动态膜生物反应器中投加壳聚糖延缓膜污染的实验研究

张贤芳， 凌 琪， 伍昌年， 赵秋燕， 方 涛， 鲍 超

（安徽建筑大学水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽 合肥230601）

0 引 言

动态膜生物反应器（Dynamic Membrane Bioreactor，DMBR）作为一种新型城镇污水深度处理技术，具备传统膜生物反应器的优点，即利用膜的固液分离代替沉淀池的功能，实现了污泥龄和水力停留时间的彻底分离，易于实现自动化控制，同时过滤通量大、反冲洗较方便，使其成为一种能克服传统膜生物反应器不足的潜在技术。与其它膜生物反应器一样，DMBR长期运行存在膜污染问题，且缺乏控制和恢复的有效方法。目前对于膜污染的控制方法主要集中在抗污染膜材料的开发、优化反应器的运行条件与改善污泥混合液特性3个方面［1－3］。通过向膜生物反应器内投加颗粒物质改善污泥混合液性质，减缓膜污染，是应用最广泛的一种方式。壳聚糖作为絮凝剂，具有天然、无毒、可生物降解的特点［4］。本文通过平行实验，研究了在DMBR中投加壳聚糖对污染物去除、污泥混合液特性的影响，以期为膜污染控制的工程实践提供实验依据。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置及水质

实验采用两套平行DMBR（A：对照反应器、B：投加壳聚糖反应器），由水箱、缺氧池、好氧池、膜组件组成。两套系统共用同一个进水水箱，运行时膜组件置于好氧池中，膜基材为300目的尼龙布，膜面积为0.01m2。缺氧池、好氧池中均有搅拌装置，好氧池设有曝气系统。实验运行HRT为6h，其中好氧池4h，缺氧池2h。以间歇出水方式运行，抽停比为4：1，混合液回流比200%，pH控制在7.0～7.5之间，实验装置如图1。

实验进水为模拟生活污水水质：用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾和微量元素等混合配水，其质量浓度分别为 COD 200～400mg／L，TN 30～60mg／L，TP 3～6mg／L，微量元素适量［5］。实验用壳聚糖：粒径0.4mm，粘度（1%溶液）0.2mPa.s，脱乙酰率85.31%，济南海得贝海洋生物工程有限公司生产。

1.2 分析项目与方法

COD、TN、NH3－N、TP、MLSS和 MLVSS分别采用国家标准方法测定［6］，EPS采用甲醛－NaOH法提取［7］，提取液中的多糖、蛋白质分别采用苯酚硫酸法［8］和考马斯亮蓝 G－250法［9］，污泥粒径和Zeta电位分别用马尔文激光粒度仪（Malvernsizer 2000）和 Zeta电位仪 （Zetasizer NS90）测定。

2 结 论

2.1 污染物去除效果

在整个实验运行过程中，污染物平均去除率如表1所示。

表1 污染物去除率（%）

由表1可见，在DMBR中投加壳聚糖后污染物去 除 率 （COD、TN、NH3－N、TP）分 别 增 加4.48%、6.01%、8.64%、13.8%。在反应器中，壳聚糖表面逐渐形成的生物膜使得系统内大部分活性污泥具有相对致密的污泥结构和较大的污泥粒径，同时吸附了反应器内的微生物代谢产物，从而提高了对污染物的去除效果。

2.2 膜通量变化

膜通量值可反映DMBR在运行周期内单位时间、单位面积通量的变化情况，同时还能反映膜污染的进展情况。两套平行DMBR中膜通量随时间的变化规律如图2所示。

从图2可以看出，在整个运行过程中，反应器B的膜通量衰减速度低于反应器A，反应器B的第一次膜组件清洗在第25d，比反应器A要迟5d，膜组件清洗的次数比反应器A少两次。壳聚糖作为有机絮凝剂投加到反应器中延缓了泥饼层的形成且形成的泥饼层较疏松［10］，从而使得透水性能比较好，提高了膜过滤性能。

2.3 对EPS的影响

胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是分泌于细胞外表面的大分子物质，源于生物合成和分泌、细胞溶解和大分子水解，主要有蛋白质、多糖、腐殖质和核酸等，其中蛋白质和多糖对膜污染的贡献最大。有研究［11，12］表明EPS是DMBR膜污染中的主要污染物。反应器运行过程中混合液中EPS的变化情况见图3。

由图3可知，两套系统在运行过程混合液中EPS含量均呈增加趋势，反应器A、B的EPS含量（mg／gMLVSS）分别从38.1、33.45增长到175.56、145.2，且反应器B比 A 增长的速度要慢，表明壳聚糖投加后对污泥中EPS有一定的吸附作用，减少了其在膜表面的沉积，从而延缓EPS浓度增长。

2.4 对Zeta电位的影响

胶粒表面的电位即为Zeta电位，表征了活性污泥混合液带电情况，能够反映活性污泥性质的变更趋向，是胶体分散系稳定性的重要指标。图4为反应器运行过程中Zeta电位的变化情况。

从图4可以看出，反应器A、B在运行期间的Zeta电位（mv）分别从－8.5、－7.2降至－52.4、－46.5，整个实验进行过程中，EPS浓度的增加将导致生物絮体表面Zeta电位增加，同时壳聚糖是带正电荷的絮凝剂，可以压缩胶体双电层，使胶粒表面的Zeta电位降低，从而提高污泥混合液性能，延缓膜污染。

2.5 对粒径分布的影响

投加壳聚糖对污泥粒径分布的影响见图5。

结果表明，两套反应器中混合液平均粒径分别为52.855μm、63.593μm，且反应器 B中小于10μm的粒径所占比例为3.79%，而反应器A则为5.76%。在膜反应器污泥混合液中粒径＜10 μm的污泥一直被认为是对膜污染贡献最大的颗粒成分。结果表明，壳聚糖作为絮凝剂通过电性中和和吸附架桥的作用，对混合液中污泥絮体发生作用，增大污泥絮体粒径，改善混合液过滤性能，使得膜污染减轻。

3 结 论

投加壳聚糖后的污染物去除率（COD、TN、NH3－N、TP）分别增加4.48%、6.01%、8.64%、13.8%，反应器A、B膜组件第一次清洗分别在第20d、25d，EPS均呈增加趋势、反应器A、B小于10μm的微粒所占的比例分别为5.76%、3.79%、Zeta电位降低程度反应器B＜A。结果表明投加壳聚糖可有效提高膜通量，增大污泥絮体粒径，同时对污泥中EPS有一定的吸附作用，减少了其在膜表面的沉积，有助于延缓膜污染。

1 Kimura K，Yamato N，Yamamura H，et al.Membrane fouling in pilot－scale membrane bioreactors（MBRs）treating municipal waste water ［J］.Environmental Science and Technology，2005，39（16）：6293－6299.

2 刘忠洲，张国俊，纪树兰.研究浓差极化和膜污染过程的方法与策略［J］.膜科学与技术，2006，26（5）：1－15.

3 马金霞，王世和，沈倩宇，等.投加颗粒活性炭对膜生物反应器过滤特性的影响［J］.中国给水排水，2010，26（3）：87－89.

4 王刚，杜兴治，王荣生，等.壳聚糖投加对MBR污泥混合液性质及膜污染的影响［J］.净水技术，2011，30（6）：31－35.

5 刘艳杰，李建政，许修宏，等.高效低温聚磷菌的筛选及特性研究［J］.环境科学与管理，2012，37（5）：36－40.

6 国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第4版）［M］.北京：中国环境出版社，2002.

7 罗曦，雷中方，张振亚，等.好氧／厌氧污泥胞外聚合物（EPS）的提取方法研究［J］.环境科学学报，2005，25（12）：1624－1629.

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9 Bradford M M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein－dye binding ［J］.Analyt Biochem，1976，72：248－254.

10 仉春华，董玉瑛，施文，等.壳聚糖絮凝作用延缓膜污染的效果研究［J］.安全与环境学报，2011，11（6）：39－42.

11 刘岩，李志东，蒋林时.膜生物反应器（MBR）处理废水的研究进展［J］.长春理工大学学报，2007，30（1）：98－101，97.

12 Nagaoka H，Veda S，Miya A.Influence of bacterial extracellular polymers on the membrane separation activated sludge process［J］.Wat Sci Tech，1996，34（9）：165－172.