孙晓航：MBR系统中微生物降解过程的跟踪监测

时间：2020-02-21 11:39

来源：中国水网

作者：孙晓航翻译

接种后，开始进行膜过滤。将膜出水再循环回生物反应器，以确保没有细菌从系统中丢失。在采样前分配了几个生物反应器HRT以确保达到稳定状态。基于生物反应器内容物和膜渗透物的协调抓取样品计算污染物LRV。因此，报告的LRV代表整个膜过滤系统的去除能力（例如从混合液到膜渗透物）。

在采样的同时进行压力衰减测试，并记录了在线采样时的渗透物浊度。

阶段2

在阶段2中，生物反应器将未经筛分的市政污水作为中试原料连续运行。该测试的目标生物是全部本地菌群和粪便大肠菌、大肠杆菌和噬菌体。这些细菌生长在自然界的污水中，不需要接种。

根据筛选后的原污水、生物反应器内容物和膜渗透物的抽取整合样本来计算污染物LRV。计算了膜过滤系统的LRV（混合液至膜渗透物）和整个MBR（流入污水至膜渗透物）。

全面监测

渗透量通过微生物（总大肠菌群、大肠杆菌、粪大肠菌群）和浊度来量化。在膜过滤后和消毒前立即收集所选单元的样品。选择了十组MBR单元进行渗透量评估。

结果和分析

生物反应器固体对污染物LRV的影响

第一阶段的测试清楚地表明了混合液生物反应器固体对污染物LRV的重要性。在阶段1c（MBR模式）中，污染物LRV始终高于纯净水或带微球的纯净水（阶段1a和1b）。当膜被故意损坏时尤其如此。诸如针孔之类的较小损坏在1c阶段对LRV的影响可忽略不计，但在1a和1b阶段则对LRV产生了重大影响（见图1）。要观察MBR操作中对污染物LRV的显著影响，需要大量的膜损伤，例如多条纤维切割。假设污染物会吸附到混合液中更大的絮体上，该絮体对完整和损坏的膜都具有很高的排斥性。此外，在膜表面可能存在大量的动态过滤层，无论膜破裂与否，都能提供一定程度的过滤。

评估膜压力衰减和渗透物浊度以监测和验证污染物LRV

确定了两种监测和验证污染物LRV的潜在方法：

A) USEPA膜过滤指南手册中概述的压力衰减测试。

B) 在线监测膜渗透物浊度。

通过压力衰减测试计算污染物LRV确定的几个关注点。包括：

（1）基于饮用水应用的压力衰减LRV模型，并且未考虑MBR应用中污染物吸附到混合液基质上的情况。

（2）压力衰减LRV模型不考虑在膜表面上产生的动态过滤层。对于饮用水应用，这个问题是公认的，而对于MBR应用来说这个问题可能会更加严重，因为在MBR应用中，混合液体基质可以形成比饮用水应用过程中更为有效的过滤层。

（3）LRV模型需要使用体积浓度系数（VCF），该系数说明了与饮用水相比，膜周围固体浓度的增加程度。该因素不能解释MBR生物反应器中发生的生物量增长或与批处理污泥消耗相关的VCF降低。

（4）压力衰减监测是间歇性的，不能提供连续监测。定期进行压力衰减监测会增加膜过滤的停机时间和系统成本。

图1 采用ZW10模块下针孔和纤维断裂对MS2 LRV的影响

压力衰减测试的实验评估

在第一阶段进行了压力衰减测试，根据USEPA膜过滤指导手册计算中的概述估算了污染物LRV。假设VCF为200进行计算。预测的LRV值基于典型泡点压力（小于0.3 bar）下的压力衰减率，理论上只能检测到6微米的裂口，比目标污染物尺寸更大，特别是病毒。要检测病毒尺寸级别的破坏，将需要超过70 bar的不切实际的测试压力。

使用MBR操作（阶段1c），图2中显示了观察到的枯草杆菌LRV与通过压力衰减测试预测的典型比较。测得的LRV明显大于预测的LRV。对于完整的膜，预测的LRV为3.5 log，而观察到的LRV> 5 log。对于受损的膜，预测值与观察值之间的差异要大得多。较小的膜损伤对测得的LRV影响很小，但对预测的LRV影响很大。预测的LRV有时为负值，这是因为膜损坏的高压衰减率较高（图2中显示为零的预测LRV）。

基于对当前压力衰减LRV计算方法的关注，以及实验结果表明预测的LRV和观察到的LRV之间几乎没有相关性，由此得出结论，压力衰减测试不适用于MBR操作中监测和验证污染物LRV的情况。

图2 混合液中枯草杆菌的LRV计算值和LRV测量值的比较

在线浊度监测的实验评估

在线检测渗透浊度相比压力衰减测试具有许多实际优势，并且多年来一直被认为是MBR性能监测的一种手段。对于来自MBR的再生水，加利福尼亚州第22条法规要求在95％的时间内在线渗透浊度低于0.2 NTU，最大值不超过0.5 NTU。

在具有乳胶微球的1b阶段中，最紧密地评估了受严重破坏的膜对浊度的响应，以及相关的污染物LRV。MS2大肠杆菌噬菌体的典型反应结果如图3所示。膜孔对渗透物浊度和MS2大肠杆菌噬菌体LRV的影响可忽略不计。但是，短纤维可能不会塞入微球基质中，导致LRV大大降低。渗透物浊度对膜损伤的响应非常迅速，远远超过了0.2 NTU（渗透物浊度的正常可接受的工作阈值）（注意，单根短纤维的效果被放大，因为在 ZW10模块中，单根短纤维在纤维膜中占很高的百分比）。

在阶段1c中，观察到了类似的膜渗透浊度对纤维切割的反应，尽管即使在多条切割纤维之后，污染物LRV也没有显着降低（因为污染物吸附到混合液固体上，如之前讨论过动态过滤）。结论是，浊度对检测膜损坏具有足够的响应能力，这将导致污染物LRV显著下降，浊度阈值为0.2 NTU似乎适合验证污染物LRV。