微生物的生物膜污染.doc

前言當(dāng)今世界生態(tài)環(huán)境日益惡化，水污染已成為全球性問題，它不僅阻礙了國(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，更影響了人類的生存環(huán)境。隨著水污染的不斷加劇，水處理對(duì)象更為千差萬(wàn)別，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法解決復(fù)雜問題，只有和新技術(shù)相結(jié)合才能有效解決問題?；谝陨显颍鼛啄晁幚砑夹g(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其重要的標(biāo)志就是膜技術(shù)的大量應(yīng)用。雖然膜技術(shù)發(fā)展比較迅速，但與其它技術(shù)相比，發(fā)展歷史比較短，理論基礎(chǔ)尚不夠完善，工業(yè)應(yīng)用存在不足，膜污染成為真正制約膜技術(shù)發(fā)展的最主要因素。膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子和溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)作用或機(jī)械作用而引起的膜表面和膜孔徑內(nèi)吸附、沉積造成的膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特征的不可逆變化現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，膜污染是不可避免的。只要膜與物料發(fā)生接觸，膜污染便會(huì)發(fā)生，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，膜污染將會(huì)加劇，膜的性能也會(huì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致膜通量的下降。因此，研究膜污染的機(jī)理和影響因素、確定膜污染類別、找出控制污染的方法并且恢復(fù)膜通量，一直是膜分離技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。1) 膜污染機(jī)理膜污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，膜是否污染以及污染的程度歸根于污染物與膜之間以及不同污染物之間的相互作用。Howell等認(rèn)為膜污染機(jī)理可以用吸附作用和聚集作用來(lái)描述。其中吸附作用是指膜和溶質(zhì)的相互作用；而聚集作用是指進(jìn)料液中溶質(zhì)間的相互作用，其涉及凝膠、聚合、絮凝、粘附及凝聚等。Kelly等同樣認(rèn)為吸附作用是產(chǎn)生膜污染的主要原因，在研究牛血清蛋白對(duì)微濾膜的污染后，認(rèn)為未凝聚的蛋白質(zhì)由于與二硫化物的相互作用對(duì)已凝聚的蛋白質(zhì)產(chǎn)生吸附，從而造成微濾膜的污染。2) 膜污染種類1 物理污染物理污染主要與懸浮固體顆粒物有關(guān)，如大顆粒無(wú)機(jī)污染物和部分大分子難降解有機(jī)污染物等，它們?cè)趬毫Φ淖饔孟赂淖冞\(yùn)動(dòng)方式，在膜表面附著積累堵塞膜孔形成污染。2 化學(xué)污染化學(xué)污染分有機(jī)污染和無(wú)機(jī)污染2種。有機(jī)污染指天然有機(jī)物在膜表面或膜孔內(nèi)吸附堆積而導(dǎo)致膜孔徑減小，從而使膜通量降低。無(wú)機(jī)污染是由于水的化學(xué)性質(zhì)的改變使水中碳酸鹽、硅酸鹽和氫氧化物等易結(jié)垢的物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉降或膠體富集沉積下來(lái)造成膜的污染。3 微生物污染由于膜表面富集的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)提供特殊的物理化學(xué)和營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，這樣的環(huán)境有利于微生物的繁衍生息，大量的微生物易在膜表面形成一層生物膜，從而造成膜的不可逆阻塞和水通量的下降。以上3者相互結(jié)合、相互關(guān)聯(lián)，并非單一存在，即當(dāng)其中某一污染趨勢(shì)形成，必將加速另2種污染的形成，造成膜污染的加劇。一、膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器(MBR)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但膜污染一直是其廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。據(jù)研究，活性污泥的胞外聚合物(EPS)是一種重要的膜污染因素。二、MBR中的膜污染現(xiàn)象膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜發(fā)生物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。顯然，在MBR中，膜污染的來(lái)源是活性污泥混合液，包括污泥顆粒、膠體物質(zhì)和溶解性物質(zhì)。以上每一部分對(duì)膜污染都有影響，膜污染的大小取決于這三部分對(duì)膜污染的作用的總和。許多研究者分析了各種類型MBR在不同條件下的膜污染情況，并定量描述出每一部分污染物對(duì)膜污染的相對(duì)貢獻(xiàn)的大小，如下圖所示。不同的文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)之間存在較大差異。Lee等人Defiance等人和吳志超等人的研究結(jié)果表明，活性污泥絮體對(duì)膜污染的大小起主要作用，污泥絮體顆粒所形成的阻力約占總污染阻力的63-72； 而Bouhabila等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上清液中的膠體物質(zhì)盡管數(shù)量較少，對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)卻最大，污泥絮體對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)只占總污染阻力的24；而Wisniewski等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶解性物質(zhì)(包括污泥混合液中原有的細(xì)菌殘留物質(zhì)以及混合液在循環(huán)過(guò)程中菌體細(xì)胞所釋放出來(lái)的產(chǎn)物)對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)最大，其分阻力大約能占到總污染阻力的一半以上?？梢姡の廴镜挠绊懸蛩厥呛軓?fù)雜的，隨著實(shí)驗(yàn)條件的改變，各個(gè)因素對(duì)膜污染的影響的相對(duì)大小也隨之改變。三、膜污染的影響因素與控制方法要控制膜污染，首先要深入理解膜污染的影響因素。膜污染的影響因素很多，一般包括膜自身的特性、操作條件和操作方式等，以下分別予以介紹。1) 膜自身的特性 的材料及性質(zhì)一般來(lái)說(shuō)，親水性膜以及電荷與溶質(zhì)所帶電荷相同的膜比較耐污染門。所以，通過(guò)膜表面的改性來(lái)增加膜的親水性，可以減小膜污染。 膜孔徑(或截留分子量)孔徑較大的膜，雖然膜自身阻力較小，初始通量較大，但在過(guò)濾初始階段，通量下降得很快， 膜污染更為嚴(yán)重。這是由于膜孔徑增大，事實(shí)上增大了能夠堵塞膜孔的顆粒的分率：當(dāng)被分離物質(zhì)的尺寸小于或接近于膜iL徑時(shí)，在膜過(guò)濾壓差的推動(dòng)下，很容易被溶劑帶向膜面，從而堵塞膜孔。而當(dāng)被分離物質(zhì)的尺寸大于膜孔徑時(shí)，這些顆粒只能停留在膜表面，因而更容易被水力沖刷所去除。2) 操作條件 錯(cuò)流速度(分體式MBR)或曝氣流速(一體式MBR)在分體式MBR中，較高的錯(cuò)流速度可以保證足夠大的膜面剪切力，消除濃差極化的影響，從而減輕膜污染。 反應(yīng)器內(nèi)的湍動(dòng)程度在曝氣或機(jī)械攪拌的作用下，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生湍動(dòng)。湍動(dòng)的加劇，一方面使得污泥絮體破碎，粒徑減小，而污泥粒徑減小會(huì)加重膜的污染；另一方面，湍動(dòng)加劇又有利于對(duì)膜表面的濾層進(jìn)行沖刷。兩種相反因素同時(shí)作用于膜污染?？梢?，湍動(dòng)并不是越劇烈越好，此外，湍動(dòng)加劇還導(dǎo)致了能耗的增加。 污泥停留時(shí)間SRT 污泥濃度 污泥懸浮物的粒度分稚 泥混合液的特性 胞外聚合物EPS和溶解性微生物產(chǎn)物SMP近年來(lái)的研究表明，胞外聚合物EPS和溶解性微生物產(chǎn)物SMP(soluble microbial products)對(duì)膜污染有重要影響。兩者都是微生物的代謝產(chǎn)物。研究結(jié)果表明，不論污泥處于何種生理狀態(tài)，污泥中EPS的含量越高，膜污染就越重，因而得出結(jié)論：在MBR中，活性污泥中的EPS的含量可以作為膜污染的可能的指數(shù)。 溫度和pH值3) 操作方式綜上所述，膜污染的研究雖然較多，但還很不充分，膜污染問題仍然是制約MBR進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的主要因素?，F(xiàn)有的膜污染控制方法很多，如臨界通量下的恒通量操作，間歇抽吸，反向脈動(dòng)與膜表面改性的結(jié)合等。雖然這些方法可以在一定程度上減輕膜污染，但都沒有從膜污染的根源上來(lái)解釋膜污染的機(jī)理，所以未能有效地解決膜污染問題。最近的研究表明，微生物代謝生成的胞外聚合物(extracellular polymeric substancesEPS)是一種重要的膜污染物，從而可以作為衡量膜污染大小的一項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)的報(bào)道，活性污泥中的EPS可分為兩類：污泥絮體表面的結(jié)合態(tài)EPS(包括外鞘、膠囊聚合物、濃縮凝膠、松散結(jié)合的聚合物以及所附著的有機(jī)物質(zhì))和上清液中的溶解態(tài)EPS(包括溶解態(tài)大分子、膠體和粘液)。當(dāng)前有關(guān)EPS對(duì)膜污染的影響的研究大多集中于EPS的數(shù)量和膜污染的關(guān)系，有關(guān)EPS組成的影響的研究卻很少。事實(shí)上，EPS的組成可能也是一種重要的膜污染因素。EPS是一種復(fù)雜的混合物，包括蛋白質(zhì)、多糖和DNA等。每種成分的物理化學(xué)性質(zhì)各異，則其對(duì)膜污染的影響也就可能不同。分析污泥組成和膜污染的關(guān)系，對(duì)于深入探究膜污染的機(jī)理，很有必要。此外，由于EPS的提取效率較低，以及污泥絮體中其它物質(zhì)的可能的干擾，使得所提取的EPS也許不能充分而精確地反映絮體中EPS的總體的特征。另外，盡管EPS對(duì)膜污染有重要影響，但它可能不是引起膜污染的唯一因素。據(jù)報(bào)道細(xì)菌菌體和膜材質(zhì)之間存在著疏水相互作用。因此，對(duì)于膜污染的研究，除了EPS，還有必要對(duì)絮體中微生物聚合物的總體進(jìn)行考察。MBR中的膜污染是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象。微生物聚合物的數(shù)量和組成可能會(huì)受到系統(tǒng)的操作參數(shù)，如曝氣量、SRT以及進(jìn)水組成的影響，同時(shí)也會(huì)隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，進(jìn)而對(duì)膜污染產(chǎn)生影響。四、曝氣量對(duì)MBR中微生物聚合物的數(shù)量和組成以及對(duì)膜污染的影響曝氣量是MBR操作過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。在廢水生物處理過(guò)程中，曝氣系統(tǒng)起著非常重要的作用：它不僅為微生物供氧，以維持其正常的生理活動(dòng)，同時(shí)還產(chǎn)生充分的擾動(dòng)，以使污泥處于懸浮態(tài)。此外，在MBR中，曝氣形成的水力沖刷作用還可以有效地抑制污染物在膜表面的沉積。在MBR中，曝氣量的增加顯然可以減小膜污染，這方面的研究也已很多。但是，這些研究都是著眼于曝氣引起的水力沖刷作用對(duì)膜污染的影響。事實(shí)上，曝氣量的大小還可以影響微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，影響微生物聚合物的數(shù)量和組成，進(jìn)而可能對(duì)膜污染造成影響。為此，考察了MBR的長(zhǎng)期運(yùn)行中，曝氣量對(duì)污泥混合液中以及膜表面上的微生物聚合物(包括溶解態(tài)EPS、結(jié)合態(tài)EPS和污泥絮體中的總多聚物)的數(shù)量和組成的影響，以及對(duì)膜污染的影響，以探討該實(shí)驗(yàn)條件下的膜污染機(jī)理，為實(shí)際運(yùn)行過(guò)程提供一定的理論依據(jù)。經(jīng)過(guò)閱讀文獻(xiàn)，得出如下結(jié)論：(1)曝氣量對(duì)MBR的污染物去除效果具有重要影響。曝氣量增加時(shí)，上清液的COD增加，膜出水的COD減小。而上清液和膜出水的NH3-N的濃度差別較小，并且均隨著曝氣量的增加而減小。(2)曝氣量對(duì)污泥混合液中的溶解態(tài)EPS、結(jié)合態(tài)EPS和絮體總多聚物的數(shù)量和組成具有重要影響。對(duì)于同一曝氣量不同時(shí)間的情況，結(jié)果表明：溶解態(tài)EPS隨時(shí)間的延長(zhǎng)經(jīng)歷了先積累、后降解的過(guò)程；而結(jié)合態(tài)EPS和絮體中總多聚物的數(shù)量的變化幅度都較小，可以看到總體上隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈緩慢下降的趨勢(shì)。對(duì)于同一時(shí)間不同曝氣量的情況，結(jié)果表明：總體上看，隨著曝氣量的增加，溶解態(tài)EPS的數(shù)量增大；但是，對(duì)于結(jié)合態(tài)EPS和絮體中總多聚物來(lái)說(shuō)，其數(shù)量都隨著曝氣量的增加而減小。(3)膜上附著的微生物聚合物的組成取決于污泥混和液中的相應(yīng)組成和膜表面的疏水性二者的復(fù)合影響，該復(fù)合影響在整個(gè)過(guò)濾過(guò)程都起作用，先是污泥混合液中的組成起主要作用，到一定時(shí)間后，膜表面的疏水性逐漸成為了主要的影響因素。(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：隨著操作周期數(shù)的增加，膜表面的疏水性和膜的不可逆污染阻力都在逐漸增加；結(jié)果表明，膜表面的疏水性與膜對(duì)蛋白質(zhì)的選擇性吸附之間，存在著相互促進(jìn)的關(guān)系；這兩者之間的相互促進(jìn)，同時(shí)也導(dǎo)致了膜的不可逆污染阻力隨時(shí)間的逐漸累積。 五、進(jìn)水組成對(duì)MBR中微生物聚合物的數(shù)量和組成及對(duì)膜污染的影響碳源、氮源和磷源是微生物生長(zhǎng)、繁殖所必需的3種基本的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。但是許多工業(yè)廢水(如食品工業(yè)廢水、釀造廢水、制藥廢水、皮革廢水和化工廢水等)都存在氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素缺乏的問題。而當(dāng)前MBR在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正在不斷拓寬。當(dāng)MBR中缺氮或缺磷時(shí)，微生物的生長(zhǎng)特性(如微生物的活性、群落及數(shù)量等)可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而對(duì)膜污染產(chǎn)生影響。研究表明，進(jìn)水組成改變時(shí)，MBR的出水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。，進(jìn)水正常和進(jìn)水限磷時(shí)，MBR對(duì)COD的去除效果較好，在兩個(gè)階段的平均去除率都保持在97以上；而進(jìn)水限氮時(shí)的去除效果較差，平均去除率只有88左右。顯然，進(jìn)水限氮時(shí)，微生物的活性大大降低了。這是因?yàn)榈厥俏⑸锖铣傻鞍踪|(zhì)必不可少的基本元素，進(jìn)水限氮時(shí)，微生物合成蛋白質(zhì)的過(guò)程受到抑制，從而影響到微生物的活性。同時(shí)，進(jìn)水限氮時(shí)，反應(yīng)器中的微生物群落可能也發(fā)生了相應(yīng)的改變：一些菌種由于不能適應(yīng)缺氮的環(huán)境，逐漸衰落或死亡：而另一些菌種在此環(huán)境下適應(yīng)力較強(qiáng)，逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種。六、引起膜污染的主要原因通過(guò)考察了在浸沒式MBR的長(zhǎng)期運(yùn)行中，曝氣量與進(jìn)水組成這兩個(gè)因素對(duì)污泥混合液中以及膜表面上的微生物聚合物(包括溶解態(tài)EPS、結(jié)合態(tài)EPS和污泥絮體中的總多聚物)的數(shù)量和組成的影響，對(duì)污泥有關(guān)特性的影響，以及對(duì)膜污染的影響。其中，引起膜污染有以下幾個(gè)原因：(1)曝氣量對(duì)MBR的處理效果具有重要影響。曝氣量增加時(shí)，上清液的COD增加，膜出水的COD減??；而上清液和膜出水的NH3一N濃度均隨著曝氣量的增加而減小。（2）曝氣量對(duì)污泥混合液中的微生物聚合物的數(shù)量和組成具有重要影響。 (3)膜上附著的微生物聚合物的組成取決于污泥混和液中的相應(yīng)組成和膜表面的疏水性二者的復(fù)合影響。(4)膜表面的疏水性與膜對(duì)蛋白質(zhì)的選擇性吸附之間，存在著相互促進(jìn)的關(guān)系；這兩者之間的相互促進(jìn)，同時(shí)也導(dǎo)致了膜的不可逆污染阻力隨時(shí)問的逐漸累積。(5)曝氣對(duì)膜表面污染物的數(shù)量和組成的綜合影響為增大曝氣量可以減輕膜污染這一現(xiàn)象提供了新的解釋。(6)進(jìn)水組成對(duì)MBR的處理效果具有重要影響。進(jìn)水正常和進(jìn)水限磷時(shí)，MBR對(duì)COD的平均去除率都在97以上；而進(jìn)水限氮時(shí)的平均去除率只有88左右。(7)進(jìn)水組成對(duì)污泥混合液中的微生物聚合物的數(shù)量和組成具有重要影響。其中，進(jìn)水限氮對(duì)微生物聚合物的數(shù)量和組成影響較大。 (8)在不同進(jìn)水組成條件下，膜上附著的溶解態(tài)EPS、結(jié)合態(tài)EPS和總多聚物的pc總體上隨著操作周期數(shù)的增加而增大。(9)進(jìn)水中限氮或限磷均會(huì)加重膜的污染，尤以限氮時(shí)更為嚴(yán)重。(10)進(jìn)水組成對(duì)MBR中的微生物種類具有重要影響。影響大小為：進(jìn)水限氮進(jìn)水限磷進(jìn)水正常。(11)進(jìn)水組成對(duì)污泥絮體的相對(duì)疏水性和膜表面的疏水性具有重要影響。污泥絮體的相對(duì)疏水性和膜表面的疏水性的大小順序均為：進(jìn)水限氮進(jìn)水限磷進(jìn)水正常。(12)進(jìn)水組成對(duì)膜污染的影響可以解釋如下： 進(jìn)水中限氮或限磷時(shí)，污泥與膜之間的疏水相互作用增強(qiáng)，加速了污染物在膜表面的沉積或吸附。 統(tǒng)中缺氮或缺磷時(shí)，污泥中絲狀菌的相對(duì)數(shù)量增加。絲狀菌通過(guò)壓緊、固定等作用，也加速了膜的污染。參考文獻(xiàn)：【1】 顧國(guó)維，何義亮。膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用?！?】 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