胞外聚合物 EPS 对MBR平板膜污染的影响

胞外聚合物 EPS 对MBR平板膜污染的影响:(1)EPS的组成及特点 微生物所产生的胞外聚合物(Extra-cellular Polymeric Substances，EPS)是在一定环境条件下由微生物(主要是细菌)分泌于体外的一些高分子聚合物，它们位于细胞壁外侧，对维持细胞的生命活动并无直接作用，但具有一定程度上的保护作用，如保护细胞免受干燥的影响、使某些病原细菌抵御吞噬作用、抵御杀虫剂和有害物质的不利影响以及在营养物质缺乏时作为细胞的营养物质等。EPS 在污水及污泥处理中发挥重要作用，它很大程度上影响着污泥絮体的结构、污泥絮凝沉降和脱水性能以及水中某些污染物质的去除，并且是膜污染的重要影响因素。

根据EPS在空间位置上的不同，将其分为两部分:解性 EPS(EPSs)和固着性 EPS(EPS8)。图6-1为EPS 的组成，EPSs与EPS 都是微生物代谢及自溶等产生的大分子物质，区别在于 EPSs 游离存在于溶液中，是 MBR 出水中溶解性耗氧有机物的主要成分，而EPSe 吸附在细胞膜表面，为污泥的重要组成部分。如果将混合液用 0.45um 的滤膜过滤则EPSs存在于液相，EPS 存在于剩余的污泥固相。EPS 在细胞外的分布呈现为具有流变性的双层结构，内层具有一定外形，与细胞表面结合较紧密，相对稳定地附着于细胞壁外称为紧密黏附的 EPS(TB)，如英膜、鞘等均属于此类;外层则是比内层疏松、可向周围环境扩散、无明显边缘的黏液层，该层为松散附着的 EPS (LB)，通常所说的 EPS 是指EPSB。EPS 的成分为多糖、蛋白质、核酸、腐殖酸等，但普遍认为多糖和蛋白质是 EPS的主要有机成分。当然，它亦包含一些未聚合的低分子量的取代基团，这些取代基团对 EPS的结构和物化性质影响很大。

(2)EPS对膜污染的影响 Chang 等定量分析了各种污泥中 EPS 的含量，结果表明不论污泥处于何种生理状态，污泥中 EPS 的含量越高，膜污染就越重。EPS 会黏附在膜表面上，与膜相互渗入，并与膜以化学键的形式紧密地交联在一起，从而改变膜的渗透特性这样的交互作用严重阻碍了主体相向膜面的对流传递，既导致了膜通量的下降，又遏制了水力剪切力对污染层的脱除作用;EPS 的积累还增加了膜表面附近溶液的黏度，黏度的上升会直接影响膜面液体的流动状况，减弱了湍流传质效果，进而加剧了膜表面的浓差极化，引起传质推动力下降，从而造成膜通量的下降。

EPSs 的含量与膜污染的关系。污泥混合液中的 EPSs 会和污水中的溶解性高分子有机物通过浓差极化现象在膜表面形成凝胶层，使膜污染加剧。Fawehinmi F 等在恒温运行厌氧 MBR 时发现，EPS: 浓度越大则沉积在膜面的细胞越多，膜污染速率越快，EPS的增加引起跨膜压差 (TMP)的线性增加，但污染速率相对较慢。Jinwoo 采用亲水性聚Z烯平板膜考察 MBR中EPS对膜污染的影响时发现，EPSB 与膜污染关系密切，它影响污泥絮体的特性，使絮体变得大而密实，进而使滤饼层特性发生变化，导致膜过滤阻力的增大.但EPSs对膜污染的贡献不大。

EPSB 的含量与膜污染的关系。EPSB 使微生物在膜表面相互粘接形成菌胶团，在过滤过程中显示出较强的压密性，使过滤阻力不断提高。许多学者认为，随着混合液污泥中EPSB浓度的增加膜污染会加剧。

Nagaoka 等研究了混合液污泥中的 EPSB、膜面污泥中的 EPSe 和膜通量三者的关系他们认为:单位膜面上的EPS 含量随着混合液污泥中 EPSB 含量的增加而增加，EPSB量的增加导致膜通量下降。混合液污泥中的 EPSB 与膜阻力之间存在以下关系 R=7X105XP,，其中，P为混合液 EPSB 浓度 (mg/g)，R 为膜阻力 m-1)。

而单位膜表面上的EPSB 含量与膜阻力的回归方程为 R=3.1525X1013XP-2.201X102，其中，P为膜表面上EPSB浓度(g/m2)，R为膜阻力 (m-1)。王雪梅等研究了 EPS; 的组成部分 (LB和TB)与膜污染的关系，他们认为:LB 对膜污染的影响比较大，因为随着 LB 含量的增多，EPS 的流动性增强，更容易进入膜孔，降低膜的过滤性能;而 TB对膜污染几乎没有影响。

蛋白质、多糖的含量与膜污染的关系。EPS 中蛋白质和多糖的含量不同，对于膜污染的贡献程度也不同。Lesiean 平行运行了前置反硝化和后置反硝化处理城市污水的两套MBR 装置，他发现，EPS 中的多糖、蛋白质及有机胶体是引起膜污染的主要物质。Thu利用MBR处理含酚废水时发现，随着运行时间的延长，污泥混合液 EPS、中的蛋白质和多糖的含量增加，且多糖的增长速率大于蛋白质，由于多糖比蛋白质易于降解，因此 EPSs中的蛋白质也是影响膜污染的重要物质。有研究发现 EPS 中蛋白质和多糖的比例不同，超滤膜的通量也不同，膜通量随着蛋白质比例的减少而增加。但也有学者持不同观点:多糖与膜污染之间线性关系较好，蛋白质对膜污染的贡献比多糖少得多。

目前大量研究一致认为，胞外聚合物 EPS 是影响膜污染的关键因素。EPS 的成分与SMP 相似，它包括不同类型的大分子，如多糖、蛋白质、核酸、脂类等。它们可以产生黏结力，使污泥微生物结合到一起，并形成污泥絮体颗粒。EPS 是决定污泥性质的关键因素Lee 等[20]的研究表明在活性污泥 MBR 中，由微生物、无机物、有机物包括 EPS 组成的滤饼层阻力是主要的污染阻力。生物细胞产生的 EPS 也是引起膜污染的关键物质。微生物细胞分泌的 EPS 将滤饼层颗粒之间的空隙填满，使膜通量大大降低。在 MBR 中 EPS 既在曝气池中积累，也在膜表面上积累，会引起混合液黏度和膜过滤阻力的增加。随着混合液中EPS的增加，膜污染速度加快，EPS 会引发严重的膜表面生物污染。另外，Lee 等的实验结果表明，污泥的疏水性、表面电荷和微生物活性都和污泥中 EPS 的组成和性质有关，从而将进一步影响膜污染阻力。Chang 等定量分析了各种污泥中 EPS 的含量，结果表明，不论污泥处于何种生理状态，污泥中的 EPS 含量越高，膜污染越严重，并得出结论:在 MBR中，活性污泥中 EPS 的含量可以作为评估膜污染程度的参数。