申请日2019.11.27
公开(公告)日2020.03.06
IPC分类号G01N21/64; G01N21/78
摘要
本发明公开了一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，属于水资源处理领域。本发明MBR膜面污染物为监测对象，以三维激发发射矩阵为监测手段，根据矩阵光谱图上荧光特征峰的位置及峰强，判断膜面污泥中的溶解性微生物产物和胞外聚合物的组成和含量，无需破坏膜即可实时判断污染物在膜面的积累程度，操作简便，准确度高。利用本发明的方法，能实现在MBR处理城镇生活污水的过程中在线实时监测膜面有机污染物的变化趋势，从而调整MBR运行参数，改善活性污泥性质，减缓膜污染;同时可以根据膜面污染物的成分制定合适的清洗方案。
权利要求书
1.一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将MBR膜面置于污水中处理污水，在不同的时间段吸取膜面污染物，溶于水中摇匀;
(2)提取步骤(1)中溶于水的污染物中的溶解性微生物产物和胞外聚合物;
(3)使用三维激发发射矩阵测试步骤(2)中的提取物并绘制荧光光谱图，分析荧光特征峰的位置和强度的变化趋势，得到膜污染生长过程的信息。
2.根据权利要求1所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(1)需采用不易腐蚀、不会危害微生物活性的导电物质缠绕膜面，将膜面分隔为若干个1cm×1cm的方格。
3.根据权利要求2所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(1)中不易腐蚀、不会危害微生物活性的导电物质为钛丝。
4.根据权利要求1所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(1)在不同的时间段采用注射器吸取不同方格内的全部膜面污染物，溶于100mL水中摇匀。
5.根据权利要求1所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用离心过滤法提取溶解性微生物产物，采用热提取法提取胞外聚合物，提取物均经0.45μm滤膜过滤后，测提取物溶液的总有机碳浓度，若其总有机碳浓度高于20mg/L，将其稀释至小于20mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用的三维激发发射矩阵的激发波长为200～450nm，发射波长为200～600nm，扫描步长为5～10nm，狭缝宽度为5～10nm，扫描速度为12000～20000nm/min，工作电压为400～700V。
7.根据权利要求1所述的一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，其特征在于，所述步骤(3)中荧光光谱图的绘制方法为：收集不同激发、发射波长下荧光发射扫描数据，发射波长作为x轴，激发波长作为y轴，把荧光强度相等的点用线连接，在平面上形成等高线图，得到荧光光谱图的荧光特征峰的位置和强度。
8.一种判断MBR膜面污染程度的方法，其特征在于，利用权利要求1-7中任一方法对膜面有机污染物生长进行监测，并通过荧光光谱图的荧光特征峰的强度判断膜面污染程度。
9.一种调整MBR运行参数减缓膜面污染的方法，其特征在于，利用权利要求1-7中任一方法对膜面有机污染物的组成、含量进行监测，根据荧光光谱图的荧光特征峰的位置和强度调整MBR运行参数，减小外电阻减缓膜面污染。
10.一种调整MBR中活性污泥性质的方法，其特征在于，利用权利要求1-7中任一方法对膜面有机污染物的组成、含量进行监测，并通过荧光光谱图的荧光特征峰的位置判断活性污泥的性质。
说明书
一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法
技术领域
本发明涉及一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，属于水资源处理领域。
背景技术
膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)工艺已在污水处理领域得到广泛应用，但膜污染仍是影响MBR工艺稳定运行及阻碍其进一步商业化应用的主要因素。在膜过滤过程中，污染物被截留在膜孔内或膜表面，堵塞膜孔，或使膜孔变窄，导致出水通量降低(恒压运行)或者跨膜压差(恒通量运行)升高。
在MBR处理城镇生活污水的过程中，膜表面滤饼层的形成是造成膜污染的主要因素，而膜面滤饼层中的污染物主要来自于MBR活性污泥中的溶解性微生物产物和胞外聚合物。在MBR运行过程中，通常采用恒通量运行模式，使用真空表来监测跨膜压差的变化，然而这一数据只能说明膜污染发生，但无法分析膜面的污染程度并解释膜污染机理。目前常用的分析膜污染程度的技术有傅里叶变换红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜、激光共聚焦显微镜等，利用这些表征方法观测污染膜，需要将膜从反应器中取出并对膜进行预处理，观测后膜无法再使用，目前的监测手段不能在线实时监测膜污染。因此，开发新型的在线实时监测MBR膜污染技术，实时分析滤饼层中溶解性微生物产物和胞外聚合物的组成、含量，是非常有必要的，也能够为调整MBR中活性污泥性质提供理论依据。
三维激发发射矩阵是由激发波长、发射波长和荧光强度三维坐标表示的矩阵光谱，目前有郝瑞霞等人将三维激发发射矩阵用于污水处理中，但此方法只测试了污水中的污染物成分和含量。在稳定运行的连续流MBR系统中，污水中污染物的含量随时间的变化趋势与膜表面污染物是不一致的，随着MBR系统运行时间的延长，污水中污染物的含量逐渐降低并趋于稳定，而膜面污染物的含量逐渐增加，测量污水中污染物的含量并不能直接地得到膜面的污染情况，也不能够对膜面的污染情况进行实时的监测。
发明内容
本发明提供了一种实时监测膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)中膜面有机污染物生长过程的方法，以膜面1cm×1cm的方格上的污染物为监测对象，以三维激发发射矩阵为监测手段，根据矩阵光谱图上荧光特征峰的位置及峰强，判断污染物在膜面的积累程度。三维激发发射矩阵是由激发波长、发射波长和荧光强度三维坐标表示的矩阵光谱，该方法无需破坏膜组件即可判断膜污染程度，还可以获取污染物在膜面的沉积、生长过程。
本发明的第一个目的是提供一种实时监测MBR膜面有机污染物生长过程的方法，所述方法利用三维激发发射矩阵进行监测。
在一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：
(1)将MBR膜面置于污水中处理污水，在不同的时间段吸取膜面污染物，溶于水中摇匀;
(2)提取步骤(1)中溶于水的污染物中的溶解性微生物产物和胞外聚合物;
(3)使用三维激发发射矩阵测试步骤(2)中的提取物并绘制荧光光谱图，分析荧光特征峰的位置和强度的变化趋势，得到膜污染生长过程的信息。
在一种实施方式中，所述步骤(1)中需采用不易腐蚀、不会危害微生物活性的导电物质缠绕膜面，将膜面分隔为若干个1cm×1cm的方格。
在一种实施方式中，所述不易腐蚀、不会危害微生物活性的导电物质为钛丝。
在一种实施方式中，所述步骤(1)采用注射器吸取膜面污染物。
在一种实施方式中，所述步骤(1)在不同的时间段采用注射器吸取不同方格内的全部膜面污染物，溶于100mL水中摇匀。
在一种实施方式中，所述步骤(2)中采用离心过滤法提取溶解性微生物产物。
在一种实施方式中，所述步骤(2)中采用热提取法提取胞外聚合物。
在一种实施方式中，所述步骤(2)中的提取物均经0.45μm滤膜过滤，过滤后测提取物溶液的总有机碳浓度，若其总有机碳浓度高于20mg/L，将其稀释至小于20mg/L。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中三维激发发射矩阵的激发波长为200～450nm，发射波长为200～600nm。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中三维激发发射矩阵的扫描步长为5～10nm。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中三维激发发射矩阵的狭缝宽度为5～10nm。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中三维激发发射矩阵的扫描速度为12000～20000nm/min。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中三维激发发射矩阵的工作电压为400～700V。
在一种实施方式中，所述步骤(3)中荧光光谱图的绘制方法为：收集不同激发、发射波长下荧光发射扫描数据，发射波长作为x轴，激发波长作为y轴，把荧光强度相等的点用线连接，在平面上形成等高线图，得到荧光光谱图的荧光特征峰的位置和强度。
本发明的第二个目的是提供一种判断MBR膜面污染程度的方法，所述方法利用上述方法对膜面有机污染物生长进行监测，并通过荧光光谱图的荧光特征峰的强度判断膜面污染程度。
在一种实施方式中，所述判断MBR膜面污染程度的方法具体为：根据过荧光光谱图的荧光特征峰的强度判断MBR膜面污染程度，当膜面污染物的荧光峰强度的总和不超过110时，说明膜污染在形成阶段，此时膜污染较轻，为Ⅰ度污染;当膜面污染物的荧光峰强度的总和介于110和250之间时，表明膜污染程度开始加重，为Ⅱ度污染;当膜面污染物的荧光峰强度的总和超过250时，说明膜污染程度更严重，为Ⅲ度污染，当膜面污染物的荧光峰强度的总和超过500时，表明膜污染十分严重，为Ⅳ度污染。
在一种实施方式中，所述MBR膜面污染程度达到Ⅳ度污染时，需要取出膜组件进行离线清洗。
在一种实施方式中，所述MBR膜的膜清洗方式以物理清洗为主，即用海绵球擦洗去除膜表面的附着污泥，再用去离子水冲刷膜表面进一步去除残余污染物。当物理清洗无法恢复膜通量时，进行化学清洗，即用0.3%(v/v)的NaClO溶液浸泡2h，然后再用去离子水冲洗浸泡2h，并反冲洗5min。
本发明的第三个目的是提供一种调整MBR运行参数减缓膜面污染的方法，所述方法利用上述方法对膜面有机污染物的组成、含量进行监测，根据荧光光谱图的荧光特征峰的位置和强度调整MBR运行参数，减小外电阻减缓膜面污染。
在一种实施方式中，所述调整MBR运行参数减缓膜面污染的方法具体为：当MBR膜面污染物的荧光峰强度的总和超过250时，将外电阻从500Ω减少到50Ω。
本发明的第四个目的是提供一种调整MBR中活性污泥性质的方法，所述方法利用上述方法对膜面有机污染物的组成、含量进行监测，并通过荧光光谱图的荧光特征峰的位置判断活性污泥的性质。
本发明的有益效果：
(1)利用本发明的方法，无需破坏膜即可分析污染物在膜面的沉积程度。
(2)本发明可以利用矩阵光谱图来判断膜面污泥中的溶解性微生物产物和胞外聚合物的组成和含量，操作方便，准确快速地对膜面污染物的沉积进行监测。
(3)利用本发明的方法，能实现在MBR处理城镇生活污水的过程中在线实时监测膜面有机污染物的变化趋势，从而调整MBR运行参数，改善活性污泥性质，减缓膜污染;同时可以根据膜面污染物的成分制定合适的清洗方案。（发明人李秀芬;印霞棐;华兆哲）