工业水处理, 2022, 42(9): 8-13 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-0837

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典型突发事件对二级出水超滤膜污染的影响研究进展

邱晓鹏,1,2, 李显鹏1,2, 王佳琪1,2, 张耀中1,2, 武桦1,2, 郑兴,1,3

1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048

2.西安理工大学陕西省水资源与环境重点实验室, 陕西 西安 710048

3.国家环保设备质量监督检验中心(江苏), 江苏宜兴 214205

Research progress on the influence of typical emergencies on ultrafiltration membrane fouling caused by secondary effluent

QIU Xiaopeng,1,2, LI Xianpeng1,2, WANG Jiaqi1,2, ZHANG Yaozhong1,2, WU Hua1,2, ZHENG Xing,1,3

1.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China

2.Shaanxi Key Laboratory of Water Resources and Environment，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China

3.National Environmental Protection Equipment Quality Supervision and Inspection Center（Jiangsu），Yixing 214205，China

收稿日期: 2022-07-02  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51878555.  51809210
中国博士后科学基金会.  2018M633646XB
陕西省自然科学基金资助项目.  2018JQ5154
陕西省教育厅重点实验室资助项目.  18JS075

Received: 2022-07-02  

作者简介 About authors

邱晓鹏（1988—）博士，讲师电话：17719519261，E-mail：qiuxiaopeng@xaut.edu.cn , E-mail：qiuxiaopeng@xaut.edu.cn

郑兴，博士，教授，博士生导师电话：029-83239907，E-mail：zhengxingde@yahoo.de , E-mail：zhengxingde@yahoo.de

摘要

超滤工艺被广泛应用于城镇污水厂二级出水的深度处理，其膜污染问题是阻碍水回用系统经济、稳定运行的重要因素。当前突发环境事件频发，已对污水厂深度处理的稳定性构成严重威胁。综述了二级出水有机物特征对超滤膜污染的影响，总结了典型环境突发事件对污水处理系统中微生物代谢和群落结构的影响，在此基础上对典型突发事件影响下二级出水超滤膜污染的未来研究方向提出了建议，旨在降低未来突发环境事件对污水厂运行的负面影响。

关键词： 突发环境事件 ; 微生物代谢 ; 群落结构 ; 二级出水有机物 ; 膜污染

Abstract

Ultrafiltration is widely applied as an advanced treatment process to treat the secondary effluent of municipal wastewater. However，membrane fouling has long been an important factor influencing the economy and stability of the water reuse system. Currently，high frequent occurrence of environmental emergencies poses huge threats to the advanced treatment of sewage plants. Characteristics of effluent organic matter and their influence on ultrafiltration membrane fouling were reviewed. The effects of environmental emergencies on microbial metabolism and microbial community structure in wastewater treatment systems were summarized. Based on this information，the research directions of mechanism and control of ultrafiltration membrane fouling under the influence of environmental emergencies were recommended. It is hoped to reduce the negative impacts of future environmental emergencies on the operation of wastewater treatment plants.

Keywords： environmental emergencies ; microbial metabolism ; community structure ; effluent organic matter ; membrane fouling

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邱晓鹏, 李显鹏, 王佳琪, 张耀中, 武桦, 郑兴. 典型突发事件对二级出水超滤膜污染的影响研究进展. 工业水处理[J], 2022, 42(9): 8-13 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0837

QIU Xiaopeng. Research progress on the influence of typical emergencies on ultrafiltration membrane fouling caused by secondary effluent. Industrial Water Treatment[J], 2022, 42(9): 8-13 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0837

我国污水厂二级出水深度处理与回用是大势所趋。2021年1月1日，国家发改委领衔十部委联合发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》，对我国未来一段时期内污水回用规划做出了顶层设计，为全国市政污水厂的二级出水真正成为“城市第二水源”提供了强大的政策推力。为保障二级出水水质满足回用要求，超滤膜工艺被广泛应用，而保障该工艺长期稳定和经济运行的关键是有效的膜污染控制〔1-2〕。由于膜污染是水中有机污染物在膜表面与膜孔内形成的不可逆沉积所致，因此，长期以来对二级出水中有关膜污染的水质特征（水征）研究一直是热点话题〔3〕。

当前，各类影响污水处理过程的突发环境事件频发。例如，由于新冠疫情突发需要大规模频繁使用消毒剂而造成的药剂短期大量排放，日均发生1~2起污水污泥偷排、有毒物质泄漏等人为环境事件，以及极端温度变化等自然灾害〔4〕。突发环境事件发生时，污水厂的进水水质或运行条件发生变化，造成对污水厂微生物生存环境的冲击，进而改变微生物代谢产物的时空分布，对膜污染效果产生重大影响（图1）。笔者针对典型突发环境事件频发的新形势，以二级出水关键膜污染有机污染物为研究对象，综述了突发环境事件对其特征和后续超滤膜污染的影响，以期为超滤工艺在污水回用中的经济稳定运行提供参考。

图1

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图1   突发环境事件影响污水厂二级出水超滤膜污染示意

Fig. 1   Schematic of the influence of environmental emergencies on ultrafiltration membrane fouling caused by secondary effluent


1 二级出水有机物（EfOM）水征及对超滤膜污染的影响

污水厂二级出水有机物（EfOM）主要包含污水处理中的微生物代谢产物（SMPs）、人工合成有机物（如药品、杀虫剂、个人护理品等）、源于饮用水源的难降解有机物和少量非溶解态有机物（如浮游动物、细菌等），其中以SMPs所占比例最高〔5〕。EfOM的组分复杂，其中既包括蛋白质、多糖等大分子物质，也包括氨基酸、羧酸、醇、醛等小分子有机物〔6〕。因此，对EfOM中所有组分进行定量分析并不现实。近年来随着研究的深入，与膜污染相关的EfOM水征逐渐清晰。

EfOM的分子质量分布（MW）已被证实与超滤膜污染有着较强的相关性。Linhua FAN等〔7〕对比了预过滤、混凝和阴离子交换树脂对EfOM膜污染的影响，结果表明EfOM中分子质量在40~70 ku的大分子有机物如溶解性微生物产物、蛋白质类物质等是导致膜污染的主要因素；Xing ZHENG等〔8〕采用LC-OCD-OND对超滤杯的进出水MW进行分析，不同水样的色谱图结果表明大分子胞外聚合物几乎完全被超滤膜截流，其含量与水样的膜阻正相关；R. K. HENDERSON等〔9〕对5种污水厂出水进行超滤实验，发现超滤工艺对大分子胞外聚合物的去除最为明显，表明大分子胞外聚合物是影响超滤膜污染的重要因素；K. JEONG等〔10〕研究表明臭氧可将EfOM中的部分大分子有机物（＞5 ku）氧化降解为小分子有机物，从而减缓了后续超滤膜的通量下降。

有机物的亲疏水性对有机物与膜之间、有机物之间的相互作用有重要影响，是影响EfOM超滤膜污染行为的重要因素。C. JARUSUTTHIRAK等〔11〕的研究结果表明EfOM中疏水性和过渡亲水性组分对超滤膜污染的影响小于胶体物质，但是其疏水作用力对疏水膜的通量下降起到重要作用；Xing ZHENG等〔12〕研究了不同EfOM组分对超滤膜污染的影响，结果表明疏水性有机酸和过渡亲水性物质与大分子胞外聚合物的相互作用可能会加重超滤膜污染；Kang XIAO等〔13〕研究表明膜的疏水性决定了膜污染的不可逆性，不同亲水性/疏水性组分的膜污染行为与膜的性质（疏水性、孔径等）相关；Rui MIAO等〔14〕利用原子力显微镜研究了不同EfOM组分与PVDF膜的相互作用力，发现亲水性EfOM组分对过滤初期的膜污染贡献较大，而疏水性组分对过滤后期的膜污染贡献较大。

激发发射矩阵荧光光谱法（EEM）可用于分析水中荧光类有机物组分，其灵敏性高且便于实现在线监测，在水工业中受到了广泛的关注〔15〕。Huarong YU等〔16〕研究表明EfOM中的络氨酸类物质是造成超滤膜污染的主要污染物，可以作为膜污染的指示剂；E.FILLOUX等〔17〕研究发现EfOM中的腐殖酸类物质会加重超滤膜的不可逆污染；Q. V. LY等〔18〕报道了EfOM对混凝-超滤工艺中膜污染的影响，发现经过混凝/絮凝工艺后蛋白质类物质与可逆膜污染具有较强的相关性。

综上所述，当前与EfOM膜污染水征有关的成果主要集中在有机物的分子量分布、亲疏水性、EEM光谱特性等。相关成果表明，EfOM的组分在细微颗粒物、高价阳离子和微生物絮体的协同影响下，与膜材料发生复杂作用，对二级出水的膜污染行为有重要影响。探究不同工况下EfOM的水征对研究二级出水膜污染机理及其控制具有重要的理论价值和实际指导意义。

2 典型突发环境事件对微生物代谢产物的影响

微生物代谢产物（SMP）是污水厂EfOM的重要组成部分〔19-21〕。SMP的生成过程受微生物生存状态决定，环境变化导致微生物代谢活动受到胁迫，会显著改变SMP的组分与特性，从而影响其膜污染行为。不同类型的突发环境事件对污水处理工艺中微生物代谢的影响不同，从而造成SMP成分的差异和EfOM膜污染行为的迥异。

因意外事故造成的有毒物质泄漏会造成污水厂进水水质的变化，可能会导致微生物代谢产物浓度升高和EfOM膜污染恶化。Tong LIU等〔22〕报道了铜、汞、银离子浓度的突然增加会促进大分子胞外聚合物和腐殖质类物质含量上升，这表明在铜、汞或银离子的胁迫下微生物会释放大量SMP并加剧后续膜污染；T. TRINH等〔23〕报道了氨氮冲击负荷造成的膜污染的可逆性明显高于其他突发事件，表明不同影响因素引发SMP组分的变化，造成膜污染效果迥异；T. MAQBOOL等〔24〕研究发现高盐度胁迫下SMP中会富集更多的容易引发膜污染的物质，如色氨酸类物质和大分子聚合物；Xing ZHENG等〔25〕系统研究了十多种重金属对微生物分泌和代谢产物的影响，发现不同重金属的效果差异显著，利用基因毒理分析技术转录效应水平指数（TELI）作为研究手段，进一步量化了膜应激、蛋白质抑制、氧化应激等相关的十余种基因对大分子聚合物、有机氮物质分泌的影响。

公共卫生事件如新冠疫情带来的区域大规模消杀，使得排入污水厂的含活性氯等消毒物质显著增加〔26〕。这些种类、浓度不一的消毒剂会对污水厂带来怎样的影响，尤其是对SMP组分和特征的影响，现在尚缺乏系统的研究与评估。Zhongbo ZHOU等〔27〕对比了次氯酸钠对三种大分子有机物（EfOM中的大分子聚合物、牛血清蛋白和右旋糖酐）性质和官能团的影响，结果表明次氯酸钠剂量的增加会降低EfOM中大分子聚合物的含量，但是可能会增加牛血清蛋白的分子质量；Xiaoliang LI等〔28〕的研究表明不同种类的氧化型和非氧化型杀菌剂对微生物的毒性差异大，这可能会引发不同的微生物效应，带来微生物代谢产物的显著变化，影响膜污染水征有机物的组分和浓度。

近年来，极端气候事件发生频率增加，其中对污水厂运行影响较为严重的是气温骤降导致的进水温度剧变。在急剧的水温波动条件下，污水厂中常规的嗜温菌代谢活动受到严重影响，而嗜冷菌仍可以保持较高的有机物去除效率〔29〕。Chen TAO等〔30〕报道了低温会导致SBR反应器中大分子聚合物浓度升高，且胞外多糖对温度的敏感性高于蛋白质，该研究成果表明低温条件可能会加剧EfOM的膜污染；P. KRZEMINSKI等〔31〕研究表明低温使得膜生物反应器中微生物量降低，污水中有机物的生物降解作用减弱，低温条件下污水中大量的胶体和溶解性组分均是造成膜污染的重要因素；P. VAN DEN BRINK等〔32〕研究表明低温使得活性污泥释放了更多的大分子多糖和小分子物质，这是造成低温条件下膜污染加剧且可逆性降低的原因之一。

当前环境突发事件种类日趋复杂，新型环境突发事件（如新冠疫情、极端气候事件）频发，揭示其对污水厂微生物代谢产物的影响，探明EfOM膜污染水征在典型环境突发事件下的变化规律，对二级出水膜污染控制具有重要意义。

3 典型突发环境事件对污水厂微生物种群的影响

污水厂EfOM水征的差异不仅源于微生物代谢活动的变化，微生物群落结构的差异也会导致SMP特征的变化，进而影响后续膜污染行为。不同种类微生物对膜污染的影响存在差异，例如丝状菌生物量增加易加重膜污染，而微生物种群多样性的提高有助于减缓膜污染。

突发环境事件不仅会影响微生物的代谢活动，其对污水处理系统中微生物群落结构的影响也不可忽视。污水厂进水中有毒物质如重金属等浓度的升高会显著改变生物反应池中的微生物群落。污水系统中不同种类微生物对各类有毒物质的敏感性不同〔33〕，这是有毒物质改变污水厂微生物群落结构的根本原因。S. A. BHAT等〔34〕对比研究了铜、铅和二价镉对活性污泥微生物群落的影响，通过聚类分析和主成分分析发现不同种类重金属胁迫下活性污泥微生物的群落结构不同；Dongqi WANG等〔35〕探究了汞离子对序批式反应器中微生物群落和酶活性的影响，结果表明短期内汞离子浓度的骤升会导致马氏副球菌和胶团杆菌丰度降低。

公共卫生事件可能造成过量消毒剂进入污水厂从而影响微生物群落。目前并没有与此直接相关的文献报道，然而已有研究表明消毒剂的存在确实会改变水中微生物的群落结构〔36〕。罗立炜等〔37〕研究表明甲基异噻唑酮（一种非氧化抗菌剂）抑制了反渗透系统中微生物的生长，但是也改变了微生物的群落结构并促进了胞外聚合物的释放；Haiya ZHANG等〔38〕研究了次氯酸钠和二氧化氯对再生水系统中微生物群落的影响，发现微生物群落的变化与消毒剂的种类、剂量及消毒时间相关。

温度是影响微生物群落的重要环境因子，极端气候事件造成的污水厂水温波动对微生物群落结构的影响不容忽视。Nanqi REN等〔39〕研究了温度冲击对强化生物除磷系统中聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）的影响，结果表明温度冲击对PAOs丰度的影响要大于对GAOs，GAOs可以更好地适应温度变化并在（14±1） ℃条件下处于主导地位；W.AHMED等〔40〕探究了低温冲击对移动床膜生物反应器中微生物群落的影响，Beta多样性分析表明当水温从10 ℃降至1 ℃生物膜上的微生物群落发生明显转变；C. S. COURAS等〔41〕对比了水温、水力条件和进水脂肪冲击对升流式厌氧污泥床中微生物的影响，结果表明温度对单胞菌科的影响程度最大。

上述研究表明，研究突发环境事件的冲击影响，也需要从微生物种群结构方面着手。污水处理厂运行条件的改变会造成微生物群落结构的差异，从而改变代谢产物的组分，影响膜污染水征有机物组成和后续膜污染效果。探究典型环境突发事件下污水厂微生物群落结构的迁移演变规律，揭示其与EfOM水征和后续膜污染行为的内在联系，是应对EfOM膜污染问题的一个重要研究方向。

4 结语与展望

目前，与超滤膜污染相关的EfOM水质特征已较为清晰，突发环境事件可显著改变污水处理系统中微生物的代谢活动和群落结构，从而影响EfOM水征和后续膜系统稳定性。然而，典型突发环境事件对EfOM特征及其膜污染行为的影响还有待系统研究。鉴于此，今后还需在如下几个方面进行深入研究：（1）探究典型环境突发事件对污水厂EfOM与膜污染相关水质特征的影响；（2）揭示环境突发事件胁迫下污水厂微生物代谢产物的释放规律，系统研究对功能微生物代谢活动的影响；（3）加强对污水处理系统中微生物群落演变的研究，探明其与微生物代谢产物特征的关联；（4）结合微生物代谢变化和群落结构演替，构建典型环境突发事件下污水处理系统微生物代谢产物的释放模型；（5）利用研究成果，探究在环境突发事件中需要采取的主要技术措施，以降低膜污染的负面效应。


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