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翻译一：

膜科学杂志

单级MBR性能和膜清洗的比较

活性污泥系统和用于处理合成糖蜜废水的两阶段厌氧/好氧（A/A）系统

文章信息

文章历史：

2011年9月7日收到2011年12月13日修订版

2011年12月16日接受

2011年12月24日在线提供

关键词：

糖蜜废水

厌氧/好氧废水处理MBR

SMP/bound EPS膜污染膜清洗

摘要

建立了两个试验系统：由膜生物反应器（MBR^UASB）串联的上行厌氧污泥床（UASB）反应器和单一好氧MBR系统（MBR^AER）。除了可比较的化学需氧量（COD）之外，两种MBR的含量都不同，因为MBR^UASB由UASB处理过的糖浆废水供给，而MBR^AER直接由更稀释的合成糖浆废水供给。这两种膜生物反应器之间发现了微生物生长过程中的微生物生长，可溶性微生物产物（SMP）和MBRs中结合的胞外聚合物（EPS），不同的膜生物反应器性能（膜滴定和结垢行为）以及膜清洗结果。扫描电子显微镜（SEM）分析，能量色散X射线（EDX）分析和不同的清洗结果表明，MBR^UASB中的膜污染层含有比MBR^AER中更多的无机组分。这与SMP的高水平和污泥中较小的颗粒尺寸一起导致MBR^UASB中的污染速率比亚临界使用条件下的MBR^AER高得多。

1.介绍

糖蜜是蔗糖厂中最重要的副产品，因为它作为发酵工业中用于生产氨基酸和生物醇的碳源具有很高的商业价值。由于有机物浓度高，这些工厂生产的糖蜜废水可能会对环境造成严重的问题[1]。例如，酒精蒸馏器可能产生大量生物需氧量（BOD）（35,000-60,000mg/L），高化学需氧量（COD）的废水（废洗）产生的大量（高达15L/L酒精产生）60,000-100,000mg/L和低pH（lt;4.0-4.5）[2]。好氧和厌氧生物过程是糖蜜废水处理的两种选择。与好氧工艺相比，厌氧工艺显示出几个优点，如能源需求降低，污泥产量低，营养需求低，甚至产生甲烷作为潜在能源。另一方面，厌氧过程的一些缺点是可能需要增加碱度[3]和中等到很差的效果质量[4]。因此，污水处理厂通常采用两级厌氧/好氧（A/A）系统。

膜生物反应器（MBR），即膜过滤和生物活性污泥过程的组合，现在越来越多地用于废水处理，以实现更高的排放要求。与传统的活性污泥工艺相比，MBR工艺具有几个优点，如占地面积小，质量高，消毒能力强，容积负荷高，污泥产量低[5]。因此，MBR工艺可能是单级（有氧）和两级（A/A）生物工艺的升级技术。尽管有上述优点，但膜污染仍然是限制MBR经济效益的最重要因素。Le-Clech等人[6]报道了几种与膜污染有关的因素，如膜特性，饲料生物量特性，操作条件等。许多研究表明，特别是结合的胞外聚合物物质（EPS）和可溶性微生物产物（SMP）与膜生物污染密切相关[7–11]。

本文探讨了分别应用于单级好氧活性污泥系统和用于处理糖蜜废水的厌氧后处理系统中的两种MBR的膜性能和清洁效果。每个MBR都供应含有可比COD的溶液。其中之一是由a合成糖蜜废水培养的，而另一个是用UASB的一种有效成分来处理最初浓度较高的合成糖浆废水。尽管MBR的含量因此处于相似的COD浓度，但厌氧反应器的效果特征与原始废水的特征明显不同。这是在这里研究的这些差异对膜性能和清洁的影响，以及最终效果的质量。

2.材料和方法

2.1实验装置

图中显示了两个中试规模系统图.1，位于比利时WATERLEAU Group NV的试验室。两阶段系统由UASB系统和有氧MBR（MBR^UASB）组成。UASB系统包含一个19升UASB反应器和一个8升再循环罐。MBR^UASB和单级好氧MBR（MBR^AER）的初始水力停留时间约为30小时。在UASB系统中使用循环泵以提供最佳的上升速度和油泵。上升速度是0.8米/小时。MBR^UASB的内含物取自塔顶回收罐。在实际开始实验之前，厌氧污泥用含糖废水喂养超过3个月。两个MBRs的好氧污泥来自同一个活性污泥源。两个膜片（日本TORAY）分别垂直安装在两个MBR中。膜由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成，平均孔径为0。08mu;m。每个有效的过滤面积膜为0.1m²。两个曝气泵提供了一个恒定的空气流量为1Nm³/h，以在膜表面产生空气剪切，混合悬浮液并在整个实验中保持溶解氧（DO）浓度gt;3mg/L。通过蠕动泵（Watson Marlow 323Du,UK）收集渗透物，为两种膜提供恒定的操作。TMP通过压力传感器测量（Endress Hauser，瑞士）。通过计量泵（格兰富，丹麦）进行UASB和再循环罐之间的进料，pH控制和循环物流。使用加热线圈将UASB的温度维持在30-35℃，并且两个MBR在15℃左右运行。

表格1UASB和两个MBR的Inuent特性（mg/L）

^a25个测量样品。

^b21个测量样品。

2.2培养特性

糖蜜用作制备合成废水的储备溶液。两个反应器分别供应这样的糖蜜废水，分别用于两阶段系统和单一好氧MBR系统，通过将原糖蜜稀释约600倍和1500倍。为了满足反应器中微生物的营养需要，使用尿素和焦磷酸钠来调节COD:N:P比率。两种系统和UASB（即MBR^UASB的含量）的含量的特征列于表格1。

2.3膜操作和清洁

实验进行了65天。在第一次19天，两种膜的通量相似（MBR^UASB约为16L/（m²/h）和MBR^AER约为17L/（m²/h)。从第20天到第34天，MBR^AER的膜通量增加到25L/（m²/h）以便在更高的通量下研究膜性能，之后再次降低到大约16L/（m²/h）。化学清洗程序在温度（15或40℃），浸泡时间（1,2或4h）和化学品（次氯酸钠或柠檬酸）方面不同。详细信息显示在表2和3Bartlett等人[12]报道说，只要膜材料保持稳定，提高的清洁温度对膜的回收率提供了积极的影响。在为了避免膜结构分解，选择了40℃作为清洁的最高温度，15℃度的自来水。在每次化学清洁之前和之后进行物理清洁（用自来水清洗膜表面）。当膜尚未使用且每次清洁后，始终在相同温度下进行清洁水渗透性测试。

表2 MBR中膜的清洗程序

2.4 分析方法

2.4.1可溶性微生物产物（SMP）分析和结合胞外聚合物（EPS）

从两个MBR收集20ml污泥样品10次。样品储存在4℃冰箱中过夜测量。SMP和结合EPS的特征是它们的蛋白质和碳水化合物的相对含量。首先，将样品在4000rpm下离心5分钟。然后用孔径为0.22mu;m的滤纸过滤上清液。渗透物用于SMP分析，而沉降固体用于进一步制备结合EPS样品。Le-Clech等人描述的加热方法[6]被用作结合EPS的提取方法。将沉降的固体与20ml Milli-Q水混合并通过在80℃的水浴加热10分钟。然后将样品在7000rpm下离心10分钟。上清液用孔径为0.22mu;m的过滤器过滤。渗透液已准备好进行结合EPS分析。用分光光度计（Bio-Rad Benchmark Plus，USA）分别在490nm和595nm测量SMP的蛋白质和碳水化合物样品以及结合的EPS。该方法基于蛋白质的Bio-Rad蛋白质测定法（Bio-Rad Laboratories Inc，USA）和用于碳水化合物的酚-硫酸法[13]。

2.4.2粒度分布（PSD）分析

使用电感应区法（Multisizer^TM值3 Coulter Counter，Beckman Coulter，USA）分析污泥样品的PSD。

2.4.3扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线（EDX）测量

对于SEM分析，在实验结束时从每个膜组件切下一片膜。样品保存在其原始污泥液中，并保存在4℃。在分析之前，将样品在20℃72小时内干燥。为了确定犯规，

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