不同无机碳水平下MBR 运行性能与膜污染行为研究

马志刚，芦秀青，王 静，沈思彤，周忠波

（1.长江生态（湖北）科技发展有限责任公司，湖北 武汉 430015；2.西南大学资源环境学院，重庆 400715；3.农村清洁工程重庆市工程研究中心，重庆 400715）

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，水资源短缺已成为生态文明建设的限制性因素，为此污水处理与回用尤显必要。膜生物反应器（MBR）污水处理技术因水力停留时间和泥龄完全分离、出水水质好、占地少等优势而备受关注[1]。目前，MBR 技术在我国城镇与工业污水处理与回用领域被广泛应用，已建成大型城镇污水MBR 厂近300 座[2]，大型工业废水MBR 厂180 余座[3]，对水务行业的快速发展起到重要作用。

膜污染或堵塞一直是MBR 技术推广应用中面临的最大挑战。膜污染不仅造成产水量降低和曝气能耗增加，还导致频繁膜清洗，缩短膜使用寿命[4]。在过去20 多年里，该领域学者和技术人员在膜污染过程与机理、膜污染表征与识别及膜污染控制方法等方面进行了大量研究[5]。目前，研究认为污泥混合液中溶解性微生物代谢产物（SMP） 和胞外聚合物（EPS）是主要的膜污染物，两者主要由多糖、蛋白和腐殖质及核酸等大分子组成，其性质和结构受工艺参数和环境因子影响，从而引起不同的膜污染行为[6]。其中，DREWS A 等[7]研究发现，MBR 中SMP 分子量与蛋白分子的膜截留率与污泥混合液中硝酸盐浓度相关，即高硝酸盐伴随低分子SMP 产生，进而引起低的膜污染。胡苗苗等[8]研究发现，低进水碱度削弱了硝化过程，使得膜污染出现恶化。HU D L 等[9]通过向MBR 中投加NaHCO3发现，硝化细菌得到了富集，且减少了膜表面EPS 黏附，最终缓解了膜污染。综上发现，MBR 系统中硝化菌活性和菌群结构与膜污染间存在一定相关关系。

无机碳作为硝化菌（AOB 和NOB）等自养微生物细胞合成的碳源，对其活性有着重要影响。以前研究大多集中在碱度（OH－，HCO3－，CO32－）对于硝化过程的影响[10]。鲜有关于MBR 系统中不同无机碳水平条件下污泥硝化活性和菌群的改变如何影响膜污染的问题研究。因此，通过逐级降低MBR 污泥混合液中无机碳的浓度，考察不同无机碳水平下反应器的运行性能、硝化菌活性、菌群结构演替和膜污染行为的变化及其相关关系，以期为MBR 过程优化与膜污染控制等提供技术参考和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

有效容积为10 L 的A/O MBR 系统装置示意见图1。V（缺氧） ∶V（好氧）为1 ∶1，回流比为200%。好氧池中放置聚偏氟乙烯中空纤维膜（膜孔径为0.01 μm），操作模式为恒定流量连续抽吸，膜通量（LMH）设为13 L/（m2·h） 。HRT 设为7.7 h，SRT 设为20 d。好氧池曝气量设为80～100 L/h，溶解氧（DO）质量浓度控制在1～3 mg/L。反应器在室温下运行，温度控制在24 ℃左右。

图1 A/O 膜生物反应器装置示意

试验中MBR 共运行200 d，分为3 个阶段，不同阶段向好氧池中投加不同量的无机碳[10]，反应器运行参数见表1。由表1 可以看出，在阶段I，向好氧池中添加NaHCO3，NaHCO3投加量为12.50 g/d；在阶段II，NaHCO3的投加量缩减为6.25 g/d；在阶段III，NaHCO3和NaOH 的投加量分别为3.00 和1.50 g/d。参考第四版《水质监测分析方法》和苯酚硫酸法以及福林酚法，在试验中测定COD，NH4+-N，NO2--N，NO3--N，TN 和TP，MLSS，MLVSS 及多糖、蛋白等。采用总有机碳分析仪（日本岛津TOC-L）测定无机碳。

表1 反应器运行参数

1.2 接种污泥和进水水质

研究中MBR 接种泥来自实验室长期稳定运行的活性污泥系统，污泥质量浓度为4 g/L。反应器使用的废水由人工配制，具体成分的质量浓度分别为：乙酸钠为35 mg/L、淀粉为162 mg/L、奶粉为200 mg/L、蔗糖为141 mg/L、尿素为50 mg/L、蛋白胨为32 mg/L、酵母浸膏为77 mg/L、牛肉浸膏为80 mg/L、氯化铵为40 mg/L、磷酸二氢钾为23 mg/L、磷酸氢二钾为21 mg/L 和微量元素溶液（七水合硫酸亚铁为2.5 mg/L、氯化锌为0.06 mg/L、四水合氯化锰为0.06 mg/L、二水合钼酸钠为0.19 mg/L、六水合氯化钴为0.13 mg/L、六水合氯化镍为0.04 mg/L、硫酸铜为0.06 mg/L、氯化钙为0.44 mg/L、硼酸为0.06 mg/L、氯化镁为0.19 mg/L）。

1.3 膜污染行为监测

跨膜压差（TMP）可反映膜污染的严重程度，采用真空压力表可监测其变化情况。当TMP达到一定数值（约25 kPa），需对膜进行逐步清洗，测试其膜污染阻力分布情况，具体清洗步骤和计算见参考文献[11]。

1.4 微生物活性测试

从好氧池取适当体积的污泥混合液，用普通定性滤纸过滤并用纯水清洗后稀释至1 L 置于玻璃器皿中。通过添加浓度为1 mol/L HCl 或NaOH 控制pH 值为7.5，保持温度为24 ℃。再连接微孔曝气装置和溶氧仪（德国WTW Oxi7310）并与电脑相连接，打开溶氧仪自动监控软件，设置DO 阈值为2～4 mg/L，每隔5 s自动采集一次数据，得到DO-t 曲线，其下降直线斜率即为微生物好氧呼吸速率（OUR）[11]。最后测定污泥MLVSS，根据文献[11]中方法分别计算得到微生物内源呼吸速率、硝酸菌NOB 和氨氧化菌AOB 呼吸速率。

从好氧池取适当体积的污泥混合液，用普通定性滤纸过滤并用纯水清洗后稀释至1 L，置于另一玻璃器皿中。再连接微孔曝气装置和溶氧仪于计算机，控制DO 质量浓度在2～4 mg/L，pH 值为7.5 左右，温度为24 ℃左右。向混合液中加入NH4Cl，控制NH4+-N 初始质量浓度为30 mg/L，分别在0 ，30 ，40 min 和1 ，1.5 ，2 ，3 ，4 ，5 h 时取污泥上清液，分别测定NO3--N，NO2--N 及NH4+-N 浓度。最后测定污泥MLVSS，绘制NH4+-N-t 曲线，计算求得直线斜率即为硝化速率。

1.5 高通量测序与分析

分别从AO/MBR 系统中取不同时期污泥样品M1，M2，M3，M4，M5，在8 000 r/min，4 ℃条件下离心10 min 收集污泥絮体，采用DNA 试剂盒（UltraClean Soil DNA Kit）提取微生物总DNA，测定其浓度，并用1%琼脂糖凝胶电泳检测其完整性。采用通用引物F515/R806 对微生物16S rRNA 基因V4区进行扩增。用Qiagen 试剂盒 （QIAquick Gel Extration Kit） 进行纯化后，送至Novogene 公司于Illumina Miseq 测序平台进行高通量测序。测序完成的原始数据去掉序列两端接头，根据QIIME 软件操作流程对原始数据进行质量控制和序列分析，获得样品中微生物群落结构变化情况[12]。

2 结果与分析

2.1 不同无机碳水平下MBR 运行性能

反应器中污泥混合液无机碳浓度和pH 值变化情况见图2。由图2 可以看出，由于NaHCO3投加量的逐级减少，污泥混合液中无机碳质量浓度不断降低，从阶段I 的105.1 mg/L 降至阶段II 的62.5 mg/L和阶段III 的46.3 mg/L。但由于污泥混合液的缓冲作用和第III 阶段NaOH 的补加，反应器中pH 值仍保持在7.5 左右。

图2 反应器中污泥混合液无机碳浓度和pH值变化

不同阶段反应器运行性能见表2。阶段I 为0～80 d，阶段II 为81～160 d，阶段III 为161～200 d。

表2 不同阶段反应器运行性能 mg·L-1

由表2 可以看出，经驯化培养后，反应器运行性能良好，阶段I 中NH4+-N，TN，TP 和COD 的去除率分别高达97.7%，76.3%，87.0%和90.9%，出水中除TP 外，其余污染物均满足GB 18918—2002 一级A标准。在无机碳浓度降低后，阶段II 和III 的NH4+-N去除率均略微下降，但并未出现NO2--N 累积现象。GUISASOLA A 等[13]研究发现，当无机碳质量浓度低于36 mg/L 时，AOB 活性将受到很大抑制而NOB 活性并未受影响。同样，BRESSANI-RIBEIROT T 等[14]也发现，NH4+-N 氧化过程易受无机碳浓度而非碱度水平影响。阶段II 和III 反应器中TN，TP 和COD 的去除率均有小幅增加，推断原因与其中各功能微生物被截留和富集有关（由表1 可以看出，浓度有小幅提升）。随着无机碳浓度降低，污泥混合液中多糖和蛋白的膜截留率均有提升，在阶段III 分别提升至66.3%和58.4%，一定程度上强化了COD 的去除，同时也造成多糖和蛋白在膜表面的累积，最终加重膜的污染。

2.2 不同无机碳水平下膜污染行为变化

MBR 系统跨膜压差（TMP）和平均膜污染速率及膜阻力分布变化情况见图3。由图3（a）可以看出，跨膜压差的增长随着无机碳浓度降低越来越快，膜污染速率从阶段I 的30～55 Pa/h 增至阶段II 的40～75 Pa/h 和阶段III 的210～230 Pa/h。同时MBR进水碱度的降低（＜130 mg/L）也加重了膜污染，其污染速率由200 Pa/h 提升至500 Pa/h[8]。由图3（b）可以看出，通过膜污染阻力分布分析发现，滤饼层污染阻力占比随着无机碳浓度降低不断增加，由35%增至近80%，成为膜污染不断增加的主要原因[9]。有机污染阻力逐步降低，推断原因是滤饼层的快速形成加强了混合液有机物的拦截，进而减少了其在膜面或膜孔的黏附。另无机污染阻力在阶段I 和II 期间均呈现小幅增加。

2.3 不同无机碳水平下污泥好氧呼吸速率和硝化活性的变化

通常硝化过程是一个分步反应，首先NH4+-N 被氧化为NO2--N，然后NO2--N 再被氧化成NO3--N。与以往研究一致，本次研究中AOB 活性也明显高于NOB 活性[15]。另由于硝化细菌是自养化能微生物，需无机碳源做细胞合成代谢，且需消耗碱度[13]。不同阶段反应器污泥的比好氧呼吸速率的变化见图4。由图4 可以看出，无机碳浓度对反应器中污泥的好氧呼吸速率存在负面影响，其中AOB 和NOB 的呼吸速率分别从阶段I 的1.55 和7.86 mg/（g·h） 降至阶段III 的1.01 和4.37 mg/（g·h），说明NH4+-N 转化易受无机碳限制的影响。

图4 不同阶段反应器污泥的比好氧呼吸速率的变化

不同阶段反应器中污泥硝化活性的变化见图5。由图5 可以看出，阶段I 污泥的硝化活性呈大幅提升，说明高无机碳浓度下MBR 系统对硝化细菌有良好的截留和富集，进而促进了反应器中NH4+-N的去除。当无机碳浓度降低后，污泥硝化活性也大幅降低，进一步说明无机碳浓度对反应器运行过程中NH4+-N 的转化存在较强的负面影响。上述结果与表2 中MBR 系统NH4+-N 的去除率下降趋势一致。

图5 不同阶段反应器中污泥硝化活性的变化

2.4 不同无机碳水平下微生物群落的变化

不同无机碳水平下微生物群落变化情况见图6。在门水平上，所有样品中微生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）等组成，涉及有机物（如：多糖和蛋白）的代谢。其中，变形菌门为主要菌门，在阶段III 相对丰度增至20%。以往研究证明，变形菌门为主要的污水处理微生物，主要包含硝化菌和反硝化菌[15]。其次是拟杆菌门，其比例呈下降趋势，从阶段I的15.1%降至阶段III 的11.5%。

图6 微生物群落在属水平上的组成和相对丰度

在属水平中，污泥中丝硫菌属（Thiothrix）、海列文氏菌属（Lewinella）和突柄杆菌属（Prosthecobacter）等相对丰度均出现大幅降低。其中，丝硫菌属由接种污泥中6.36 %降至阶段III 的1.44 %。该菌属常呈丝状，是活性污泥絮体的骨架，过多生长易引起污泥膨胀，而过少则会影响絮体结构[16]。本次研究发现，随着污泥混合液中无机碳浓度的降低，污泥絮体确实从阶段I 的平均粒径D[4,3] 401.90 μm 降至阶段II 的295.28 μm 和阶段III 的207.25 μm，进而可能加重了膜污染。

Emticicia，Azospira，Hydrogenophaga，Terrimonas等菌属在反应器中不断被富集，尤其Emticicia 属相对丰度在第III 阶段升至3.98%。以往研究发现，Emticicia，Azospira，Hydrogenophaga 和Terrimonas 属均具有反硝化功能[17-18]，其相对丰度增加与表2 中TN 去除率上升趋势保持一致。

反应器中污泥的硝化功能微生物Nitrosomonas和Nitrospira 属的相对丰度也均变化明显。其中，Nitrosomonas 属呈先增后降的变化趋势，其具有将NH4+-N 转化为亚硝酸盐的功能[19]。说明Nitrosomonas属明显受到无机碳浓度的影响，其在无机碳源富足的阶段I 被富集，而在无机碳浓度降低后的阶段II和III 则明显下降。Nitrospira 属的相对丰度在无机碳限制条件下反而增加，这与GUISASOLA A 等[13]研究结果相一致。

3 结论

根据反应器运行性能、膜污染趋势、硝化活性和群落演替的结果，得出以下结论：

（1）降低无机碳浓度后，反应器运行性能依然稳定，COD，TN 和TP 及NH4+-N 的去除率均保持在较高水平，而混合液中多糖和蛋白的膜截留率有所提升，一定程度上强化了有机物的去除效率。相应膜污染速率不断增加，且以滤饼层污染阻力为主。

（2）随着无机碳浓度的持续降低，污泥中AOB和NOB 的呼吸速率均不断降低，且硝化速率也呈明显下降趋势，说明无机碳的缺乏给硝化功能微生物造成了较大影响。

（3）在无机碳减少情况下，污泥中丝硫菌属（Thiothrix） 下降趋势明显，影响了污泥的性状，而Emticicia，Azospira，Hydrogenophaga，Terrimonas 等反硝化功能微生物的丰度明显增加，强化了反应器的脱氮性能。Nitrosomonas 属相对丰度降低，与污泥硝化活性降低的结果保持一致。

MBR 中无机碳水平可明显改变污泥的硝化活性和菌群结构，影响了污泥的性质和混合液中生物聚合物的组成，并最终造成MBR 系统不同的膜污染行为。