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生物资源技术
移动式生物膜膜生物反应器中生物膜载体对膜污染倾向的影响
关键词：移动式生物膜膜生物反应器、膜污染、滤饼的比阻、丝状菌、超高分子物质
摘要：在移动膜生物反应器（MB-MBR）中，将生物膜生长的海绵载体与传统的膜生物反应器（C-MBR）相结合。本研究比较了MB-MBR与MB-MBR的污垢倾向，并研究了影响这两种系统结垢变化的因素。膜污染的趋势监测跨膜压力（TMP）和污垢表征包括膜污染电阻原位和特定的滤饼阻力（SCR）在批式过滤单元。TMP图谱的比较延长了MB膜生物反应器的过滤周期。C-MBR中的滤饼层阻力（RC）、孔阻（RP）和SCR均较高。研究表明，MB-MBR中的混合生物质在没有发现丝状细菌的情况下产生了相对较多的多孔滤饼结构，在C-MBR中发现了丰富的丝状菌。丝状细菌也负责释放高浓度的碳水化合物形式的可溶性额外聚合物物质（EPS），这有助于使C-MBR反应器中有更高的RP值。
1.简介
现今的需要是减小现有水资源的日益剧减对可持续发展的压力。解决这一问题的一个可能方法是废水回收和再利用。用于使水更易于接受的最终用途的方法被称为废水回收。地下水回灌是干旱区污水回用的主要效益之一。此外，最终产品可用于灌溉、工业过程和其他非饮用的目的。目前，发展紧凑型废水处理单元，能够实现高品质的污水强调作为分散的废水处理策略的一部分。在这种背景下，膜生物反应器（MBR）是一种极具吸引力的选择，具有高质量的出水、紧凑的系统和经济的管理。然而，MBR技术进展中的主要障碍之一是膜污染，这可以被定义为微生物、胶体、溶质和细胞碎片在膜上的不希望的沉积和积累（Mon等人，2009）。在MBR中使用自由漂浮介质可能是一种更好的替代传统MBR，可以减少膜污染（LekNeES和O.DEGAARD，2001）。研究了不同的生长介质（载体）添加到浸没式MBR中，包括聚氨酯立方体、聚苯乙烯珠、聚乙烯载体（KalDNes）、活性炭（颗粒和粉末）、沸石、爆破粘土颗粒和MBR中的海绵（黄等人，2008；Jamal Khan等人，20）。11；李等人，2006）。海绵作为活性载体的移动载体，并通过结合包括附着和悬浮生长环境的混合生长系统来保持微生物。它已被认为是一种可行的生长介质，具有高孔隙率的微生物固定化，良好的机械强度，膜污染控制，以及低成本（储和王，2011）。在海绵载体上的一些以前的研究（郭等人，2010；NGO等人，2008）已经得出结论，在生物反应器体积分数为10～20%的条件下添加海绵导致生物膜的生长以去除营养物以及减少污垢的膜冲刷。在本研究中，污垢现象被评估和讨论在传统的淹没MBR（C-MBR）相比，混合移动生物膜MBR（MB-MBR）含有海绵作为生长介质在类似的操作条件下操作。研究了海绵载体对污泥特性的影响及其与膜污染倾向的关系。
2.方法
2.1 废水组成
以3 kgCOD/m3/d和COD:N:P为100:10:2的有机负荷率连续地将合成废水复制高浓度生活污水。合成废水成分已经在贾马尔Khan等人等中讨论过。（2011）。
2.2 实验布置
两个相同的反应器由丙烯酸制备，有效体积为14升，连续运行90天。每个反应器分为三个隔室，使用两个多孔挡板和中空纤维膜（三菱人造丝，日本）淹没在中间隔间，其名义孔径为0.1 Lm，表面积为0.2平方米。蠕动泵（主Flex，Cle PalMe，美国）被用来周期性地在10分钟过滤和2分钟放松的周期中提取渗透物。保持7升/分钟的曝气速率以保持介质在循环中并满足所需的DO浓度为2 mg/L。两个反应器同时操作HRT为8小时，SRT为25天。采用数据记录压力计（SPER SCORE 840099，台湾）连续记录跨膜压力（TMP），作为膜污染倾向的指示剂。膜操作，直到TMP达到50千帕之后，他们用自来水洗涤，然后按照制造商的指导方针（三菱人造丝，日本）进行物理清洗。
2.3 生物膜载体
以巴基斯坦联合泡沫工业（PVT）有限公司的聚氨酯海绵为介质，在生物膜-膜生物反应器（MB-MBR）中，其尺寸为1 1～1厘米，并在使用前适应合成废水。二十的反应器有效容积用海绵填充，并均匀分布在三个反应器隔间中。
2.4 分析方法
根据标准方法分析了化学需氧量（COD）、混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）（APHA等人，2005）。DO／pH计（Okton PD 300，美国）用于测量两种反应器中的DO和pH值。用扫描电子显微镜（SEM）（乔尔，日本）对C-MBR和MB-MBR生物絮凝体的结构进行了研究。将MBRs样品放置在不锈钢载体上，脱水一夜，用溅射法涂覆金并用SEM检查。利用激光散射原理（LA-300，HORIBA，日本）的粒度分析仪分析污泥粒度分布（PSD），并以百分比体积报告结果。MBR的污泥样品在PSD分析之前进行超声处理5分钟，以适当地分散生物颗粒。胞外聚合物（EPS）分为可溶性EPS和结合EPS。污泥以5000转/分离心15分钟，分离出可溶性EPS上清液，其余部分用阳离子交换树脂（CER）提取法（FR·Lund等，1996）用于结合EPS。
2.4.1 比阻（SCR）测量
采用称重秤（SimaMuZu，UW6200 H，日本）与计算机相连的间歇过滤池（AMICON，型号8400，美国）测定MBR污泥样品的比阻（SCR）。试验采用0.22-LM平板纤维素膜过滤器（MiLople，GVWP 09050，美国）。使用加压氮气，保持恒定的压力为50千帕。SCR由王等人计算。2007）：
2000 A2 DP t=V
a frac14; eth;1THORN; l C V
其中DP是施加的压力（KPA），A是过滤面积（0.00418 m2），C是MLSS浓度（kg/m3），L是渗透液的粘度（N-S/m2），（[（T/V）/V] ]（S/M6）是通过将过滤时间绘制成滤液体积而获得的曲线的直线部分的斜率。E（T/V）对滤液体积（V）的影响。
3.结果与讨论
3.1 膜污染倾向
借助于在8.75 L/m2流量的恒定通量下获得的膜过滤中的TMP轮廓评价膜污染。在图1中示出了四个典型的C-MBR和MB-MBR的TMP轮廓。在C-MBR和MB-MBR中，平均过滤时间分别为37和50小时。MB-MBR过滤运行与CP-MBR相比，由于海绵介质的存在而增加了33%。Lee et al。（2006）还报道了膜耦合移动床生物膜反应器（MC-MBBR）比传统MBR生物脱附率低得多。循环介质和中空纤维之间的碰撞导致摩擦力减轻膜纤维上的滤饼形成，从而导致长时间的过滤。
3.2 膜污染阻力
采用串联电阻模型对过滤特性进行了评价。
DP
Rt frac14; eth;2THORN;
J l ft
Rt frac14; Rm thorn; Rc thorn; Rp eth;3THORN;
其中J为工作通量，DP为TMP，L为渗透性粘度，FT为温度校正至20 C，FT＝E0.023 9（T-20），RT＝总液压阻力，RM＝固有膜电阻，RC＝饼层形成的可逆滤饼电阻和RP=不可逆孔隙阻挡电阻。由孔隙内溶解和胶体物质的吸附和沉淀引起的（罗森伯格等，2006；孟等，2009）。电阻分析结果汇总在表1中，表示平均电阻值。
图1。C-MBR和MB-MBR系统中的TMP轮廓。
表1
C-MBR和MB-MBR系统中的膜污染阻力。
|
Resistances |
C-MBR |
MB-MBR |
|
Rm (x 1012m1) |
1.26E 09 |
1.46E 09 |
|
Rp (x 1012m1) |
4.64E 09 |
3.95E 09 |
|
Rc (x 1012m1) |
7.24E 09 |
6.74E 09 |
|
Rt (x 1012m1) |
1.31E 10 |
1.21E 10 |
|
Rc/Rt (%) |
51 |
56 |
|
Rp/Rt (%) |
38 |
32 |
经过多次实验测量。与MB-MBR相比，表1中的总电阻（RT）在C-MBR中相对较高。在MB-MBR和MB-MBR中MBR系统中的主要阻力分数分别为51%和56%。在C-MBR中RC和孔阻隔（RP）值均较高，导致RT的总体增加。在C-MBR中，RC和Rp的增加被发现是7%和18%。MB膜生物反应器C-MBR中的较高的污垢电阻是导致严重的污垢倾向在较短的过滤运行和较高的结垢率方面的原因。MB膜生物反应器中较低的RC是由于海绵立方体载体与膜纤维不断碰撞的膜冲刷所致。然而，在MB膜生物反应器中RP的显著下降可以归因于生物聚合物浓度的变化以及污泥絮状物形态的变化。
3.3 间歇过滤池污泥过滤性能的研究
比阻（SCR）是污泥滤饼污垢潜势或滤渣性的定量测量方法。在间歇过滤试验中，没有提供搅拌机制，以观察污泥饼对过滤倾向的影响。此外，在没有海绵载体的情况下，从MBR系统中取300毫升MLSS。MBR系统中的MLSS浓度保持在约9.5 g/L，MLSS/MVSS比例为0.8。结果表明，C-MBR和MBMBR的MLSS平均SCR值（A）分别为6.2 1012和5.7 1012 m/kg，而C-MBR污泥的SCR值较高。这些结果与表1中的饼状电阻（RC）一致，其中C-MBR中的RC与MB-MBR中的RC相比更高。C与MB-MBR（R2＝0.37）相比，在C-MBR（R2＝0.82）中发现与SCR（A）有很强的相关性，如图2所示。C-MBR中SCR与RC之间的强相关性是由于不阻碍的蛋糕层结构，而MB-MBR的情况下，通过海绵载体连续冲刷减轻了蛋糕层结构。
图2。C-MBR和MB-MBR系统中滤饼层阻力（RC）与比饼阻力（SCR）的相关性。
表2
C-MBR和MB-MBR体系中可溶性和结合的胞外聚合物物质（EPS）。
3.4絮凝物形态对膜污染的影响
SEM图像显示，在C-MBR污泥中观察到杆状丝状细菌，这可能导致絮状物形成，但它们在这里的过度存在引起膜的严重污染。丝状细菌在膜纤维上形成紧密的纤维网络，在外观上具有厚的和无多孔的滤饼层，允许非常低的膜渗透性，并随着时间的推移提供过大的抗过滤性（Mon等人，2009）。在MB-BBR絮凝体中观察到轻微的丝状细菌，在膜纤维上形成相对多孔的滤饼层，导致中等程度的TMP上升。丝状细菌在C-MBR膜纤维上的丰度沉积也可能导致表1所示的更高的滤饼层阻力（RC）。这些观察结果与孟等人的研究一致。（2006）膜污染阻力（RT、RC和RF）随着丝状指数（FI）的增加而变差。
3.5粒度分布对膜污染的影响
根据颗粒污泥中的颗粒体积百分比评价混合液的粒径分布。结果发现，C-MBR的平均粒径比MB-MBR（即157 LM）高201mu;m。黄等人也记录了类似的观察结果。（2008）。平均粒径和颗粒分布模式表明，海绵载体的连续碰撞可能是造成MB膜生物反应器污泥絮凝物破裂的原因。然而，这种絮凝破碎现象并不严重，认为MB膜生物反应器平均粒径下降30%，对膜污染率没有显著影响。
3.6胞外聚合物（EPS）对膜污染的影响
膜污染明显受到EPS浓度的影响，EPS浓度被认为是一个重要的污垢（DRWS等人，2006；Mon等人，2009；Sheng等人，2010）。EPS是一种异质性基质，含有多种聚合物材料，如碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸等，来源于细胞裂解、微生物代谢产物或未代谢的废水成分，它们嵌入絮凝基质（结合EPS）或自由悬浮/不溶解。LIVE在上清液（可溶性EPS）中（DRWS等，2006）。孟等。（2006）发现过量的丝状菌与絮状物形成菌相比，产生更多的EPS，从而导致快速的结垢率。表2中所报告的平均值和标准偏差值是基于在研究期间进行的六次可溶性和结合的EPS样品的重复测量。C-MBR中的可溶性EPS（SEPS）浓度几乎是MB-MBR的两倍，这导致了由TMP轮廓描述的C-MBR中的较高污染（图1）。碳水化合物含量是总SEP的主要因素之一。而结合的EPS（BEPS）浓度在两个MBR中是相对相似的。根据表2，MBR系统中结合的EPS（BEPS）浓度的蛋白质分数与结合的碳水化合物EPS浓度相比更高。蛋白质（蛋白质/碳水化合物＞2）在BEPS中的优势可能是由于细胞结构和酶在自然界中主要是蛋白质（Mon等，2006）。在这项研究中观察到结合的EPS与膜污染之间没有明确的关系。
4.结论
研究了海绵载体MBR（MB-MBR）在常规MBR（MBR）下的污垢行为。结果表明，MB-MBR具有较低的过滤运行，因为膜污染阻力低，可逆（RC）和不可逆（RF），相比于C-MBR。C-MBR中较高的RC受无孔滤饼层结构的影响，其中主要的丝状菌对膜透性有严重的负面影响，
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