厌氧正渗透膜生物反应器（AnOMBR）是一种将正渗透膜过程与厌氧生物处理结合的新型污水处理技术，近年来备受关注。然而盐积累是其面临的主要挑战。为此，本研究考察 AnOMBR 在高盐度的冲击下污泥混合液性质的变化情况。结果表明，反应器运行 7 d 后，盐积累现象严重，电导率上升到接 32 mS/cm，导致初始水通量从14 L/（m2·h）降至3 L/（m2·h）。反应器对TOC和TP的去除效果较好，但氨氮去除效率低于TOC和TP。当反应器内盐浓度胁迫性增长时，混合液中SMP和EPS浓度均有增加，同时EEM荧光谱图中SMP和EPS主要响应峰均为色氨酸和色氨酸/酚物质，EPS响应峰受盐度影响明显强于SMP。
关键词:
正渗透;厌氧膜生物反应器;高盐度冲击;混合液;EEM
正渗透（FO）是一种依靠渗透压驱动的新型膜分离技术，通过高浓度溶液作为驱动液（DS）形成渗透压差，使原料液（FS）侧水分子透过半渗透膜进入驱动液，使驱动液被稀释，通过对驱动液浓缩回收纯净的水，浓缩的驱动液可循环使用。与传统的压力驱动膜分离技术相比，FO 具有低膜污染趋势，能耗低，出水水质较好的优点。近年来，FO 和厌氧膜生物反应器（AnMBR）结合而成的AnOMBR技术逐渐引起重视。AnOMBR 使用正渗透膜从混合液中分离出水，由渗透压驱动的过程不消耗能源的同时，厌氧消化产生甲烷还可以进行能源回收，是新一代的绿色污水处理技术。然而，由于驱动液溶质通过正渗透膜渗透到原料液导致的盐积累现象，不仅使膜通量下降，还会对厌氧污泥造成影响。YANG 采用AnOMBR处理模拟市政污水，进水COD为500 mg/L，处理效率达到 96%。为了研究 AnOMBR 运行过程中的膜污染情况，采用了定期更换上清液的方式来减缓盐积累对膜通量的影响，并主要研究了膜污染的变化。然而目前高浓度的盐积累对混合液中的性质变化研究仍然缺乏。
本研究搭建了实验室规模的浸没式 AnOMBR，考察反应器在盐积累的快速冲击下，FO 膜水通量、污染物去除性能和混合液性质变化（如SMP、EPS及各成分），为 AnOMBR 的盐积累和膜污染的控制策略提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 实验装置
实验室规模的 AnOMBR 反应器总体积为 3 L，工作体积为2.5 L，通过气体循环泵对反应器内部曝气。膜组件内置于反应器中，有效膜面积为80 cm2，使用的 FO 膜为韩国 CSM 公司生产的 TFC 膜，运行方式为 AL-FS，即 FO 膜活性层朝向厌氧污泥侧，支撑层朝向汲取液侧运行。在膜池外侧有外置式液位传感器，传感器和进水泵相连，通过检测反应器内部水位来控制泵补充自配水。汲取液采用 1 mol/L 的氯化钠溶液，以 400 mL/min 的流量循环，通过记录天平上的读数变化计算膜通量。汲取液桶内设有电导率在线检测设备，当汲取液被稀释时，浓盐补充泵打开向汲取液桶内补充浓盐以保持汲取液不被稀释。反应器上部连接 0.5 L 气袋以收集气体。加热软管缠绕在反应器外壁并与恒温水浴锅相连，设置温度为37℃保证反应器内部温度保持在33～35 ℃。
1.2 污泥接种
反应器内接种厌氧污泥取自北京碧水源科技股份有限公司，接种至反应器之前，置于 2 L容器内在恒温振荡箱内35℃驯化培养1个月。培养过程中使用自配水为污泥提供碳源等物质，自配水中TOC浓度为 160.76 mg/L，NH4+-N 浓度为 41.65 mg/L，TN浓度为40.73 mg/L，TP浓度为5.09 mg/L。实验过程中，反应器内测得的接种污泥的混合液悬浮固体浓度（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为4.37 g/L和 4.08 g/L。
1.3 实验方法
反应器运行中每天对进水，汲取液和反应器内混合液的上清液取样，检测电导率、pH、TN、TP、氨氮的变化情况，运行第0天和第7天分别取污泥混合液提取 SMP 和 EPS 用于多糖、蛋白、腐殖酸和三维荧光测定。其中电导率和 pH 值使用梅特勒测试仪进行测定。TN、TP 和氨氮使用分光光度仪进行定量测定。EPS 采用热提取法，首先将污泥混合液在4 000 rpm 下离心 5 min，所得上清液用 0.7 μm 玻璃纤维膜过滤得到 SMP，剩余沉积物用 50 ℃的 0.05%氯化钠溶液稀释到原体积，在振荡器上剧烈震荡 1min，然后 60 ℃下水浴加热 30 min，4 000 rpm 下离心 5 min，所得上清液再用 0.7 μm 玻璃纤维膜过滤得到 EPS。多糖测定采用苯酚-硫酸法，蛋白和腐殖酸测定采用改良的 Lowry 法，三维荧光（EEM）测定采用Hatachi荧光分光光度计测定。
2 结果讨论
2.1 电导率和水通量的变化
由图 2 可知，反应器初始通量和电导率分别为14.5 L/（m2·h）、2.5 mS/cm，经过7 d运行，膜通量下降到，反应器内混合液电导率剧烈增加至32.03 mS/cm。
水通量的下降主要是由于汲取液中的氯化钠通过正渗透膜反渗到混合液内，导致渗透压差变小所致。混合液内剧增的盐浓度对于污泥混合液的性质会产生较大影响，微生物可能脱水死亡导致污泥对有机物的降解能力变差。
2.2 有机物浓度变化及去除率
由图 3 可知，在反应器运行 7 d 内原料液中氨氮、总磷和 TOC 浓度在运行中都呈上升的趋势，这主要是由于盐在混合液中的快速积累使得微生物受到影响，乃至失活死亡，导致处理能力下降。其中P的去除率接近100%，而在反应器中P的浓度持续上升，在反应器运行到第 7天时，原料液内 P的含量积累至 6.92 mg/L。这说明 P 的去除主要通过正渗透膜的截留作用完成。
同样在图 3 可以明显看出，出水中 TOC 的去除率接近 99%，而反应器内 TOC浓度随运行时间增加而逐渐增加，证明TOC的去除是由膜的截留作用和微生物的降解作用协同完成的。YAP 的研究中指出，AnMBR 反应器中氨氮的去除率一般在 70% 以上，而本实验中氨氮的去除率约为60%左右，且和原料液中氨氮的浓度具有相近的变化趋势，由于出水中氨氮浓度受到汲取液的稀释作用，因此微生物对于氨氮的降解作用较小，氨氮的去除主要由正渗透膜的截留作用完成。
2.3 EEM荧光分析
EEM荧光光谱分析法是用来定性测量污泥胞外聚合物的化学成分、分子量、亲疏水性等信息的便捷高效的手段，在不损害样品性质的情况下，可以获得大量溶解性有机物的成分性质信息。样品的EEM荧光谱图需扣除以超纯水作为背景的荧光谱图，由于各个水样的TOC浓度不同，为了排除干扰，需要将荧光强度标准化处理，其单位为（FIU·L）/mg TOC从图4（A）可以看出，SMP的主要响应峰Ex/Em在 225/305 nm，225/345 nm 处对应物质为色氨酸类蛋白质，其余响应峰 Ex/Em 在 275/345 nm 处为可溶性微生物代谢产物，对应物质为色氨酸/酚类物质。
而在图 4（B）中 EPS 的主要响应峰与 SMP 位置一致，Ex/Em 在 230/305 nm 和 230/345 nm 处对应物质为色氨酸类蛋白质，在 270/350 nm 处对应物质为色氨酸/酚类物质。
由两图对比可看出，EPS 对应物质的响应峰强度显著高于 SMP，说明由于反应器内部盐浓度的剧烈增长，污泥暴露在高盐度的环境下，抑制了SMP中蛋白类物质的产生，同时在高盐度的环境下，导致微生物代谢副产物色氨酸/酚类物质产生。同时由图5可知，7 d的SMP和EPS中均含有腐殖酸，但在EEM荧光图上并未出现腐殖酸的响应峰，这主要是由于腐殖酸类物质荧光响应能力弱于蛋白类物质，荧光对于色氨酸有更好地响应，因此可以更清晰准确的表征蛋白质性质，但腐殖酸类物质也不容忽视。
2.4 SMP和EPS中的成分浓度
实验运行过程中，由于汲取液中的盐透过正渗透膜到原料液侧，导致盐浓度剧烈增加，微生物暴露在高盐度的环境中生存使得实验运行之初与结束时污泥性质发生很大变化。由图 5 中可以看出，SMP在7 d实验结束时，多糖、蛋白和腐殖酸浓度和0 d时相比有较大增加，其中腐殖酸浓度变化尤为明显。这也较好的说明了在盐浓度剧烈增加的情况下，高盐环境对微生物产生胁迫作用，同时由于污泥活性变差，对蛋白的降解能力下降导致SMP中蛋白含量上升。而由于暴露在高盐度环境下的生物质会产生较高分子量的化合物，导致降解速度变慢，腐殖酸浓度的增加说明SMP中难降解物质含量上升，这与LIN等的研究结论一致。
3 结 论
1）在 7 d 的实验运行中，AnOMBR 的膜通量由14.5 L/（m2·h）下降至3 L/（m2·h），电导率由2.5 mS/cm上升至 32 mS/cm，因此膜通量的快速下降主要是由于盐反渗导致渗透压差减小，驱动力变弱；
2）反应器对于TOC和总磷去除效果良好，达到了 97% 以上，去除作用由膜拦截和微生物降解协同完成，而氨氮去除率为 60% 左右，去除作用主要由膜拦截作用完成；
3）SMP 和 EPS 的荧光谱图中主要响应峰均为色氨酸和色氨酸/酚类物质，但EPS响应峰强度显著强于 SMP；SMP和 EPS的浓度上升均受到盐浓度冲击性增长的显著影响。
因此，AnOMBR中盐积累明显影响着混合液性质的变化，继而影响膜污染的发展。未来的研究需要建立盐积累-混合液-膜污染的内在联系，为盐积累和膜污染的防治提供针对性策略，更好地推动厌氧正渗透水处理技术的发展和应用。
原标题：盐积累胁迫下厌氧正渗透MBR混合液性质的响应特性
原作者： 赵士奇 朱 雷 王 舒 朱先征 黄 霞
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