MBR处理城市垃圾渗滤液中污泥特性

膜生物反应器（mem branebio reactor，MBR）是由污水生物处理技术和膜分离技术结合而成的一种新型污水处理与回用工艺[1]。由于利用膜的高效截流作用，MBR工艺可以维持较高的污泥浓度，并具有较长或很长的污泥泥龄，尤其对于好氧MBR，表现出容积负荷相对高的延时曝气的运行特征，这使得MBR中污泥混合液与传统工艺中污泥混合液特性不同。
污泥特性的相关研究包括泥龄、污泥浓度、产泥率、污泥沉降性能、污泥形态、生物相组成、污泥的颗粒分布、粘度和污泥活性等[1]。研究表明，MBR可以维持高于传统活性污泥法10倍以上的污泥浓度，使得活性污泥更容易在膜表面沉积而加剧膜污染，过滤阻力加大，膜通量降低进而影响到MBR的稳定运行；同时对于好氧MBR，高浓度的活性污泥会导致废水黏度增大，降低氧的转移效率进而影响废水的处理效果[1-2]。此外，由于MBR可以维持很长的污泥龄，即可在不排泥或少排泥的条件下运行，以减少污泥的处理负担，但有研究表明[3-4]，不排泥条件下MBR的污泥活性会随运行时间的增加而降低，总细菌中活细菌的比例会下降，进而影响到MBR的长期稳定运行。本试验在不排泥情况下对污泥浓度、沉降性能、颗粒分布、活性、大量胞外多聚物（extra cellular polymers，ECP）的积累和生物相等方面进行了研究。

图1 MBR试验装置图
1 试验装置与方法
1.1 试验装置
采用一体式恒压膜生物反应器，膜类型为中空纤维膜，膜材质为聚乙烯，膜孔径为0.18μm、膜面积为0.6m2。反应器分为水解区（缺氧区）、主曝气区和膜区三部分，相应的容积分别为3、3和8L。膜区设有内循环导流板，以增强水流对膜面的冲刷作用，上流区体积与下流区体积比为3/2。进水由电磁阀和液位控制计控制，采用恒压间歇出水，出停时间根据水力停留时间的要求通过时间继电器控制，工作压力为16.2kPa。为了维持反应器各区中污泥的均匀分布以及反硝化的顺利进行，采用回流泵将膜区混合液不断回流至水解区，回流比为300%。试验装置具体见图1。试验初期的接种污泥取自西安杨森制药厂废水处理站二沉池回流污泥。水解区、主曝气区和膜区的接种污泥浓度均为5g•L-1。驯化过程中维持总水力停留时间为72h，水解区溶解氧浓度（dissolved oxygen，DO）<0.5mg•L-1，主曝气区和膜区DO>2.0mg•L-1，直接采用经适当稀释并将pH值调为7.0左右的垃圾渗滤液进行连续式驯化。
1.2 水质状况
以西安市江村沟垃圾卫生填埋场产生的渗滤液为研究对象，在试验期间，先后取水3次，其水质情况见表1。

2 结果与分析
2.1 MBR中污泥浓度的变化
反应器中污泥浓度随运行时间的变化规律见图2。结合COD容积负荷的变化可知，在反应器运行过程的前81d，污泥浓度随进水COD容积负荷的增大而增大；后81d，由于进水COD容积负荷出现降低，污泥浓度也呈现出逐渐降低的趋势。在前70d中，平均容积负荷为0.76kg•m-3•d-1，由于容积负荷较低且处于驯化阶段，污泥浓度增加缓慢；但在第70-81天之间污泥浓度迅速由6.3g•L-1提高到10.4g•L-1，这主要是由于在此期间容积负荷由1.48kg•m-3•d-1增大到2.22kg•m-3•d-1，平均为1.89kg•m-3•d-1，相应地污泥负荷大大增加，从而导致污泥浓度明显增大；此后当容积负荷保持在1.45kg•m-3•d-1左右时，污泥浓度稳定在8.6g•L-1左右。由此可见，稳定状态的污泥浓度随容积负荷的增大而升高。

图2 污泥浓度随时间的变化
在试验后期阶段，容积负荷变化不大，平均为1.11kg•m-3•d-1，而污泥浓度降至5.6g•L-1左右。结合图4、5，原因如下。
（1）试验后期垃圾渗滤液水质发生变化，有机物浓度降低，BOC5/COD由0.6降至0.28，可生化性变差，污泥BOD负荷仅为0.019kg•kg-1•d-1（常规活性污泥法污泥负荷一般为0.20-0.4kg•kg-1•d-1），微生物处于内源呼吸阶段，基质的严重缺乏使其发生自身溶解，从而造成污泥浓度下降。
（2）反应器中微生物内源呼吸代谢产物的积累和膜对进水惰性物质的截留影响了污泥的代谢活性。
同时图2中混合液挥发性悬浮固体（mixed liquor volatile suspension solid，MLVSS）的变化与混合液悬浮固体（mixed liquor suspension solid，MLSS）的变化规律相似。
2.2 MBR中活性污泥的沉降性能
由图3可知，在运行初期的40多天中，污泥具有良好的沉降性能，30min污泥沉降比（settling volume，SV30）平均为33.4%，污泥体积指数（sludge volume index，SVI）平均为64.6mL•g-1；在第48-54天中，由于进水负荷的冲击，反应器出现异常导致污泥SVI由84.7mL•g-1提高到166mL•g-1，但随着系统的逐渐适应和恢复，SVI又有所下降；在运行中期的60多天时间里，由于污泥负荷的提高，污泥浓度增大，导致污泥沉降性能变差，平均SV30为97.2%，相应的SVI为114.1mL•g-1；在后期，由于污泥负荷降低使得微生物处于内源呼吸期，但细菌自溶会产生大量溶解性微生物产物（soluble microbial products，SMP）和ECP[1]，而MBR的运行特点使得SMP和ECP在反应器中大量积累，污泥混合液粘度由运行第50天的1.25mPa•s-1增至第196天的2.47mPa•s-1、污泥颗粒粒径相应地由42.10μm减小至27.62μm（图6），污泥絮体极其细碎，沉降性能很差，SV30几乎为100%，SVI也高达180mL•g-1。
在传统活性污泥工艺中，污泥沉降性能变差将直接导致出水水质下降，由于本试验中MBR是通过膜分离实现泥水分离，故系统运行未受污泥沉降性能的影响。

图3 试验运行过程中SV30和SVI的变化
2.3 MBR中污泥的活性
影响污泥活性的因素是多方面的，除了基本的工艺参数外，还包括膜分离对无机物质的截留以及大分子难降解有机物和溶解性微生物产物在反应器中的积累等。污泥活性的描述也是多方面的，本试验采用MLVSS/MLSS、脱氢酶活性以及比耗氧速率对污泥活性进行综合评价。
2.3.1 MLVSS/MLSS 
污泥活性最简单的一种表示方法是考察污泥混合液中的挥发性组分与总固体的比值（即MLVSS/MLSS）。图4为试验过程中MLVSS/MLSS反映的比活性变化，可知在前130d中污泥的MLVSS/MLSS平均保持在0.76左右，随后呈现较弱的下降趋势，由第130天的0.74下降到最后的0.64。这是由于该试验是在不排泥的条件下进行，经长期运行后污泥处于营养缺乏状态，必然引起其活性的下降；另一方面，MLVSS/MLSS所反映的是污泥中非无机成分所占的比例，反应器对进水无机悬浮物的截留使得MLSS增加，相应的MLVSS/MLSS则降低。
2.3.2 污泥脱氢酶活性 
系统中水解区和膜区污泥脱氢酶活性的变化见图5。从总体趋势上看，水解区和膜区污泥的脱氢酶活性均随运行时间延长而下降。这是由于难降解有机物在膜生物反应器中的积累造成的，这些难降解物质一方面来源于微生物内源呼吸的代谢产物；另一方面来源于反应器对进水难降解有机物和无机悬浮物的截留，其对活性污泥的代谢活性具有抑制作用[8]，运行时间越长，惰性物质在反应器中的积累越多，从而体现在污泥脱氢酶活性的降低。

此外，由图5可知，膜区的脱氢酶活性低于水解区，且变化幅度比水解区小。这是由于污泥脱氢酶活性反映的是反应器中活性微生物量及其对有机物的降解活性，由于进水中的大部分有机物是在水解区和主曝气区得到降解[9]，因此水解区以降解有机物的异养菌为主，而膜区主要进行的是氨氮的硝化过程[9]，则以自养的硝化菌为主，从而导致膜区的脱氢酶活性低于水解区。同时，由于水解区位于膜区前，其受进水冲击负荷的影响大，如05-22到06-26，进水有机物浓度由6096mg•L-1降至1173mg•L-1后又升至3169mg•L-1，则脱氢酶活性（以MLVSS计）由12.1 g·mg-1·h-1降至5.6 g·mg-1·h-1后又升至10.3 g·mg-1·h-1。此后虽然进水有机物浓度稳定在2000-2500mg•L-1之间，但脱氢酶活性仅稳定了半个月便有所下降，这与前段分析原因相同，即污泥活性受到了抑制。
2.3.3 污泥比耗氧速率 
活性污泥的比耗氧速率（specific oxygen uptake rate，SOUR）是评价污泥代谢活性的一个重要指标，且由于在好氧处理过程中微生物对有机物的降解和氨氮的硝化都是耗氧的，因此可以用SOUR为特征参数表示污泥的活性。

图6 污泥SOUR的变化
由图6可知，水解区和膜区的SOUR均呈现先缓慢上升后下降的趋势，结合图2分析，这可能是由于前期即对应于图2的Lv2阶段污泥浓度高，使氧气进入活性污泥絮体内部传质阻力增大，故SOUR较低；对应于图2的Lv3阶段，随着污泥浓度的下降，SOUR略有升高，随后因难降解有机物积累的影响，SOUR又呈现下降趋势。
肖景霓等[10]研究表明，污泥比耗氧速率与污泥颗粒的大小及松散程度有关。结合图5、6，发现从07-10（试验运行第130天）开始，污泥脱氢酶活性和SOUR变化趋势一致，即先降低幅度大，后降低幅度小，说明反应器中难降解物质积累所造成的抑制从第130天开始逐渐表现出来。
此外，由图6可知，膜区SOUR低于水解区，这是由于SOUR反映了基质脱氢氧化代谢过程中的受氢速率，反映氧化酶传递氧接受氢再生辅酶的能力。在间歇回流缺氧过程中，分子氧的缺乏状态使氧化酶传递氧的过程受阻，在缺乏其他受氢体的情况下辅酶 H2逐渐积累，使代谢过程中的吸氧潜能增加，当有分子氧输入时污泥就表现出极高的氧吸收速率。因此随着缺氧过程的进行，污泥的氧吸收潜能逐渐增加，从而导致水解区的SOUR高于膜区。
2.4 污泥ECP的积累
ECP是在一定环境条件下由微生物，主要是细菌分泌于细胞体外的一些高分子聚合物（相对分子质量>10000）组成[11]，其主要有机成分是糖类和蛋白质，二者的质量比约在0.2-5.0之间[12]，此外还有核酸、脂类、腐殖酸以及无机成分。ECP可以从细胞表面脱离以胶体或溶解状态存在于液相主体中，部分研究者认为混合液中ECP的积累会造成污泥沉降性能变差[13-14]。
本试验测定了接种污泥混合液和第196天膜区污泥混合液的ECP、蛋白质和多糖含量（以每克MLVSS计），具体见表3。由表3可见，（1）蛋白质和多糖是ECP的主要成分，二者之和在接种污泥和第196天膜区污泥混合液中所占比例分别为67.8%和72.9%；（2）第196天膜区污泥的ECP及其中的蛋白质和多糖含量均比接种污泥有明显增加，分别是接种污泥的1.8、2.6和1.8倍；体系中ECP总量及污泥中蛋白质与多糖比值的增加不利于污泥活性及其沉降性能的改善；（3）蛋白质和多糖在ECP中所占比例也有所变化，蛋白质所占比例由15.7%增至22.4%，而多糖比例略有下降，由52.1%降至50.5%。以上数据表明后期ECP在污泥混合液中明显积累。造成ECP明显积累的原因有三点：（1）试验后期垃圾渗滤液水质发生了很大变化，有机物浓度由试验初期的14000mg•L-1左右降至3000mg•L-1左右，相应的BOD5/COD由0.6降至0.28，污泥负荷大大降低，微生物处于内源阶段进而造成ECP的产生量增加；（2）试验后期污泥绝对数量上的减少造成ECP在污泥混合液中相对比例的提高；（3）由于MBR的运行特点使得微生物所分泌的ECP被膜截留在反应器中而不能随出水流失，从而加剧了其在反应器中的积累。
表3 试验过程中ECP的变化

由此可见，图3中后期SV30和SVI不断增加，正是由于ECP在反应器中的积累所造成。
2.5 MBR中污泥的粒径分布
通过激光粒度分析仪（型号：LS-POP）考察污泥的粒径分布，平均粒径的变化如图7所示。由图7可知，接种污泥平均粒径为46.39μm，系统运行后污泥颗粒粒径呈下降趋势，由运行第50天的42.1μm降至27.62μm，离心上清液也呈现出相同的趋势。这与其他人对MBR中污泥粒径变化的研究相似[4，15]。

图7 MBR中污泥粒径的变化
污泥颗粒粒径变小的原因，一方面是由于反应器中泥龄太长；另一方面，为了增强膜面冲刷作用以防止膜污染，反应器中设置了内循环导流板（图1），而污泥絮凝体是由微生物、无机颗粒、ECP和多价态阳离子之间相互作用形成的聚合网状结构，膜面错流产生的机械磨损力和对污泥聚合网状絮凝体的撕裂作用会破坏污泥絮凝体结构，释放出ECP，从而造成污泥颗粒粒径的减小。
2.6 膜区生物相的变化
膜的无选择性分离作用为各种微生物在反应器中的停留和大量生长创造了条件，从而丰富了生物反应器中的微生物相。试验中通过显微镜观察了膜区生物相随运行条件的变化情况。在驯化阶段，污泥外观呈褐色，污泥絮体大而松散，和水相区别明显，生物相中原生动物主要以豆形虫和肾形虫为主；当反应器处于稳定运行阶段时，污泥外观呈黄褐色，絮体变得非常细碎，和水相混合成均一粘稠的液体，污泥过滤性能变差，生物相中原生动物分别以钟虫和累枝虫、固着型吸管虫、楯纤虫为主；在后期阶段，污泥外观呈黄褐色，絮体细小，不易沉降，生物相中原生动物主要以轮虫为主，污泥有明显的老化现象。

3 讨论
（1）在MBR反应器中，稳定状态的污泥浓度随容积负荷的增大而升高；污泥沉降性能随运行时间的延长而变差，但以膜实现泥水分离可以保证出水不受污泥沉降性能的影响。（2）以VSS/SS、脱氢酶活性和SOUR3项指标综合评价MBR中污泥活性，均体现为污泥活性随运行时间的延长而降低，尤其后期污泥出现明显被抑制现象，这与MBR中难降解物质的积累直接相关。（3）MBR的运行特点致使污泥颗粒粒径随运行时间呈减小趋势，即由接种时的46.39μm降至结束时的27.62μm。（4）污泥生物相在运行过程中有着明显的演变规律，即驯化期原生动物以豆形虫和肾形虫为主，稳定运行期以钟虫和累枝虫、固着型吸管虫、楯纤虫为主，后期则以轮虫为主。（5）由于MBR中SMP和ECP的积累对污泥的沉降性能和活性均有较大影响，因此有待进行更为深入的研究，这对维持MBR长期而稳定的运行效果具有重要意义。
参考文献略