EPS组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响

第41卷第2期2021年4月
膜科学与技术
MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol41No2
Apr2021
EPS组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中
膜污染的影响
辛佳期，卓梦琼，孙盛进，郭远涛，肖丛亮，方凡，李昆$
(南昌大学资源环境与化工学院，鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，南昌330031)
摘要：微生物分泌的胞外聚合物(EPS)组分对膜污染的影响十分复杂，为进一步探究EPS组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响机制，对藻菌共生体在畜禽养殖废水中产生的EPS进行拆分，主要分成4种组分:溶解性微生物产物(SMP)、松散附着性胞外有机物(LB-EPS)紧密附着性胞外有机物(TB-EPS)和提取EPS后的微生物絮体残渣(MFR).研究不同的EPS组分对膜污染的影响。

实验结果表明，SMP造成的膜污染最严重，其次是MFR.线性拟合结果表明，SMP和LB-EPS主要以标准堵塞为主,MFR以滤饼层堵塞和中间堵塞为主，而TB-EPS则是由4种堵塞模型共同作用，更为复杂.污染物成分分析结果显示，造成膜污染的主要有机物是多糖和蛋白质类物质.
关键词：藻菌共生体；超滤；膜污染；胞外聚合物
中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1007-8924(2021)02006308
doi：10.16159/ki.issnl007-8924.2021.02.009
畜禽养殖业的发展导致了大量高氮磷废水的排放，极易造成水体的富营养化•因此，实现废水中氮磷的有效去除，成为全世界学者关注的热点•有研究者将微藻与细菌结合，构成藻菌共生体，以此达到对含高氨氮废水的有效处理.20世纪50年代末Oswald和Gotaas等提出高效藻类塘，通过强化利用藻类的增殖来产生有利于微生物生长和繁殖的环境,形成更紧密的藻菌共生系统：1].Sun等囚建立了藻-污泥细菌膜生物反应器，发现藻类和污泥之间建立了共生关系，并且改善了组合系统中的微生物活性，而且胞外聚合物(EPS)浓度降低，特定官能团被破坏，导致EPS附着在膜上的趋势降低.
已有研究表明EPS是造成膜污染的重要因素.但是对于藻菌共生体中EPS各组分对膜污染的贡献及其形成机制尚不清楚，本研究考虑通过将EPS 组分拆分，主要分为溶解性微生物产物(SMP)、松散附着性胞外有机物(LB-EPS)、紧密附着性胞外有机物(TB-EPS)和提取EPS后的微生物絮体残渣(MFR)4个部分.将提取的各组分分别进行膜过滤实验再进行表征，测定各组分的膜污染情况，与混合液过滤的膜污染现象进行对比，以此探究膜污染形成机，解膜染形成机
收稿日期：202008-27；修改稿收到日期：2020-10-10
基金项目：国家自然科学基金(51768043)；中国博士后科学基金(2017M622106)；江西省博士后研究人员科研项目(2019KY23);江西省青年科学基金(20171BAB216037)
第一作者简介：辛佳期(1996-)，女，江西进贤人，硕士生，研究方向为废水资源化的膜污染,E-mail：1053125199@qq.
com.$通讯作者，E-mail:kunli@
引用本文：辛佳期，卓梦琼,孙盛进，等.EPS组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响[J(.膜科学与技术，2021，41(2)：63-70
Citation：Xin J Q,Zhuo M Q，Sun S J，tai.Effect of EPS components on membrane fouling in the treatment of livestock andpoultrybreedingwastewater'J(M embraneScienceandTechnology(Chinese)，2021，41(2)63-70
・64・膜科学与技术第41卷
1实验部分
1.1藻菌共生体的培养及污水处理实验
实验用来源于江西省南昌市
场经消化的，原始经离心（4000g"min#液作为本研究的污水源"过调整COD含量，具
指标如表1所示.
表1本研究使用及EPS提取时废水指标
Table1Wastewater indicators in this study and
VuringEPSextraction
指标实验用EPS
COD/(m g・L-1)111030士50013220士000氨氮/(mg・L-1)13220士1073554士010
磷酸盐/(mg・L-1)918士013005士001 pH770士050896士020
溶解氧/(mg・L-1)847士025955士050
电导率/（$S・cm-1）107600士17040000士1200实验用的为实验室前期从中分离纯化出的对高盐高性较好的小
用BG-11进行•微藻浓度通过测定OD680值与重的标准曲线来确定•实验用的活性由化，通过测定重确定其浓度.
好的小和活性分别进行离心（4000g"min）处理，得到浓缩的藻样和泥样后,按照干重比155（分别为0.3和1.5g/L）的比例将小和活性中进行为期4V 的实验.实验条件为:室温（25〜28光强为4000lux,光照周期12h/12h.每天取样测定藻菌共生体的情况及其对污水中碳氮磷的效果.
1<藻菌共生体的EPS组分提取
于共在过程中的微生
情况和污染情况，选
况良好染效果最佳的共生样品用于EPS•取样项指标如表1.
实验采用三步热分SMP和附着性EPS（由LB-EPS和TB-EPS组成）,LB-EPS和TB-EPS浓度之和即为附着性EPS浓度.具体步骤参考Wag等⑶的，提取EPS后的沉
重新用0.05%NdCl溶液至原始"己为MFR'1.3超滤实验装置和步骤
滤实验采用的超滤膜为PVDF材质的平板滤膜（上海应用研究所）#膜孔径0.1$m（截留分子量约100000#膜面Zeta电位为一4.0mV；膜面为性，新膜为（74.1士1.2）。

.为避免膜面对实验的，新膜片在过滤进行⑷.
滤膜污染实验在基于超滤杯（Amicon8200,美国Milipore,有效200mL,有效过滤面积28.3cm?）的膜污染测试系统中进行，过滤为死端过滤"目较于错流过滤模式更易于在较短时间内更严重的膜污染变化过程•整个超滤膜污染测试系括超滤杯、电子天平&和机等（如图1所示）・•滤膜污染实验开始前，先用超对膜片进行使其膜面，并测试其
好的膜测系中" 0.02MPa"速200r/min"过滤超纯水，直至呈值，此时说明膜已经压实"此时的为新膜的纯水
图1超滤膜污染测试系统装置简图
Fig1SchematicViagramoftheultrafiltrationmembrane
foulingtestsystem
1.4检测分
实验所样中的可溶性有机碳（DOC）使用总有机碳分（multi N/C2100"德国Jena）测定;使用可见分度计（DR6000,美国Hah）测样的UV24并进一步样的特征'吸度（SUVA=UV254/DOC）,表征有机物中族化合物的含量•水样的COD、氨氮、磷酸盐等指标均采用国标法•多糖的测定采样苯酚硫酸法'（，蛋和腐殖酸的测定采用改进Lowry法'（.
实验从的粒径分布来考察微生
特征.使用粒度分（Mastersizer3000E,国Mavern）测合液中的粒径分布•使用FTIR仪（FTIR-7600,澳大利亚lambda）
第2期辛佳期等：EPS 组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响・65・
对膜污染物成分进行测定.使用荧光光谱仪(F-
7000,日本Hiachi)定性分析荧光类物质的成分变
化•所得数据再通过EEM-PARAFAC 分析法确定
E x 和E m 的负载,EEM-PARAFAC 可以把复杂的
荧光信号分解，从而获得主要的荧光组分信息，进而 研究膜面有机污染物的组成⑺.
1. 5污染模型拟合
实验采用Hermia 理论4种经典膜污染模型8
(完全堵塞、标准堵塞、中间堵塞和滤饼层堵塞)来解
析超滤膜污染的形成机制,膜污染模型公式见表2.
实验所得的通量数据使用origin & 6软件进行拟 合.
表2 经典膜污染模型公式8
Table 2 Equations of classic membrane fouling models'^
模型类型
模型公式
完全堵塞模型J 0
—J =AV
标准堵塞模型1/t +B _J °/V
中间堵塞模型
ln J 0
—ln J = CV
滤饼层堵塞模型
1/J — 1/J 0
=DV
注:V 为过滤体积,mL ；t 为过滤时间，s ；J °为纯水膜通
量，mL/(min ・ cm 2)；为样品膜通量，mL/(min ・ cm 2) ；A 、
B 、
C 和
D 均是常数.除了 Hermia 理论4种经典膜污染模型之外,
根据Xiao 等⑼的研究，标准堵塞模型分为第一类标 准堵塞和第二类标准堵塞，如式(1):
d t
=Q (半)"
⑴
dv z du
式中:t 为过滤时间，s ； b 为过滤体积,mL ；Q 为模型
系数；n 为特征指数，当n=1. 5时，堵塞模型为 Hermia 理论4种经典膜污染模型中的标准堵塞模
型，当n = 2. 5时，堵塞模型为第二类标准堵塞.
2结果与讨论
2.1藻菌共生体对污染物的去除
图2显示了藻菌共生对废水中氨氮、COD 、磷
酸盐的去除情况•氨氮随着时间变化由132. 2 mg/L 降为5. 5 mg/L,去除率为95. 8%；COD 在24 h 内显
著降低，由1 110. 3 mg/L 降为142 mg/L ,8 h 后回
升至175. 3 mg/L,但72 h 后稳定在132. 2 mg/L,去
除率为88. 1 % ；磷酸盐在48 h 后基本降解完,2h 后
由9. 2 mg/L 降解为0. 05 mg/L ,去除率为99.5%.2.2超滤膜污染特征分析
2.2.1膜片归一化通量衰减
由图3可知，在整个过滤过程中，出现典型的两
10050
1 2001 100150图2藻菌共生对水中COD(a )、氨氮(b )、磷酸盐(c)的去除情况
Fig. 2 Removal of COD (a ) , ammonia nitrogen(b ) and phosphate(c ) by symbiosis of algae and
bacteria
・66・
膜科学与技术第41卷
阶段衰减过程：0〜30 mL 为第一阶段快速衰减阶 段，这一阶段由于混合液中的污染物吸附堆积在膜 面和膜孔隙中而引起膜通量的迅速衰减；30〜
70 mL 为第二阶段假稳态阶段，此时膜面已经形成 了较为稳定的膜污染物滤饼层,因而膜通量也进入
相对稳定的阶段'0（.第一阶段（0〜30 mL ）SMP 组
和LB-EPS 组衰减更为明显，其中SMP 组最为严
重,MFR 和TB-EPS 膜通量衰减速度相近,衰减程
度较轻.SMP 、LB-EPS 、TB-EPS 、MFR 归一化通 量在约30 mL 处依次为0. 18、0. 38、0. 63、0. 47,用
时依次为4. 7、3. 2、2. 0、2. 3 min.第二阶段（30〜
70 mL ）SMP 和LB-EPS 组通量趋于稳定，但MFR 组通量衰减显著，最终通量与LB-EPS 组通量相近
甚至更低"SMP 、LB - EPS 、TB - EPS 、MFR
归一化通量最终依次稳定在0. 11、0. 22、0. 40、
0. 20,耗时依次为16. 1、7. 8、4. 3、7. 4 min.详细数据
如表3所d .
图3 EPS 各组分的归一化通量衰减情况
Fig3 NormalizeVfluxa t enuationofeach
componentofEPS
表3 不同组分两阶段过滤用时
Table 3 Ultrafiltration time for different components
样品体积/m L 用 /min
归化
/mL
用 /min
归化
SMP 0〜30
47
0. 18
30〜70161011LB-EPS 0〜3032038
30〜7078022
TB-EPS
0〜3020
06330〜7043040MFR 0〜30
23
047
30〜70
74
020
结合图3和表4,4种成分中SMP 对膜片造成 的污染最为严重,其次是LB-EPS,TB-EPS 对膜片
污染最轻• MFR 对膜片的污染在第二阶段加重可能 是由于恒压死端过滤装置让絮体结合更紧密，减小
了絮体之间的缝隙.2. 2. 2拟合结果分析
表4显示,污染模型与第二类标准堵塞模型拟
合程度不高，与4种经典堵塞模型拟合程度较高. SMP 、LB-EPS 和TB-EPS 的拟合结果都是标准堵
塞〉滤饼层堵塞〉中间堵塞〉完全堵塞，其中SMP
完全堵塞的拟合程度很低,疋 值为0. 592 1说明
SMP 不符合完全堵塞模型，主要是标准堵塞;LB- EPS 的拟合程度较高，标准堵塞的R 2
值为0 999 1,
说明LB-EPS 主要以标准堵塞为主；TB-EPS 和4
表4 线性拟
种模型都有较高的拟合性，拟合程度最高的是标准 堵塞,R 2值为0. 999 9,拟合程度最低的完全堵塞
R 2值为0. 936 3,说明TB-EPS 的膜污染由4种机
制共同引起，更为复杂•已有研究表明，低相对分子 质量的有机物可能会粘附在膜孔内部，从而导致标
准堵塞，而高相对分子质量的有机物可能会保留在
膜表面形成滤饼层•对于TB-EPS 的拟合结果可能 是由于沉积在膜表面的有机物的分子量分布较宽所 致.MFR 的拟合结果为中间堵塞〉滤饼层堵塞〉完
全堵塞〉标准堵塞，主要以滤饼层堵塞和中间堵塞 为主，其中标准堵塞的拟合程度最低，与SMP.LB-
EPS 和TB-EPS 组分的拟合结果相反.这主要是由
于MFR 的粒径相对较大，无法进入膜孔内部，而是 堆积在膜表面造成膜污染.
；果-2值汇总
Table4 R 2valuesofregressionanalysesoffoulingVuringtheultrafiltration
组分
完全堵塞标准堵塞中间堵塞滤饼层堵塞第 标 堵塞SMP 0. 592 1
09750
08214
0898600204
LB-EPS 0. 826 7099910927609544
05651TB-EPS
0. 936 309999097490987307990MFR
0. 915 5
08788
09736
09636
06380
第2期辛佳期等：EPS 组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响・67・
2.3膜污染物成分分析231 有机 染
图4(a)显示4种组分中SMP 的DOC 含量最
高，为 37. 1 mg/L,其次为 MFR,25. 5 mg/L ；超滤
后,DOC 减少最多的是MFR,共减少22. 4 mg/L, 其次是 SMP,下降了 13. 2 mg/L, LB-EPS 和 TB-
EPS 超滤后有机物减少量分别为0. 4和1.1 mg/L.
说明SMP 和MFR 更容易导致膜污染，这与膜通量
变化情况一致.图4(b)显示了 EPS 各组分SUVA
值的大小.SUVA 可用于描述有机碳中芳香类化合
物的相对含量'1(.当SUVA 值大于4时意味着大
分子疏水性有机物比重较大，而小于2时意味着亲
水性有机物占主导'2(.超滤前,4种组分的SUVA 值都小于2,说明4种组分都是亲水性有机物占比
更高;超滤后，每个组分的SUVA 值都有所上升,说 明超滤膜片截留了部分亲水性有机物，导致溶液中
亲水性有机物的占比下降.图4(c)是超滤前后4种 组分的UV 254变化情况・UV 254值最高的是SMP,其 次是LB-EPS,然后是TB-EPS ,小的是MFR ；超
滤后,下降最少的是TB-EPS ,其次是LB-EPS , M
次是MFR,下降最明显的是SMP.
图5显示了不同EPS 组分超滤前后的多糖、蛋
白质和腐殖酸含量变化•如图5所示，3种组分中, 多糖含量最高的是SMP ,质量浓度为13& 25 mg/
L ,其次是LB-EPS ,质量浓度为37. 86 mg/L ,含量
最低的是TB-EPS ,质量浓度是9. 64 mg/L.蛋白质 和腐殖酸都是LB-EPS 中含量最高,其次是SMP,
含量最低的是TB-EPS.不同EPS 组分按照多糖、
蛋白质和腐殖酸含量的总和计算,最高的是SMP, 质量浓度为197. 94 mg/L ,其次是LB-EPS ,质量浓
度为130. 60 mg/L ,含量最低的是TB-EPS ,质量浓
度为 51. 50 mg/L.
00000
4 3 2
1
(2
旦、U 0Q SMP LB-EPS TB-EPS MFR
样品
0 5 0 5 0 5 0
3.2.2.L L 0样品样品
图 4 超滤前后的 DOC(a)、SUVA(b )和 UV 254 (c)
Fig. 4 Changes of DOC (a) , SUVA(b) and UV 254 (c) before and after ultrafiltration
1510
(二
詬
旦、W 疑呱世
1501209060SMP
LB-EPS TB-EPS 样品
■滤前蛋白质TO 滤后蛋白质二滤前腐殖酸 二滤后腐殖酸
M 滤前多糖
2滤后多糖
图5超滤前后多糖、蛋白质和腐殖酸含量变化Fig. 5 Changes of polysaccharide, protein and humic acid before and after ultrafiltration
超滤后3种组分的多糖、蛋白质和腐殖酸都有
一定程度的下降，说明超滤膜片能截留这3种有机
物,SMP 组分的多糖含量下降最为明显，减少了
55. 72 mg/L ,其次是蛋白质，减少了 33. 68 mg/L,
然后是腐殖酸，减少了 2. 83 mg/L ；LB-EPS 组分下
降最多的是蛋白质，减少了 20. 15 mg/L ，多糖和腐 殖酸分别减少了 18 25和15. 78 mg/L ；TB-EPS 的
多糖、蛋白质和腐殖酸减少量情况与LB-EPS 相
同,依次为6. 09,10. 41和7. 32 mg/L.这符合膜通
量衰减线性拟合结LB-EPS 和TB-EPS 的污染
模型相似,SMP 的污染模型和另外两组略有不同.
图6显示了荧光成分以及通过EEM -
PARAFAC 分析确定的成分的E x 和E m 负载.在数
据处理时，对于组分4出现两个发射峰的问题进行
过再一步细分，但问题依然存在，所以可能是EEM- PARAFAC^ 法造成的误差导致.实验中的EPS 组
分三维荧光光谱图数据在PARAFAC 分析中确定
了 4个成分，具体结果如图6所示.组分1在E x
为
・68・膜科学与技术第41卷
300 nm 、E m 为340 nm 值，表明组分1是微
生物分泌的溶解性EPS
7 ；组分2的E .出现
双峰值，分别在230和270 nm 处E m 在340 nm 处出
值，这与
酸 样 '3(;组分3在E x 为200和280 nm 处出现双峰，E m 为310 nm 处有单值，与络氨酸
；组分4在E x 为275和
330 nm 处出现双峰值,E m 在420 nm 处出现峰值，表
明组分4是腐殖酸
'3-14(・由
果可知,膜
面有机污染 酸 、络氨酸 和
其
分 的 EPS
£x /nm
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
£x /nm
550,
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
550|
Ex/nm
组分4
360 380 40(
图6 成分图(左)以及根据EEM-PARAFAC 分析确定的E x 和E m 负载(右)
Fig. 6 EEM contour (left) and E x and E m loadings of the components (right ) according to PARAFAC analysis
用FTIR 鉴定官能团,进而推断有机污染物种 类.图7显示在3 400〜3 200、1 660〜1600& 080〜
1 070 cm -1等处都有峰值.其中3 400〜3 200 cm -1
处的峰值 对应于与 关的醇组分O —H
的伸缩振动，在2 923 cm -1处的弱吸收峰可能是
C-H 的伸缩振动'5(" 的存在可以通过在
1 280〜1 200 cm -1之间的弱峰来验证.1 660〜1 600 cm -1的吸收
映了
化合物中C=O
第2期辛佳期等：EPS组分对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中膜污染的影响・69・
和N—H键的存在,由于蛋白质是由氨基酸脱水缩合而成，所以此处的吸收峰证实了蛋白质的存在⑺.通过对超滤后膜片进行FTIR分析,再一次证明了多糖和蛋白质是主要污染物.
图7超滤膜片的FTIR图
Fig7FTIRanalysisofultrafiltrationmembrane
2.3.2絮体特征分析
图8为小球藻、活性污泥、MFR和藻菌共生体(提取微生物前混合液)的粒径分布情况•从图中的粒径分布可知，小球藻在4.71$皿处有峰值，活性污泥在29.9$m处有峰值.MFR共有3个峰: 3.33,33.15,255.58$m.根据小球藻的粒径分布和活性污泥的粒径分布可推断MFR中有游离的藻和泥，即藻菌并不是完全絮凝团聚.MFR的最后一个峰值在255.58$皿处，初步推测应为藻菌共生团聚而成•从提取前混合液的粒径分布情况来看,混合液的峰值与藻菌絮体几乎相同，但是混合液在224.95
16
14
12
10
0.1110100100010000
粒度分级仙
图8小球藻、活性污泥、微生物絮体残渣和
藻菌共生体的粒径分布图
Fig8TheparticlesizeVistributionViagramsof
chlore l a"activateVsluVge"microbialflocresiVues
anValgae-bacteriasymbiosis $m处体积密度为7.7%,远大于其他两处的峰值"说明藻泥共生情况良好.MFR在3.33和33.15$m 处峰值大于混合液，说明在提取EPS组分后部分絮体解散成为小的絮体颗粒.
3结论
藻菌共生体对畜禽养殖废水中氮磷具有很高的处理效果，在72h内氨氮去除率达到95.8%,磷酸盐去除率达到99.5%.但同时微生物分泌的EPS对后续膜过滤过程会产生较为严重的膜污染•通过将藻菌共生体分泌的EPS组分进行拆分以及对提取EPS后的微生物絮体分别进行超滤实验，来探索各组分对膜污染的贡献•结果显示，膜通量衰减情况呈现典型的两阶段式，即快速衰减阶段和假稳态阶段.各组分中，SMP组导致的膜污染最严重，其次是MFR,说明EPS组分中的SMP是导致膜污染的主要因素此匕外藻菌絮体本身对膜面和膜孔隙的堵塞也是加剧膜污染的重要原因.膜通量拟合结果表明SMP、LB-EPS和TB-EPS3种组分的拟合结果都是标准堵塞〉滤饼层堵塞〉中间堵塞〉完全堵塞,只有MFR的拟合结果是中间堵塞〉滤饼层堵塞〉完全堵塞〉标准堵塞，这也说明MFR和其他3种组分的膜污染机制是不同的.膜污染成分分析结果显示，造成膜污染的有机污染物主要是多糖和蛋白质类物质•综合上述结果可知，针对藻菌共生体在畜禽养殖废水处理中的膜污染问题,可以从EPS组分中SMP组分(尤其是多糖和蛋白质类物质)的去除和藻菌共生体的形态结构调控两个方面开展研究,为藻菌共生体处理与膜工艺耦合更好地在畜禽养殖废水处理中实践和应用提供了解决方案和技术支持.
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Effect of EPS components on membrane fouling in the treatment
of livestock and poultry breeding wastewater
XIN Jiaqi,ZHUO Mengqiong,SUN Sheng j in,GUO Yuantao,
XIAO CongUang,FANG Fan,LI Kun
(School of Resources Environmental&Chemical Engineering,Nanchang University,Key Laboratory
of Poyang Lake Environment and Resources Utilization,Ministry of Education,Nanchang330031,China)
Abstract:The EPS secreted by microbes could cause complicated membrane fouling conditions.To further exploretheinfluenceofEPSsecretedbythealgaeandbacteriasymbiontstreatinglivestockandpoultry breedingwastewateronthe membranefoulingconditions theEPSproducedbythealgaeandbacteria symbiontswasco l ected separatedanddividedintofourcomponents:solublemicrobialproducts(SMP) loosely bound extracellular polymeric substances(LB—EPS),tightly bound extracellular polymeric substances(TB-EPS)and microbial floc residue(MFR)after EPS extraction,to study the influence of di f erentextrace l ularpolymericsubstances(EPS)componentsonmembranefouling.Experimentalresults showthatthemembranefoulingcausedbySMPisthemostserious fo l owed by MFR.The linear fi t ing results show that SMP and LB-EPS are mainly standard blocking,MFR is mainly filter cake layer blocking and intermediate blocking,and TB-EPS is composed of four blocking models,which are more complicated.The po l utantcomposition analysis results show thatthe main organic ma t er causing membranefoulingarepolysaccharidesandproteinsubstances.
Key words:algae-bacteria symbionts；ultrafiltration；membrane fouling；extracellular polymeric substance。