基于混合液特性调节控制MBR中膜污染的最新研究进展

潘国权+余佳恒
摘要:膜污染是制约膜生物反应器发展与应用的主要因素,传统的膜污染控制方法主要包括增加曝气量、选择合适的过滤条件、膜清洗等。而基于混合液特性调节的方法对膜污染进行控制是一种效果显著、作用直接的方法,有较好的研究价值和应用前景。本文总结了近年来该领域的主要研究进展,以期为该领域研究和实践工作的进一步开展提供参考。
关键词:膜生物反应器;膜污染控制;群体淬灭
中图分类号:X131 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2017)04-0139-03
DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.067
Abstract:Membrane fouling is one of the main restriction factors to limit the broad application of membrane bio-reactor. Conventional fouling control methods consist of aeration, filtration condition optimization and membrane cleaning. Mixed liquor adjustment is one of the most effective ways to mitigate membrane fouling with favorable research value and application prospect. The article summarized the main research progress in the field to provide conferences in researches of this field.
Key words:Membrane bio-reactor;Membrane fouling control;Quorum quenching
膜生物反應器(简称MBR)是将生物处理和膜过滤技术有机结合的产物。膜生物反应器技术与传统生物技术相比具有污泥浓度高、可应用范围广、处理效果好等优点[1-2]。尽管膜生物反应器工艺具有显著的优势,然而在实际应用推广过程中,膜污染问题成为其无法回避的一大难题。膜污染是在MBR运行过程中,由于各类膜污染物吸附在膜表面,从而导致反应器过滤性能下降的现象[3],如何有效控制膜污染成为MBR研究中的重点和难点。传统的膜污染控制方法主要由曝气冲刷、过滤条件优化、定期清洗等方面组成,然而这些常规方法通常会带来能耗增加(曝气)、膜通量较低(次临界通量运行)、无法连续运行(离线膜清洗)等问题。近年来,通过对MBR反应器中混合液的特性进行调控来减缓膜污染成为国内外的一项研究热点。该方向主要通过向混合液中投加吸附剂、颗粒物、淬灭剂等物质来达到膜污染控制的目的。本文总结了近年来通过混合液调节控制膜污染的研究,阐明不同类物质的膜污染减缓机制,以期为国内外同类研究和进一步工程应用提供参考。
1 基于混合液特性调节控制MBR中膜污染技术的机制研究
在通过调节混合液特性来减缓膜污染的研究中,各种类型吸附剂、颗粒物和淬灭剂被认为是最为有效的几种投加物。为研究不同投加物的膜污染减缓过程,分析各类环境下投加物在MBR混合液中的作用机制,对几种类型进行归纳研究。
1.1 吸附剂
用投加吸附剂的方法进行膜污染控制的研究已有较长时间的历史,其中对粉末活性炭(Powdered Activated Carbon, PAC)的应用最为广泛[4]。向MBR中投加吸附剂一方面能够为微生物提供附着生长的环境,另一方面PAC类吸附剂的多孔结构能够有效吸附混合液中以溶解性微生物代谢产物(Soluble Microbial Products, SMP)为代表的小分子膜污染物,从而提高临界通量,增加反冲洗周期。Damayanti等[5]在使用MBR处理棕榈油废水的过程中比较了PAC、沸石和辣木对膜生物污染减缓的作用,发现在吸附剂的作用下,混合液中的SMP浓度分别有不同程度的下降。吸附剂对膜污染物的去除是物理吸附过程,吸附量受到吸附剂投加量、混合液温度等参数的影响。赵英等[6]研究了吸附剂投加量对膜污染控制的影响,发现1g/L和2g/L的PAC投加量下混合液中膜污染物的浓度相近,证明1g/L的投加量已经能够较好的吸附混合液中的小分子有机物。Torretta等[7]则进一步研究了不同温度下吸附剂投加量的最佳值,得到12℃和22℃两种混合液温度下,最有效的PAC投加量均位于低水平值上(2mg/L和5mg/L),温度对吸附效率的影响可以忽略。
除对膜污染物的直接去除外,吸附剂还可以通过改善污泥特性而达到控制膜污染的目的。Satyawali等[8]发现向MBR中投加PAC会导致混合液中SMP的组成改变,蛋白质/多糖比显著升高,污泥沉降性能提升。另一项利用沸石的研究得到了类似的结论[9]:相比于传统MBR系统,投加了沸石的MBR中大污泥颗粒的比率升高,SMP浓度下降50%,跨膜压差降低66%。
1.2 颗粒物
在浸没式MBR系统中,曝气过程带来的水力剪切作用是最为常用的膜污染控制手段。而高强度的曝气条件一方面消耗电力能源,另一方面会导致混合液中微生物新陈代谢变化,释放出更多的EPS、SMP等膜污染物质。为强化曝气过程中的膜污染控制,曝气+悬浮颗粒物的复合方法逐步被开发出来。悬浮颗粒物在曝气的作用下不断与膜表面产生摩擦作用,从而达到减少膜表面滤饼层形成、延长反冲洗周期和提高膜通量的目的。颗粒物的投加可以有效代替部分曝气所产生的膜污染控制作用。Siembida等[10]发现与普通MBR相比,曝气+颗粒物的MBR出水通量提升了20%,颗粒物带来的摩擦作用有效减少了滤饼层的形成。Pradhan等[11]同样指出投加颗粒物可以在曝气的基础上进一步减缓膜污染过程,并且其带来的效果可以与将曝气量提升2倍接近。在长期操作的条件下,混合液中的颗粒物同样能够有效控制膜污染。Krause等[12]通过8个月的连续运行发现含有颗粒物的MBR反应器中膜过滤性能未发生明显降低,而普通的MBR已经需要通过化学方法进行清洗。
常用的膜污染控制颗粒物包括颗粒活性炭(GAC)、聚乙二醇颗粒(PEG)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等,颗粒物的投加效果与膜组件结构也有很大关系。Kwon等[13]发现颗粒物在平板膜MBR中的滤饼层控制效果要优于中空纤维膜MBR,这主要是因为平板膜元件中间的空隙更有利于颗粒物的运动。
1.3 淬灭剂
群体淬灭法(Quorum Quenching,QQ)是近几年新出现的一种膜污染控制技术,通过抑制微生物的群体感应(Quorum Sensing,QS)过程,包括环境中信号分子的感知、与临近细菌发生协同效应进行基因表达等。QS过程由自诱导物质(即信号分子)与受体蛋白的相互作用决定,从而调节微生物的一系列的生物学行为,包括SMP和EPS的释放、胞外酶的分泌和生物膜的形成[14],见图2。
由于MBR中膜表面的滤饼层由细菌、EPS和SMP等物质混合组成,因此通过抑制微生物的QS过程可以有效控制膜污染。群体淬灭法(QQ)通过破坏信号分子和受体蛋白的作用过程来抑制微生物QS作用。常见的影响机制分为三类:干扰信号分子的生成(如三氯生抑制烯酰基ACP还原酶的生成)、降解信号分子(如内酯酶和酰基转移酶降解革兰氏阴性菌中的信号分子)和对受体蛋白进行竞争(如海洋红藻分泌的卤化呋喃酮代替信号分子和受体蛋白结合)。
可用于QQ过程的淬灭剂来源广泛,包括植物中获得的淬灭剂、动物中提取的淬灭酶和微生物中分离的淬灭菌。Zhang等[15]从罗萨玫瑰中提取出茶多酚,发现640 mg/L的茶多酚可以抑制大肠杆菌K-12和铜绿假单胞菌生物膜的形成。而Yeon等[16]则从猪肾中提取酰胺转移酶并将其投入到MBR中,达到调节MBR中EPS的浓度、降低微生物的QS效果。淬灭菌可以通过基因工程的手段得到,Oh等[17]对大肠杆菌进行重组并投入到MBR中,成功地使其分泌信号分子酰基转移酶(AHL-acylase),从而减缓了膜污染。
将三种主要的混合液特性调节法的特点总结,见表1。
2 基于混合液特性调节控制MBR中膜污染技术的发展趋势
2.1 吸附剂
吸附剂的投加可以有效的减少MBR中的膜污染物浓度,然而对于不同吸附剂种类,最佳投加量的确定是目前制约其大规模应用的主要因素。过量的吸附剂会导致混合液粘度增加,污泥解体,降低污泥的脱水性。而吸附剂投加过少则有可能使其本身成为膜污染物的一部分,促进滤饼层的形成或者堵塞膜孔。此外,Iorhemen等[18]发现吸附剂的投加可能导致混合液中EPS分泌增多,主要是由于吸附剂将混合液中的有机物迅速吸附到其表面,导致混合液中的可降解有机物浓度降低,从而加速的微生物细胞的自我分解作用。因此,吸附剂的最佳投加量研究是未来一段时间该方法的主要研究内容。
2.2 颗粒物
利用混合液中投加的颗粒物产生的摩擦作用来替代高强度曝气已成为MBR膜污染控制领域的一项新的发展趋势。尽管该方法可以有效减缓膜表面污染层的形成,颗粒物与膜表面的碰撞可能带来膜本身的损伤,而损伤程度与曝气强度成正比,因此应当选择合适的曝气强度。其次,颗粒物可能导致污泥絮体的解体,释放出EPS、SMP等膜污染物从而加速膜污染过程,通过选择合適的颗粒物可以减少该方面的负面影响。最后,与传统的MBR相比,应当对膜组件进行改造以适应颗粒物的运动。对平板膜来说,应当在膜元件间保持一定的间隔;而中空纤维膜可以通过适当增加膜丝的长度来增加颗粒物与膜丝的接触面积。
2.3 淬灭剂
群体淬灭法(QQ)作为一种新兴的膜污染减缓方法,通过直接控制微生物的群体感应过程来调节为细菌代谢。尽管显现出较好的研究价值和应用前景,QQ仍然存在着很多的问题需要解决。比如在淬灭酶的使用过程中,酶分子会随着操作时间的增加而流失,将其固定化的方法有望解决这个问题。此外,微生物的自适应能力使得部分细菌在淬灭剂的作用下可以产生抗性,因此需要在长期运行过程中研究淬灭剂的有效性。目前大部分QQ的研究还停留在实验室探索阶段,在实际的MBR反应器中考察其运行效果的研究需要继续进行,包括各项反应条件和技术参数的优化。
3 结论与展望
膜污染作为MBR广泛应用中必须要解决的问题,近几十年来国内外学者对其进行了大量的研究。而基于混合液特性调节的方法对膜污染进行控制是众多主流研究方向之一。混合液调节主要通过投加不同种类的物质来实现,包括吸附剂、颗粒物、淬灭剂等,作用对象分别为膜污染物、膜污染层以及微生物代谢过程。尽管该方向的研究已经取得了一定的进展,然而大部分报道局限在实验室小试阶段,在大型和实际的MBR反应器中如何有效应用仍需要进一步的研究。本文总结了现有研究成果,以期为该领域的继续探索和工程应用提供参考。
参考文献
[1]胡政波. 膜生物反应器污水处理技术[J]. 北方环境, 2010, 22(1).
[2]牛涛涛, 汪建根, 李振玉, 等. 膜生物反应器处理污水的研究进展[J]. 内蒙古环境科学, 2008 (2).
[3]宋万召, 杨云军. 膜生物反应器膜污染机理及控制措施分析[J]. 北方环境, 2012 (5): 177-179.
[4]李绍峰, 高元. PAC 影响 MBR 污泥混合液特性及膜污染研究[J]. 环境科学, 2011, 32(2): 508-514.
[5]Damayanti A, Ujang Z, Salim M R. The influenced of PAC, zeolite, and Moringa oleifera as biofouling reducer (BFR) on hybrid membrane bioreactor of palm oil mill effluent (POME)[J]. Bioresource technology, 2011, 102(6): 4341-4346.
[6]赵英, 于丹丹, 秦东平, 等. PAC 投加量对 MBR 混合液性质及膜污染的影响[J]. 水处理技术, 2005, 31(11): 52-55.
[7]Torretta V, Urbini G, Raboni M, et al. Effect of powdered activated carbon to reduce fouling in membrane bioreactors: A sustainable solution. Case study[J]. Sustainability, 2013, 5(4): 1501-1509.
[8]Satyawali Y, Balakrishnan M. Effect of PAC addition on sludge properties in an MBR treating high strength wastewater[J]. Water research, 2009, 43(6): 1577-1588.
[9]Rezaei M, Mehrnia M R. The influence of zeolite (clinoptilolite) on the performance of a hybrid membrane bioreactor[J]. Bioresource technology, 2014, 158: 25-31.
[10]Siembida B, Cornel P, Krause S, et al. Effect of mechanical cleaning with granular material on the permeability of submerged membranes in the MBR process[J]. Water research, 2010, 44(14): 4037-4046.
[11]Pradhan M, Vigneswaran S, Kandasamy J, et al. Combined effect of air and mechanical scouring of membranes for fouling reduction in submerged membrane reactor[J]. Desalination, 2012, 288: 58-65.
[12]Krause S, Zimmermann B, Meyer-Blumenroth U, et al. Enhanced membrane bioreactor process without chemical cleaning[J]. Water Science and Technology, 2010, 61(10): 2575-2580.
[13]Kwon D, Chang H, Seo H, et al. Fouling behavior and system performance in membrane bioreactor introduced by granular media as a mechanical cleaning effect on membranes[J]. Desalination and Water Treatment, 2016, 57(19): 9018-9026.
[14]張海丰, 于海欢. 基于群体淬灭理论 MBR 减缓膜污染研究进展[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(003): 764-769.
[15]Zhang J, Rui X, Wang L, et al. Polyphenolic extract from Rosa rugosa tea inhibits bacterial quorum sensing and biofilm formation[J]. Food Control, 2014, 42: 125-131.
[16]Sensing Q. A New Biofouling Control Paradigm in a Membrane Bioreactor for Advanced Wastewater Treatment Yeon[J]. Environmental Science Technology, 2012, 43(2): 380-385.
[17]Oh H S, Yeon K M, Yang C S, et al. Control of membrane biofouling in MBR for wastewater treatment by quorum quenching bacteria encapsulated in microporous membrane[J]. Environmental science & technology, 2012, 46(9): 4877-4884.
[18]Iorhemen O T, Hamza R A, Tay J H. Membrane Bioreactor (MBR) Technology for Wastewater Treatment and Reclamation: Membrane Fouling[J]. Membranes, 2016, 6(2): 33.
作者简介:潘国权(1981-),男,安徽怀宁人,硕士研究生,工程师,从事环境科研及咨询方面工作。