 Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2013, 3, 13-16 doi:10.4236/aep.2013.31B004 Published Online March 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aep.html) Effect of Suspended Carriers on Extracellular Polymeric Substances in MBR Chunhua Zhang, Chuanjun Yuan, Hongjie Sun Environment Science and Engineering Department of Dalian Nationality University, Dalian, China Email: zhangchunhua@dlnu.edu.cn, ycj@dlnu.edu.cn, shj@dlnu.edu.cn Received 2013 Abstract: Suspended carriers were added into a submerged membrane bioreactor (SMBR) using polypropylene non- woven fabric (PP NWF) as membrane model to treat synthetic wastewater. The changes of EPSS, EPSB and EPS in ac- tivated sludge mixing liquid of MBR and in sludge on membrane model surface were researched at different aeration rate. The results showed that adding suspended carriers in MBR can increase the concentration of EPSS and EPSB in activated sludge mixing liquid, but the effect on EPSS and EPSB in the sludge on membrane model surface is related to aeration rate. Adding suspended carriers can increase the concentration of EPSS and EPSB in the sludge on membrane model surface at 0.10 m3/h of aeration rate; the concentration of EPSS and EPSB in the sludge with suspended carriers is reduced when aeration rate is increased to 0.25 m3/h. The study on the effect of aeration rate on EPS in sludge mixing liquid of MBR and in sludge on membrane model surface showed that an optimized aeration rate exists if suspended carriers are added to control MBR membrane fouling. At the optimized aeration rate, membrane fouling can be miti- gated and controled effectively. Keywords: Suspended Carrier; Aeration Rate; EPS 悬浮填料对 MBR 中胞外聚合物的影响 仉春华，袁传军，孙红杰 大连民族学院环境科学与工程系，大连，中国，116600 Email: zhangchunhua@dlnu.edu.cn, ycj@dlnu.edu.cn, shj@dlnu.edu.cn 收稿日期：2013 摘 要：以聚丙烯无纺布为膜组件，向浸渍式膜生物反应器中投加悬浮填料处理人工废水。考察不同曝气量下 MBR 中污泥混合液以及膜组件表面污泥EPSS、EPSB和EPS 的变化。结果表明，MBR 中添加悬浮填料能增加 污泥混合液中 EPSS 和EPSB 的浓度，而对膜组件表面污泥中 EPSS和EPSB影响，与曝气强度有关。在曝气量 为0.10 m3/h 时，添加悬浮填料能增加污泥中的 EPSS和EPSB的浓度，当曝气量增大到 0.25 m3/h 时，添加悬浮 填料的污泥中的 EPSS和EPSB的浓度有所降低。曝气量对 MBR 污泥混合液及膜组件表面污泥 EPS 影响的研究 结果表明，采用添加悬浮填料控制MBR 膜污染时存在一个优化的曝气量，在此曝气量下，能实现有效地延缓 和控制膜污染。 关键词：悬浮填料；曝气量；EPS 1. 引言 膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）是 实 现污水再生回用和废水资源化的一项具有竞争力的 新技术，膜污染是影响 MBR 长期稳定运行的关键因 素。MBR 的膜污染物质主要来源于污泥混 合液中 的 悬浮固体和上清液。其中悬浮固体和溶解性有机物是 资助信息: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号 DC110101) Copyright © 2013 Hanspub 13  悬浮填料对 MBR 中胞外聚合物的影响 形成膜污染的主要因素[1]。有文献报道，悬浮固体、 胶体和溶解性大分子有机物对膜污染阻力的贡献分 别为 65%、30% 和5%[2,3]。减少悬浮固体在膜表面沉 积，是减缓和控制膜污染的有效方法之一。目前，减 少和防止膜表面污泥沉积的主要方法是改善 MBR 中 污泥混合液的水利条件，例如增强曝气强度[4,5]，在气 液两项中，上升气流会形成很强的剪切力，冲刷膜表 面，减少和防止污泥的沉积。但是提高曝气强度会增 加运行成本，过多的供氧也不利于 MBR工艺的反硝 化脱氮[6]。添加悬浮填料以减少污泥的沉积是一个值 得研究的方法，作者曾报道过悬浮填料对 MBR 的影 响，在增加膜通量的同时增大了跨膜压力和出水浊度 [7]。 资助信息：中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目（编号 DC110101） 胞外聚合(extra-cellular polymeric substances, EPS) 是微生物在一定条件下产生的高分子物质，是除细胞 和水分外的第 3大类活性污泥组成物质[8]。有研究证 明EPS 也是一种优势膜污染物[9]。Rosenberger 等[10] 将EPS 分为两部分：溶解性 EPS ( soluble EPS,EPSS ) 和固着性 EPS( bound EPS, EPSB )。本文研究了 MBR 中添加悬浮填料后，其污泥混合液以及膜组件表面污 泥的 EPS 变化情况，以说明悬浮填料在控制悬浮固体 膜污染的同时对 EPS的影响，为延缓和控制 MBR 膜 污染提供切实可行的方法和理论依据。 2 材料与方法 2.1 实验材料 悬浮填料如图 1，材质为 polyurethane，15 mm × 12 mm × 12 mm。实验用水 为人工废水，CODCr 值为 500～600 m/L。 Figure 1. Image of suspended carriers 图1. 悬浮填料 2.2 实验方法 实验装置如图 2所示。MBR-A 和MBR-B 的有效 容积为 5 L，膜组件为公称孔径1 μm的聚丙烯无纺布， 有效过滤面积 0.03 m2。按照填料与反应器中混合液的 体积比为 1︰5，向 MBR-A 中添加悬浮填料，MBR-B 为对照组。运行方式为间歇式：6 min 运行，2 min 停 止。实验运行的曝气量分别为 0.10 m3/h 和0.25 m3/h， 每个曝气量下运行 2周。分析 MBR中污泥混合液以 及膜组件表面污泥的 EPSS和EPSB。 2.3 分析方法 EPS 提取采用阳离子树脂法[11]，用多糖和蛋白质 的数量和表示 EPS总量。蛋白质测定采用考马斯亮蓝 法[12]，多糖采用苯酚-硫酸比色法[11]。 3 结果与讨论 3.1 污泥混合液 EPSS 和EPSB 曝气量为 0.10 m3/h 和0.25 m3/h 时，MBR 中污泥 混合液的 EPSS、EPSB的变化如图 3、图 4所示。 Figure 2. Schematic diagram of the experimental set up 图2.实验装置图 EPSS-A-混 EPSS-B-混 EPSB-A-混 EPSB-B-混 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 EPS(gEPS/gVSS) Figure 3. Aeration rate at 0.10 m3/h 图3. 曝气强度 0.10 m3/h Copyright © 2013 Hanspub 14  悬浮填料对 MBR 中胞外聚合物的影响 EPSS-A-混EPSS-B-混EPSB-A-混EPSB-B-混 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 EPS(gEPS/gVSS) Figure 4. Aeration rate at 0.25 m3/h 图4. 曝气强度 0.25 m3/h 从图中可以看出，两个曝气量下，MBR-A 中污 泥混合液的 EPSS和EPSB均高于 MBR-B。说明填料 对MBR 中污泥混合液的 EPS 有一定影响。EPS 具有 重要的生理功能，细胞通过 EPS 进行物质和能量的传 递，EPS 在细胞外部形成保护层以抵制外界环境的压 力[13]。在曝气条件下，MBR-A 中的悬浮填料在局部 范围内不停扰动，增大了污泥混合液的紊动性，并且 悬浮填料对膜表面也有一定的碰撞摩擦作用，有效减 少了悬浮颗粒在膜表面的沉积，缓解了滤饼层的形 成，但同时对污泥絮体有一定的破坏作用。从微观上 看，曝气带动悬浮填料产生的流化作用，对污泥混合 液中微生物细胞有一定的损伤，会刺激细胞分泌更多 的EPS 在细胞外部形成保护层。悬浮填料在控制悬浮 固体膜污染阻力的同时也增加了污泥混合液中 EPS 的浓度。 3.2 膜组件表面污泥 EPSS 和EPSB 曝气量为 0.10 m3/h 和0.25 m3/h 时，膜组件表面 污泥的 EPSS、EPSB的变化如图 5、图 6所示。 在曝气量为 0.10 m3/h 时，MBR-A 中膜组件表面 污泥的 EPSS和EPSB均高于 MBR-B；在 0.25 m3/h 时 MBR-B 膜组件表面污泥的 EPSS和EPSB均高于 MBR-A 中膜组件。DO 使得微生物能够进行正常的代 谢活动，DO 不同微生物生活状态不同，分泌的 EPS 产量和成分不同。在低曝气量时，DO 浓度对污泥 EPS 的影响小于悬浮填料流化对污泥絮体的影响。随着曝 气量的增加，DO 浓度增大，对污泥 EPS 的影响也逐 渐增强。李延军等[14]通过对好氧颗粒污泥中 EPS 在污 泥中的分布发现，随 DO 的升高，污泥中多糖、蛋白 质及 EPS 总量缓慢增加。由于没有悬浮固体流化的影 响，MBR-B 中的活性污泥的代谢活动要好于 MBR-A， 较快的底物消耗易造成营养缺乏而使微生物进入内 源呼吸，导致分泌的 EPS 增多。污泥中 EPS的增加 会使得活性污泥颗粒以及其他污染物更容易在膜表 面沉积并形成紧密的滤饼层[15]，恶化膜过滤性能，加 速膜污染。 3.3 曝气量与 EPS 曝气量为 0.10 m3/h 和0.25 m3/h 时，MBR 中污泥 混合液以及膜组件表面污泥的 EPS(EPSS与EPSB和) 的变化如图 7、图 8所示。 对于 MBR-A 及MBR-B 的污泥混合液来说，随 着曝气量的增加 EPS增大。但是在曝气量为 0.10 m3/h 时，两者污泥混合液的 EPS 没有明显的差异，当曝气 量增加到 0.25 m3/h 时，MBR-A 中污泥混合液的EPS 明显高于 MBR-B，说明曝气量增大会导致MBR 中污 EPSS-A-泥 EPSS-B-泥 EPSB-A-泥 EPSB-B-泥 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 EPS(gEPS/gVSS) Figure 5. Aeration rate at 0.10 m3/h 图5. 曝气强度 0.10 m3/h EPSS-A-泥EPSS-B-泥EPSB-A-泥EPSB-B-泥 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 EPS(gEPS/gVSS) Figure 6. Aeration rate at 0.25 m3/h 图6. 曝气强度 0.25 m3/h Copyright © 2013 Hanspub 15  悬浮填料对 MBR 中胞外聚合物的影响 Copyright © 2013 Hanspub 16 EPS-A-混 EPS-B-混 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 曝气量：0.10m3/h 曝气量：0.25m3/h EPS(gEPS/VSS) Figure 7. EPS in sludge mixing liquid 图7. 污泥混合液中的 EPS EPS-A-泥 EPS-B-泥 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 曝气量：0.10m 3/h 曝气量：0.25m3/h EPS(mgEPS/gVSS) Figure 8. EPS in sludge on membrane model surface 图8. 膜组件表面污泥中的 EPS 泥混合液的 EPS 增大，特别是在添加悬浮填料时，对 延缓和控制膜污染不利。从膜组件表面污泥的 EPS 变 化来看，增加曝气量，MBR-A 及MBR-B 污泥中的 EPS 均减少，并且 MBR-A 的EPS 的降低幅度略大于 对照组。说明增加曝气强度能降低膜组件表面污泥的 EPS 浓度，有利于延缓和控制膜污染。上述实验结果 说明采用添加悬浮填料控制 MBR膜污染时存在一个 优化的曝气量，在此曝气量下，能实现有效的延缓和 控制膜污染。 4 结论 MBR 中添加悬浮填料能增加污泥混合液中 EPSS 和EPSB的浓度，而对膜组件表面污泥中 EPSS和EPSB 影响，与曝气量有关。在曝气量为 0.10 m3/h 时，添加 悬浮填料能增加膜组件表面污泥中的EP SS和EPSB的 浓度，当曝气量增大到 0.25 m3/h时，添加悬浮填料的 膜组件表面污泥中的 EPSS和EPSB的浓度有所降低。 曝气量对 MBR 中污泥混合液及膜组件表面污泥 EPS 的影响表明，采用添加悬浮填料控制 MBR 膜污染时 存在一个优化的曝气量，在此曝气量下，能实现有效 的延缓和控制膜污染。 参考文献 (References) [1] J. L. Wu, X. Huang. Effect of dosing polymeric ferric sulfate on fouling characteristics, mixed liquor properties and performance in a long-term running membrane bioreactor. Separation and Pu- rification Technology, 2008, 63(1): 45-52. [2] L. Defrance, M. Y. Jaffrin, B. Gupta, et al. Contribution of vari- ous constituents of activated sludge to membrane bioreactor fouling. Bioresource Technology, 2000, 73(2): 105-112. [3] W. 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