(lián)合的BCOR-MBR 反應(yīng)器。兩個(gè)MBR 有效容積均為11 L,內(nèi)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 ² 。

實(shí)驗(yàn)所用活性污泥來自威海市第三污水處理廠的二沉池回流污泥,所用廢水為模擬含鹽廢水,通過添加海水調(diào)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(yīng)器都在常溫條件下運(yùn)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(shè)置在8 h。各個(gè)反應(yīng)器底部設(shè)2 組微孔曝氣器,在運(yùn)行期間進(jìn)行連續(xù)曝氣。膜生物反應(yīng)器中液面由液位繼電器保持恒定,其內(nèi)污泥混合液在蠕動(dòng)泵的抽吸作用下經(jīng)膜過濾出水,蠕動(dòng)泵由時(shí)間繼電器控制并采用8 min 開、2 min 停的間歇運(yùn)行方式。通過真空壓力表反映膜組件污染情況,當(dāng)膜過濾壓差達(dá)到30 KPa 時(shí),將膜組件取出清洗。

1. 2 SMP 的提取方法

在調(diào)整鹽度變化的過程中,每階段的運(yùn)行時(shí)間約為10 d,每天分別從MBR-1 與MBR-2 的膜生物反應(yīng)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 的濾膜過濾,所得即為兩系統(tǒng)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(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度信息,在光譜圖中,不同的溶解性有機(jī)質(zhì)具有不同的熒光基團(tuán),并且熒光峰的位置和強(qiáng)度也不盡相同。本實(shí)驗(yàn)采用F-2700 型熒光光譜儀(日本日立公司)對(duì)提取的SMP 進(jìn)行三維熒光掃描,激發(fā)光波長(zhǎng)范圍為220 ~ 450 nm(步長(zhǎng)10 nm),發(fā)射光為220 ~ 600 nm(步長(zhǎng)10 nm),激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度為5 nm。所得結(jié)果利用Orign 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,所有的三維熒光光譜分析都重復(fù)測(cè)量3 次。

2 結(jié)果與討論

2. 1 不同鹽度下MBR-1 上清液SMP 與出水的3DEEM

通過觀察發(fā)現(xiàn),BCOR-MBR 工藝的過膜壓力上升速率為0. 767 6 kPa·d - 1 ,低于對(duì)照組(0. 872 8kPa·d - 1 )。BCOR-MBR 組合工藝的出水TOC 濃度均低于對(duì)照MBR,組合工藝與對(duì)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(jié)合前人對(duì)三維熒光光譜圖五個(gè)區(qū)域的總結(jié) ,其中,A 峰與C 峰中心位置(λex / λem ) 均位于250 ~ 380 /380 ~ 540 nm,屬于類腐殖酸物質(zhì)。B 峰中心位置(λex / λem )位于250 ~ 335 /280 ~ 380 nm,屬于類溶解性微生物副產(chǎn)物,為色氨酸類物質(zhì)。作為對(duì)照組的MBR-1 系統(tǒng)在鹽度逐漸升高的過程中,3 個(gè)熒光峰強(qiáng)度與位置均發(fā)生不同程度的改變。其中,代表類腐殖酸類物質(zhì)的A 峰與C 峰先隨著鹽度的提高熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),在鹽度為9 ~ 18 g·L - 1 范圍內(nèi),兩峰強(qiáng)度達(dá)到較大,后隨著鹽度繼續(xù)提高而變?nèi)?。代表色氨酸類物質(zhì)的B 峰在鹽度為18 ~ 30g·L - 1 之間熒光強(qiáng)度較大,且發(fā)生藍(lán)移。

推測(cè)鹽度的提高使得微生物細(xì)胞內(nèi)某些大分子蛋白等參與調(diào)滲作用的物質(zhì)產(chǎn)出增多,從而調(diào)節(jié)內(nèi)外滲透壓來保障自身的繁殖,在更高的鹽度條件下(18 ~ 30 g·L - 1 ),鹽度對(duì)微生物生長(zhǎng)的抑制作用增強(qiáng),高鹽環(huán)境造成的高滲透壓使細(xì)胞脫水進(jìn)而原生質(zhì)流失,且高濃度的氯離子對(duì)微生物具一定的毒害作用。故而系統(tǒng)中類腐殖酸類物質(zhì)隨著鹽度繼續(xù)上升特征峰強(qiáng)度下降,微生物產(chǎn)物生產(chǎn)量減少,經(jīng)過馴化的耐鹽優(yōu)勢(shì)菌種得以繼續(xù)繁殖。

對(duì)比MBR-1 的出水與污泥上清液中SMP 的三維熒光光譜發(fā)現(xiàn),在無海水投加環(huán)境下,出水中代表類腐殖酸的C 峰發(fā)生藍(lán)移,且出水中色氨酸熒光強(qiáng)度增強(qiáng),其他各鹽度下3 個(gè)熒光峰均不同程度減弱。根據(jù)已有的研究得出,熒光峰的藍(lán)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(jī)結(jié)構(gòu)中羰基、羥基和胺基等官能團(tuán)的消減等現(xiàn)象引起的。據(jù)此推測(cè),MBR 對(duì)類腐殖酸類物質(zhì)有一定的攔截作用,并會(huì)將較復(fù)雜的芳香環(huán)等體系裂解并使較大粒徑的有機(jī)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(dāng)鹽度提高至30 g·L - 1 時(shí),MBR-2 的出水中出現(xiàn)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,類腐殖酸物質(zhì)熒光強(qiáng)度略有減弱并伴隨著C 峰出現(xiàn)較大藍(lán)移,隨著鹽度的繼續(xù)提高,三峰強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到較大,類腐殖酸物質(zhì)熒光峰強(qiáng)度則隨著鹽度的升高而減弱。分析其可能原因,鹽度的提高使得微生物細(xì)胞內(nèi)生成很多參與調(diào)滲作用的大分子蛋白,而MBR-2 系統(tǒng)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豐富,復(fù)雜的大分子有機(jī)物經(jīng)過生物膜的層層分解吸收逐漸被轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的構(gòu)型。

對(duì)比MBR-2 的出水與污泥上清液中SMP 的三維熒光光譜,可見不同鹽度條件下經(jīng)過MBR 處理后3個(gè)熒光峰強(qiáng)度均有不同程度的減弱,說明MBR 對(duì)三類熒光物質(zhì)均有攔截,在鹽度為30 g·L - 1 時(shí),MBR-2系統(tǒng)出水中出現(xiàn)色氨酸類蛋白質(zhì)特征峰且表征類腐殖酸物質(zhì)的C 峰出現(xiàn)較大藍(lán)移,推測(cè)過高的鹽度造成部分細(xì)胞破裂,溶出的細(xì)胞質(zhì)與經(jīng)過膜過濾而斷裂的特定基團(tuán)結(jié)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。無海水投加時(shí)作為對(duì)照組的MBR-1 中污泥上清液SMP 與出水相比類腐殖酸峰發(fā)生藍(lán)移伴隨著出水中色氨酸強(qiáng)度增強(qiáng),即膜生物反應(yīng)器會(huì)使較大的有機(jī)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(fù)雜的芳香族化合物與大顆粒有機(jī)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)無明顯區(qū)別。

在鹽度為3 ~ 9 g·L - 1 范圍內(nèi),對(duì)照組MBR-1 上清液SMP 中類腐殖酸物質(zhì)累積,組合工藝MBR-2 中色氨酸濃度驟升且類腐殖酸物質(zhì)峰藍(lán)移。鹽度一定范圍內(nèi)的上升使微生物細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)制啟動(dòng),參與調(diào)滲作用的某些大分子蛋白等產(chǎn)出增多,而MBR-2 系統(tǒng)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)過生物膜的分解吸收而轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的構(gòu)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(qiáng),微生物細(xì)胞發(fā)生脫水甚至破裂,兩系統(tǒng)中SMP 均隨著鹽度繼續(xù)上升特征峰強(qiáng)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(tǒng)出水中類腐殖酸物質(zhì)峰藍(lán)移,出現(xiàn)的色氨酸類蛋白質(zhì)特征峰則可能是高鹽環(huán)境下微生物溶出的原生質(zhì)與之前因膜過濾而斷裂的基團(tuán)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(qiáng)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(duì)照MBR,即耦合的BCOR 可吸附部分復(fù)雜有機(jī)酸等大分子物質(zhì),從而降低了MBR-2 的膜污染速度。

3 結(jié)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)代表類腐殖酸的特征峰和表征類溶解性微生物產(chǎn)物特征峰。兩系統(tǒng)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(tǒng)出水中出現(xiàn)色氨酸類蛋白質(zhì)的特征峰。

2)對(duì)照組MBR-1 在0 ~ 9 g·L - 1 的鹽度環(huán)境下,代表類腐殖酸物質(zhì)的特征峰熒光強(qiáng)度隨鹽度的提高而顯著增強(qiáng),在鹽度為9 ~ 30 g·L - 1 時(shí),MBR-1 的3 個(gè)特征峰熒光強(qiáng)度都不同程度的減弱。MBR-2 系統(tǒng)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(qiáng)度增強(qiáng)明顯且類腐殖酸峰藍(lán)移,在此范圍之外的其他鹽度下熒光峰都沒有明顯變化。

3)對(duì)照組鹽度的提高使得微生物抗逆性增強(qiáng),細(xì)胞內(nèi)某些大分子蛋白等參與調(diào)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(jī)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(duì)照MBR,在MBR-2 中三峰的熒光強(qiáng)度均弱于MBR-1,說明生物氧化池吸附了部分復(fù)雜有機(jī)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(duì)比來看,經(jīng)過膜過濾作用類腐殖酸物質(zhì)與類溶解性微生物產(chǎn)物均有攔截,且對(duì)類腐殖酸物質(zhì)的攔截明顯強(qiáng)于類溶解性微生物產(chǎn)物,在鹽度為9 ~ 18 g·L - 1 時(shí),這種攔截作用尤為明顯。