自生动态膜形成过程中生物膜性质与阻力变化相关性研究_古杏红

８２给水排水Ｖｏｌ．３７增刊２０１１自生动态膜形成过程中生物膜性质与阻力变化相关性研究古杏红１熊江磊２（１南京市市政设计研究院有限责任公司，南京２１０００８；２东南大学市政工程系，南京２１００９６）摘要利用动态膜生物反应器处理模拟生活污水，研究了不同时期自生动态生物膜的性质，并分析了阻力变化特性。结果表明：污泥层面密度在过滤过程中逐渐增大，与动态膜膜阻力突变不相关；动态膜形成过程中，胞外聚合物（ＥＰＳ）含量逐渐增大，质量分数却逐渐减少；ＥＰＳＢ－蛋白质含量存在一个明显的跃升，对动态膜膜阻力的突变起关键作用；无机盐含量的增加与动态膜膜阻力的增大有显著相关性，尤其是氯化物、Ｎａ盐、Ｆｅ盐、Ａｌ盐和Ｃａ盐等无机盐沉淀；链状菌、杆状菌和少量球状菌等微生物始终是动态膜的主要成分，质量分数约为４８．４％～８４．３％，但与动态膜膜阻力突变无相关性。关键词膜生物反应器自生动态膜膜污染胞外聚合物（ＥＰＳ）自生动态膜生物反应器材料价格低廉、运行费用低、处理效果良好，受到了广泛关注。国内外学者对其处理效果、运行特性、影响因素及结构优化等方面进行了较为全面的研究［１～４］。但自生动态膜的膜污染控制仍是有待解决的关键问题。本文利用自生动态膜处理模拟生活污水，通过考察不同时期动态膜的组成及阻力变化特性，探讨动态膜组分对膜阻力的影响。１试验材料与方法１．１试验装置试验采用有效容积为３２Ｌ的一体式动态膜生物反应器，有效尺寸为３４ｃｍ×２０ｃｍ×５０ｃｍ，试验装置如图１所示。内设导流板，以在膜组件表面形图１试验装置示意成稳定错流。导流区下部设置搅拌器，低速搅拌防止底部污泥过度沉积。反应区内置５片动态膜组件，编号为１＃～５＃。膜组件两侧各贴有无纺布，有效尺寸均为１０ｃｍ×５ｃｍ，在重力作用下虹吸出水。反应器下部均匀布置８个石英砂曝气头，提供充足的溶解氧及错流流速。试验进水采用人工配水模拟普通生活污水，配水方案如表１所示。活性污泥取自南京市城北污水处理厂。表１试验进水配水方案成分浓度／ｍｇ／Ｌ葡萄糖２７８可溶性淀粉２７８蛋白胨２８ＫＨ２ＰＯ４２６．４ＭｇＳＯ４６６ＭｎＳＯ４·７Ｈ２Ｏ６ＦｅＳＯ４０．５５ＮＨ４ＨＣＯ３９８．７５尿素２２．５ＮａＨＣＯ３１１１ＣａＣｌ２６１．２试验步骤控制５片膜的微环境基本一致：同一时期的出水压头相等，使膜通量均保持在３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）、膜面附近溶解氧浓度相同（２．０ｍｇ／Ｌ左右）、膜面错流DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2011.s1.015给水排水Ｖｏｌ．３７增刊２０１１８３流速为１．５～１．７ｃｍ／ｓ之间。在污泥浓度为２０００ｍｇ／Ｌ左右，出水通量低于３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）条件下启动反应器，保持３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）左右运行。反应器在１０ｍｉｎ后出水浊度即小于５ＮＴＵ，并逐渐稳定至２ＮＴＵ以下直至出现膜堵。在反应器运行１ｄ、２ｄ、７ｄ、１５ｄ、２２ｄ时，依次将１＃～５＃膜取出，并立即放入替代膜以保持水力条件近似不变。１＃～５＃膜可代表动态膜在过滤过程中不同时期的状态，进而测定其阻力及组成。其中２２ｄ时动态膜在较大压差（３０ｃｍＨ２Ｏ）下出水通量小于５ｍ３／（ｍ２·ｈ），即认为动态膜已堵塞。取出之前测定１＃～５＃膜的阻力；取出之后剪取３ｃｍ×３ｃｍ、２ｃｍ×２ｃｍ、４ｃｍ×４ｃｍ的膜组件，刮取动态膜层分别测定污泥层面密度（单位面积动态膜的质量）、无机盐种类及含量、胞外聚合物的含量［５，６］。１．３分析方法采用散射式浊度仪测定出水浊度。用电子天平称量出水质量并据此计算膜通量，进而利用达西公式计算膜阻力。采用１０３～１０５℃烘干称重法测定膜面物质质量（ＭＬＳＳ）。采用Ｘ射线能谱仪（ＴｈｅｒｍｏＮＯＲＡＮ－ＶＡＮＴＡＧＥ）测定膜面物质粉末所含元素及比例。采用考司马亮蓝法测定蛋白质含量，苯酚－硫酸法测定多糖含量，二者之和近似等于胞外聚合物的含量。总污泥层面密度减去胞外聚合物面密度即为微生物和无机盐面密度之和，根据Ｘ射线能谱仪扫描结果按元素比例计算微生物和无机盐面密度。２试验结果与讨论２．１污泥层面密度及阻力变化选用聚乙烯无纺布作为膜基材料，其本身不具备精细过滤的功能，无法满足截留污泥颗粒的需要。膜组件的过滤精度主要由堵塞或沉积在膜基材料上的动态膜提供。不同时期污泥层面密度不同，动态膜的过滤精度亦有少许差异。２．１．１污泥层面密度与出水浊度的关系试验分析了不同时期污泥层面密度同出水平均浊度的关系，如表２所示。由表２可见，污泥层面密度随过滤时间的延长而逐渐增加，反映了反应器内各类物质不断在膜基质上沉积的情况。但在本试验周期内并未出现已达表２污泥层面密度及出水浊度变化项目数据编号（运行天数／ｄ）１＃（１）２＃（２）３＃（７）４＃（１５）５＃（２２）污泥层面密度／ｍｇ／ｃｍ２０．５７８０．７００３．２７８５．１４３６．４００