膜处理相关技术是目前水处理领域内的常用工艺之一，为有效控制膜污染，次氯酸钠（NaClO）化学清洗是重要的手段之一。本研究在已构建的化学强化高负荷膜生物反应器（CE-HLMBR）中执行 NaClO 在线清洗策略，考察其对过滤阻力、系统产水水质及污泥性质等几方面的影响。实验结果表明，NaClO 在线清洗可以破坏化学滤饼层，有效恢复过滤阻力，在不同的阻力增长阶段，清洗后的过滤阻力可恢复至相近水平（低于 5×1012 m-1）；在产水水质方面，NaClO 清洗后溶解性有机物（DOM）的释放及透过性的增加会造成产水化学需氧量（COD）的升高（由 6.3mg/L 上升至 28.16 mg/L），但几乎不影响系统对总磷（TP）和氨氮的去除效果；清洗 12 h 后，污泥粒度分布和硝化活性与清洗前基本一致，但EPS 的分泌明显增加，这会引起膜可逆污染结构变化。

关键词：

        长期运行；高负荷膜生物反应器；膜污染；在线清洗；化学强化

 

        膜技术被认为是 21 世纪水处理领域的革命性技术，由于其出水水质稳定、占地面积小、污泥产量小等优势，在生活污水处理、饮用水处理等领域内被广泛应用。其中，膜生物反应器（MBR）技术在污水处理领域内备受关注，截止至 2019 年，我国利用 MBR 工艺处理的总水量超过 1000 万 m3/d，占我国城市污水总量的 5%以上。但是，在长期运行后，由于污染物在膜表面的积累，会导致运行通量下降，随之造成运行成本增加。可见，严重的膜污染问题是该技术亟待解决的难题之一。迄今，已有大量针对膜污染问题展开的研究，物理清洗（例如松弛、振动、反冲洗等）、化学清洗（例如酸洗、碱洗和氧化剂清洗等）和生物清洗（例如酶清洗）等清 洗策略相继被提出。

        其中，次氯酸钠（NaClO）化学清洗被认为是去除膜污染最有效的手段之一，在实际工程项目中被广泛应用。NaClO 在线清洗是指将一定浓度的 NaClO 溶液通过反冲方式注入膜内，通过氧化作用去除膜内积累的污染物。市政污水MBR 相关研究证实，NaClO 在线清洗可以有效去除凝胶层污染进而恢复通量。此外，NaClO作为一种强氧化剂，进入膜池内后，会破坏污泥絮体结构，或溶解部分细菌细胞，造成污泥性质的改变。已有研究报道了在 MBR 及厌氧膜生物反应器（AnMBR）系统中，NaClO 清洗后对过滤过程产生多种不良影响，例如释放溶解性有机物（DOM）影响产水水质、影响生物活性、增加结垢等。

        高负荷膜生物反应器（HLMBR）是近年来新出现的一种膜法水处理技术，是将高负荷活性污泥法（HRAS）与 MBR 技术耦合，结合了HRAS 生物吸附与 MBR 高效分离的双重优势，可以实现污水中有机物的快速、高效浓缩捕集，利于资源回收与能量中和。本课题组开发了中试规模的 HLMBR 反应器，并通过投加混凝剂和吸附剂对膜过滤过程进行化学强化，形成了化学强化的 HLMBR（CE-HLMBR）系统。前期研究成功实现了 CE-HLMBR 体系的长期稳定运行，化学强化促进对 COD、TP、SS 等污染物的截留，同时形成吸附性滤饼层，减少膜污染的形成。CE-HLMBR 与传统 MBR 系统不同，其污泥龄（SRT）与水力停留时间（HRT）短，化学药剂的添加也抑制了其中的生物反应过程，从而使其所产生的污泥性质不同于 MBR 系统。

NaClO 清洗作为 CE-HLMBR 系统中去除膜污染的常用手段之一，其对过滤性能及污泥性质的影响尚不明确，有待进一步深入研究。

       综上，本研究旨在中试规模（500 t/d）CEHLMBR 反应器中探究 NaClO 清洗效果，明确该清洗手段对 CE-HLMBR 过滤阻力恢复情况和产水水质的影响，考察 NaClO 冲击对污泥性质的影响情况，并评价系统的自我恢复能力，为实现 CE-HLMBR 高效清洁、稳定运行提供基础理论支撑。

1      材料与方法

1.1   进水水质本研究

        所用污水为北京某城市污水处理厂的实际污水，该厂进水以生活污水为主，经粗格栅、 细格栅预处理后直接进入中试反应器。运行期间中试反应器的进水水质见表 1。

               

1.2   CE-HLMBR 系统运行方式及清洗策略

        本研究中所用 CE-HLMBR 系统（500 t/d）与前期研究中保持一致，系统组成及运行方案详见前期研究。中试反应器为高度集成的集装箱式 HLMBR 设备，集装箱内安装有平均膜孔径为 0.1 m 的 PVDF 浸没式中空纤维膜组件，配备自控系统以实现连续自动运行。过滤状态是通过水泵抽吸形成负压，促使膜池内的水透过膜孔进入膜腔内部，最终汇入产水管。过滤期间为产 水—停歇的周期性循环，采用 8 min 为一个周期，每个周期按顺序过滤产水 7 min 后停歇 1 min。过滤过程中配合适量曝气以在膜丝外表面形成侧流剪切力，从而有效控制污染物累积，维持过滤稳定性。清洗状态是将化学药剂按一定浓度通过加药泵注入到反洗管路中，最终到达膜丝周围和整个膜池，实现均匀分布与良好接触，有效去除膜丝表面污染物。实验中，当污染积累导致跨膜压差（TMP）达到设定值（35 kPa）或运行时间达到设定清洗周期时，执行清洗策略。在本研究中，清洗过程如下：利用清洗管路将浓度为2000 mg/L 的 NaClO 溶液以 9 LMH 的通量反冲洗注入中空纤维膜丝内部，并通过膜微孔渗透到原水侧，浸泡 30 min 以使药剂与污泥充分接触，曝气至膜池内泥水均匀后继续过滤产水状态。

        执行清洗策略前取膜池内均匀污泥样品，定义为清洗前污泥；执行清洗策略后，再运行 12 h，膜池内均匀污泥样品定义为清洗后污泥。分别测定其性质以评价 NaClO 在线清洗对 CE-HLMBR连续运行的影响。

1.3  在线监测及水质指标检测

       实验过程中，除上述污泥样品外，每日取均匀的化学强化 HLMBR 产水进行水质指标测试。其中化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）等水质指标均采用国家标准方法测定。硝酸盐氮（NO3--N）采用紫外分光光度法测定，亚硝酸盐氮（NO2--N）采用 N-（1-萘 基）-乙二胺分光光度法测定。污 泥 粒度采取 激光粒度仪（马尔文Mastersizer 3000E）进行测定，溶解氧（DO）采用便携式溶氧仪（哈希 2100Q）测定。在线监测仪表包括压力传感器、流量计等，实时输出数据并进行记录。

 1.4  其他指标测定方法

      （1）EPS 提取及测定方法：从污泥中提取EPS 采用 Teng 等[18]提出的改进热提取法。具体地，将 50 mL 污泥样品以 4000 g 的速度离心 5min，将上清液用 0.45 m 滤膜进行过滤并定义为溶解性微生物产物（SMP）。常温（25）下，将沉积物重新悬浮在浓度为 0.05%的 NaCl 溶液中（15 mL），再用 70 的 0.05%NaCl 溶液恢复至原始体积。立即涡流震荡 1 min，然后以 4000 g的速度离心 10 min，将上清液用 0.45 m 滤膜过 滤并定义为松散型胞外聚合物（LB-EPS）。将沉积物用 0.05%的 NaCl 溶液重新悬浮到原始体积，水浴加热到 60 保持 30 min，以 4000 g 的速度离心 15 min，上清液用 0.45 m 滤膜过滤并定义为紧密型胞外聚合物（TB-EPS）。此外，多糖（PS）采用苯酚‑硫酸法测定， 而蛋白质（PN）和腐殖酸采用改进的 Lowry 法进行测定。

    （2）三维荧光光谱（EEM）分析：使用荧光分光光度计（日立 F-2700）获得三维荧光光谱。以 5 nm 为间隔进行 200 至 400 nm 的激发扫描。对于每个激发波长，以 5 nm 的发射波长进行扫描，波长范围从 200 到 500 nm。激发和发射狭缝均保持在 5 nm，扫描速度为 1200 nm/min。获得的荧光值表示为荧光强度，使用 Origin2021 导出 EEM 数据并绘制 EEM 谱图。使用Chen 等提出的荧光区域积分法（FRI）进一步分析 EEM 数据，具体划分见表 2。

 

将以上五个特征区域的荧光强度作体积积分计算，公式如（1）～（2）

                     
 

            其中，Φ