2.1 材料与方法

  2.1.1 实验材料

  2.1.3 实验装置与膜组件参数

       缺氧好氧膜生物反应器主体为有机玻璃材质，有效容积为 25 L，分为缺氧池、好氧池和膜池三部分，各部分的容积比例为 1:3:1。缺氧池配备有电子搅拌器，以恒定转速搅拌使缺氧池泥水均匀混合。好氧池及膜池底部均匀布设有微孔气泡石并与曝气泵连接为反应器提供氧气，并使用气体流量器控制曝气量的大小。实验装置示意图如图 2.1 所示。膜池内置 U 型束状膜组件，采用中空纤维膜组件，膜丝设计通量为 15～20 L·(m2·h)-1，膜组件具体参数见表 2.3。

2.1.4 运行方案

        本实验接种污泥取自污水处理厂生物曝气池，实验采用连续进水间歇出水的方式运行，进水及三氯化铁溶液分别由蠕动泵输送至缺氧池，缺氧池搅拌并使混合液溢流至好氧池，好氧池与膜池底部相通，同时好氧池混合液通过回流泵回流至缺氧池。由于硝化菌进行硝化反应会消耗碱度，需要维持一定的 pH 值，实验采用PHG-21C 型 pH 调节仪（上海雷磁公司）对曝气池进行 pH 值监控并反馈。好氧池、膜池由曝气泵通过微孔曝气管进行曝气，一方面为微生物供氧，另一方面在膜丝附近形成扰动流，减缓膜污染；使用 SJG-203A 型溶解氧分析仪（上海雷磁公司）对反应器各个反应室溶解氧状况进行监控，使 A 段和 O 段的溶解氧浓度分别保持在0.1 ~ 0.2 mg/L 及 3 ~ 4 mg/L。出水采用蠕动泵抽吸出水，按 9 min 抽吸/1 min 停止的周期运行。设置反应器水力停留时间（HRT）为 12 h，污泥停留时间（SRT）为30 d，好氧池的污泥回流比为 250%。向反应器加入三氯化铁溶液：Fe/P（mol/mol）=1.6（确保三氯化铁为 Fe3+（aq）的形式，需将三氯化铁溶解于酸性环境中，其 pH值范围调整为 1.5-1.6）。膜生物反应器运行期间膜组件的跨膜压差采用压力传感器进行在线实时监测。

2.1.5 合成废水与接种污泥

       本实验反应器进水采用人工合成的方式，包含无水乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，分别向反应器提供 C、N 和 P 源，维持进水 COD、NH4+-N、PO43--P 的浓度分别为：400 mg/L、25 mg/L、3.5 mg/L，使用无水 NaHCO3 调节进水及反应器的 pH值。本实验使用的接种污泥取自污水处理厂生物曝气池中的絮体污泥。该人工合成废水中常量元素及微量元素成分浓度如表 2.4 所示。

2.1.6 分析测试方法

   （1）EPS 的提取及测定方法

本实验活性污泥中的 EPS 提取采用阳离子交换树脂（Dowex Marathon C, 20-50 mesh, sodium form）提取法。从膜生物反应器内取活性污泥混合液 50 mL，于3000 rpm 的转速下离心 15 min，离心完成后弃去上清液，底部泥饼使用 0.1 M 的 NaCl 溶液清洗两次。再将清洗后的污泥注入磷酸缓冲液重新恢复至初始体积，该缓冲液配比：9 mM NaCl、1 mM KCl、2 mM Na3PO4 和 0.4 mM NaH2PO4，保持 pH值为 7.0。将该混合液转移至 100 mL 小烧杯中，添加干燥的阳离子交换树脂 60 g /（g·SS）。置于 4℃环境下利用磁力搅拌器匀速搅拌提取 12 h。提取完成后将上清液分离，并置于冷冻离心机 12000 rpm，保持 4℃离心 30 min。最后将离心过的上清液通过 0.45 μm 醋酸纤维素滤膜过滤以得到 EPS 溶液。

蛋白质（PN）的测定采用改良型的 Lowry-Folin 法[30]，多糖（PS）的测定采用硫酸-蒽酮法。
（2）三维荧光光谱分析

         三维荧光光谱（3D Excitation-Emission Matrix，3D EEM）采用荧光光谱仪（F-4600，Hitachi，Japan）在室温（25±2℃）条件下测得。设定发射波长范围：300-550nm，增长量：5 nm。设定激发波长范围：220-450 nm，增长量：10 nm。其中扫描速度设置为 1200 nm/min，光电倍增管电压设置为 700 V。另外为了消除二阶罗曼散射光，在发射光一侧采用一片 290 nm 的截止滤光片。使用 Matlab R2009a（Math Works Inc.,USA）软件处理 EEM 的数据并作图。
（3）扫描电子显微镜

        采用合肥工业大学分析测试中心扫描电子显微镜（SEM，Scanning electron microscope, HITACHI，SU8020）观察膜丝表面的微生物形态并选择能量色散 X 射线谱元素面分布分析（EDS Mapping），由于膜丝表面滤饼层为生物物质，需要一定的预处理[32]，步骤如下：

        1）固定，使用磷酸盐缓冲液（PBS）缓慢冲洗被剪下的一小段膜丝，冲洗两遍后放置于离心管中用 2.5%的戊二醛溶液浸没，于 4℃冰箱保存 12 h。

        2）脱水，取固定完成的小段膜丝，使用 PBS 缓冲液缓慢冲洗两遍，每次 10min，之后采用梯度乙醇脱水，将样品依次置于浓度 50%、70%、80%、90%的乙醇进行脱水，再用无水乙醇脱水 3 次，每次脱水时间 10 min。 

       3）置换，依次使用乙醇：乙酸异戊酯体积比为 1：1 的混合液，乙酸异戊酯溶液各置换一次，单次置换时间 15 min。

        4）干燥，将置换完成的小段膜丝取出后，放入干燥洁净的滤纸上，置于冷冻干燥器内冷干 8 h。

        5）喷金，将冷干后的小段膜丝，粘附在导电胶上，用离子溅射镀膜仪在膜丝表面镀一层金属膜。

        6）观察，置于扫描电子显微镜（JEOL Ltd.,Japan）样品室进行观察并拍照。

       7）能量色散 X 射线谱元素采用面分布分析（EDS Mappin）。

 

（4）死活细菌染色

         本实验研究膜生物反应器被污染的膜丝上的滤饼层的死活细菌分布。染色剂：LIVE/DEAD BacLight Bacterial ）Viability Kit (Thermo Fisher Scientific，USA)，L-7012，该染色剂为一种荧光细菌染色剂，由碘化丙啶（PI，20 mM）和 SYTO 9（3.34 mM）两部分组成。染色时，先将 PI（2 μL）和 SYTO 9（2 μL）两部分均匀混合，再加入 400μL 的蒸馏水混匀以稀释该染色剂。之后将被污染的小段膜丝取出并用 PBS缓冲溶液清洗 3 次，然后放入稀释好的染色液之中，静止染色 2 小时，取出后用PBS 缓冲溶液再次清洗 3 遍以洗去多余染液。接着，将小段膜丝用 OCT 包埋剂进行包埋处理，置于-20℃的条件下包埋完成后，在冰冻切片机（Leica，德国）中切片成厚度为 60μm 的薄片，并自然粘附于载玻片上。染色后的膜丝切片通过荧光显微镜（Olympus，Tokyo，Japan）进行观察，图像通过 Cellsens（Olympus，Tokyo， Japan）软件处理获得。

（5）活性污泥粒径分布
          投加前活性污泥和投加铁盐后富铁活性污泥的粒径分布是用激光粒度分析仪（马尔文仪器，MS-2000）进行测定的，其测定范围为 0.02~2000 μm。污泥样品不需要经过处理，可直接进行分析。为防止转速过快导致污泥絮体粒径，设定系统最低测定转速（600 转/分钟）条件下进行测定。

（6）活性污泥比阻（SRF）测定
         本实验中活性污泥比阻的测定采用的方法为布氏漏斗法。具体操作步骤如下：

            1）测定待测活性污泥的含水率以及其固体浓度。

            2）在漏斗上（65～85 mm）放置定量滤纸，用蒸馏水润湿后，贴近底部。

           3）打开真空泵，调节真空压力，压力大小保持实验压力的 1/3 左右时关掉真空泵。

           4）加入 100mL 待测污泥样品于漏斗中，打开真空泵调节压力值至实验所需压力值，开始记录时间（秒表）。

            5）每间隔固定时间，记录布氏漏斗下端的量筒内相应的滤液量。

            6）过滤至真空破坏，若不破坏，则待布氏漏斗内液体滤干后结束实验。

活性污泥比阻根据公式 2.1[33]进行计算。公式如下：

（7）电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）

         采用合肥工业大学分析测试中心电感耦合等离子体发射光谱仪测定污染膜丝浸泡液中的铁离子浓度变化。具体操作步骤如下：

（1）仪器预热后，将标准梯度溶液由低浓度到高浓度依次导入电感耦合等离子体发射光谱仪，按照规定的测量条件测量发射强度，以目标元素系列质量浓度为横坐标，发射强度值为纵坐标，建立目标元素的标准曲线。

（2）测试样品前使用 1%硝酸溶液冲洗系统直到空白强度值降到最低，待分析信号稳定后，再与建立标准曲线相同的条件下分析样品。

 （3）膜丝浸泡液中金属元素 ρ（mg/L）按公式 2.2 计算：（2.2）式中：ρ——膜丝浸泡液中金属元素（Fe）的浓度，mg/L；ρ1——由校准曲线查得测定试样中金属元素（Fe）的浓度，mg/L；ρ0——空白试样的测定浓度，mg/L；V——膜丝浸泡液取样体积，mL；V0——浸泡液定容后的体积，mL。 

（8）其他分析测试

         化学需氧量（COD）、 污泥固体浓度（TSS）和可挥发性固体（VSS）的浓度根据标准方法进行测定。

 

 

原标题：铁盐强化除磷膜生物反应器运行与膜污染控制研究

原作者：刘 盼