孙晓航：MBR系统中微生物降解过程的跟踪监测
近来，新型冠状病毒肺炎疫情牵动着每个国人的心，疫情防控战役正酣，对于病毒会对水环境的影响也引来业界普遍关注和重视。
2011年1月，五位国内外学者联合发布了以“Monitoring Microbial Removal in MBR”为题目的英文学术论文，用以进行MBR系统中微生物降解过程的跟踪和监测。近日，北控水务技术委员会委员、北控水务中部区总工孙晓航和带领的技术团队将此论文翻译并进行了深度解读，以期对新型冠状病毒肺炎疫情期间，MBR系统中、各大水环境微生物降解过程的跟踪监测有所借鉴。
来源：中国水网 翻译：孙晓航
E20研究院水业研究中心解读：超滤膜能很好地拦截病原微生物，但在MBR反应器运行的过程中，不可避免地会产生一些膜的损伤，可能会对污染物去除能力造成影响。
本文对不同介质中不同的病原体，经过不同损伤程度的超滤膜过滤后LRV（对数去除能力）的分析比较，得出结论为：
一、压力衰减测试法不适用于监测和验证MBR运行过程中污染物的对数去除率（LRV）。
二、在MBR系统中，出水浊度增加与膜损伤严重程度有关。若膜的损伤程度在一定范围内，膜对病原体的去除能力不会受太大损害，因为病原体仍会被吸附在水中较大的胶团之上而难以通过膜；若膜受损过重，浊度会明显增加，LRV明显下降。
实验中，对于本地病毒经过MBR过滤后，观察到的LRV中位数= 3.8 log，所有样本集的95％LRV大于或等于3.1 log。
——E20研究院水业研究中心高级行业分析师 宋天辰
翻译成文如下：
MBR系统中微生物降解过程的跟踪监测
当今膜处理法已属于常用饮用水处理工艺。然而由于饮用水与污水两种介质间存在的巨大差异，使得在饮用水膜处理领域中常用的方法论在MBR（膜生物反应器）工艺中的推广应用受到了阻碍，因此，我们亟需一种有效的在线监测手段来了解MBR反应器中污染物的微生物降解过程。本文的主要目的就在于明确MBR反应器对污染物中微生物群落（包括原生物、细菌（含大肠杆菌群）和病毒）的对数去除能力，并找到一种能够监测和证实其对数去除率（LRV）的实用方法。实验中分别使用了全新的GE ZeeWeed®系列超滤膜以及人为制造了针孔、磨损和不同程度断丝的超滤膜进行测试。实验中观察到，通过压力衰减测试计算出的各组LRV值基本上均低于污染物LRV预测值，尤其是在膜受损的情况下。当膜的受损程度较大时，会引起污染物LRV值的显著下降，这一结论与膜渗透物浊度在线监测结果相吻合。
我们对10组使用了GE ZeeWeed®超滤膜的MBR反应器实施了为期1.5年至7.5年不等的全面监测。每组反应器每隔数月定期采样进行大肠杆菌菌群浓度检测。结果表明，大肠杆菌菌群浓度持续保持低水平，并大大低于出水水质要求浓度。
关键词：膜反应器，微生物降解，超滤，浊度
GE ZeeWeed®系列超滤膜对于病原微生物是极佳的拦截屏障，然而在MBR反应器的运行环境中，不可避免地会出现一定程度的膜损伤，从而造成膜拦截效果的折损。对于完好的膜和受损的膜，病原微生物的去除程度尚无法准确预测。
在饮用水处理应用技术领域，美国环境保护署颁布的《膜过滤指南（2005）》中已提供了验证膜材料完好性的推荐方法，包括直接监测法与间接监测法。目前已经开展了大量的工作以将膜完整性测试的结果与低压和高压膜在饮用水处理中的病原体去除能力联系起来。Guo等人最近的（2010年）一项报告描述了多种用于低压膜完整性的方法及其优点和缺点，包括使用这些方法的三十多个参考文献。Guibert和Colling（2011年）详细介绍了使用最常用的工具监控膜完整性、病原体去除以及压力衰减测试时对参数选择的影响。
另一方面，在污水处理应用中，即使通常确定微生物去除率（例如Zanetti等（2010），Hirani等。（2010），Zhang和Farahbakhsh（2007））很少有人尝试将去除能力与膜的完整性联系起来。
这项工作的总体目的是为以下微生物污染物（原生动物，细菌（大肠菌）和病毒）建立MBR对数清除值（LRV），并建立监测和验证LRV的实用方法。测试是使用完整的GE®超滤膜和故意采用具有针孔、磨损和纤维切割损坏的膜进行的。
具体目标如下：
A) 评估生物反应器中高固含量基质对污染物LRV的影响。这是污染物吸附到固体上以及从膜上的固体层动态过滤的综合作用。
B) 评估膜压力衰减测试和在线渗透物浊度监控的有效性，以验证MBR系统中的污染物LRV。
C) 在MBR系统中建立污染物LRV概率。
测试分两个阶段进行。在阶段1中，对中试膜组件（组件表面积为10 ft2)进行测试。在阶段2中，在典型的满通量MBR设计条件下，对三个全规格的ZW500D®模块（模块总表面积1110 ft2）进行测试，。
对于这两个阶段，膜的完整性都会受到针孔，磨损和纤维切割的影响。在整个测试过程中，使用Hach Filtertrak 660 sc激光浊度仪在线测量渗透浊度，并进行了气泡点测试和压力衰减测试。
阶段1
第1阶段实验是序批式实验，其中污染物直接接种到生物反应器中。接种和采样遵循EPA膜过滤指导手册中概述的程序。实验的目标生物是肠病毒和隐孢子虫。根据USEPA的《膜过滤指南》，MS2噬菌体和枯草芽孢杆菌的孢子分别用作目标生物的替代物。
第1阶段的主要目标是评估生物反应器中固体对污染物LRV的影响。因此，在三个子阶段1a、1b和1c中测试了三个模型。对于阶段1a，生物反应器装满了清水（没有固体）。对于阶段1b，中试生物反应器中装满了清水和胶体悬浮物（固体，但无生物活性）。对于阶段1c，中试生物反应器装满了来自相邻运行中的MBR系统的混合液。
接种后，开始进行膜过滤。将膜出水再循环回生物反应器，以确保没有细菌从系统中丢失。在采样前分配了几个生物反应器HRT以确保达到稳定状态。基于生物反应器内容物和膜渗透物的协调抓取样品计算污染物LRV。因此，报告的LRV代表整个膜过滤系统的去除能力（例如从混合液到膜渗透物）。
在采样的同时进行压力衰减测试，并记录了在线采样时的渗透物浊度。
阶段2
在阶段2中，生物反应器将未经筛分的市政污水作为中试原料连续运行。该测试的目标生物是全部本地菌群和粪便大肠菌、大肠杆菌和噬菌体。这些细菌生长在自然界的污水中，不需要接种，。
根据筛选后的原污水、生物反应器内容物和膜渗透物的抽取整合样本来计算污染物LRV。计算了膜过滤系统的LRV（混合液至膜渗透物）和整个MBR（流入污水至膜渗透物）。
全面监测
渗透量通过微生物（总大肠菌群、大肠杆菌、粪大肠菌群）和浊度来量化。在膜过滤后和消毒前立即收集所选单元的样品。选择了十组MBR单元进行渗透量评估。
生物反应器固体对污染物LRV的影响
第一阶段的测试清楚地表明了混合液生物反应器固体对污染物LRV的重要性。在阶段1c（MBR模式）中，污染物LRV始终高于纯净水或带微球的纯净水（阶段1a和1b）。当膜被故意损坏时尤其如此。诸如针孔之类的较小损坏在1c阶段对LRV的影响可忽略不计，但在1a和1b阶段则对LRV产生了重大影响（见图1）。要观察MBR操作中对污染物LRV的显著影响，需要大量的膜损伤，例如多条纤维切割。假设污染物会吸附到混合液中更大的絮体上，该絮体对完整和损坏的膜都具有很高的排斥性。此外，在膜表面可能存在大量的动态过滤层，无论膜破裂与否，都能提供一定程度的过滤。
评估膜压力衰减和渗透物浊度以监测和验证污染物LRV
确定了两种监测和验证污染物LRV的潜在方法：
A) USEPA膜过滤指南手册中概述的压力衰减测试。
B) 在线监测膜渗透物浊度。
通过压力衰减测试计算污染物LRV确定的几个关注点。包括：
（1）基于饮用水应用的压力衰减LRV模型，并且未考虑MBR应用中污染物吸附到混合液基质上的情况。
（2）压力衰减LRV模型不考虑在膜表面上产生的动态过滤层。对于饮用水应用，这个问题是公认的，而对于MBR应用来说这个问题可能会更加严重，因为在MBR应用中，混合液体基质可以形成比饮用水应用过程中更为有效的过滤层。
（3）LRV模型需要使用体积浓度系数（VCF），该系数说明了与饮用水相比，膜周围固体浓度的增加程度。该因素不能解释MBR生物反应器中发生的生物量增长或与批处理污泥消耗相关的VCF降低。
（4）压力衰减监测是间歇性的，不能提供连续监测。定期进行压力衰减监测会增加膜过滤的停机时间和系统成本。
图1 采用ZW10模块下针孔和纤维断裂对MS2 LRV的影响
压力衰减测试的实验评估
在第一阶段进行了压力衰减测试，根据USEPA膜过滤指导手册计算中的概述估算了污染物LRV。假设VCF为200进行计算。预测的LRV值基于典型泡点压力（小于0.3 bar）下的压力衰减率，理论上只能检测到6微米的裂口，比目标污染物尺寸更大，特别是病毒。要检测病毒尺寸级别的破坏，将需要超过70 bar的不切实际的测试压力。
使用MBR操作（阶段1c），图2中显示了观察到的枯草杆菌LRV与通过压力衰减测试预测的典型比较。测得的LRV明显大于预测的LRV。对于完整的膜，预测的LRV为3.5 log，而观察到的LRV> 5 log。对于受损的膜，预测值与观察值之间的差异要大得多。较小的膜损伤对测得的LRV影响很小，但对预测的LRV影响很大。预测的LRV有时为负值，这是因为膜损坏的高压衰减率较高（图2中显示为零的预测LRV）。
基于对当前压力衰减LRV计算方法的关注，以及实验结果表明预测的LRV和观察到的LRV之间几乎没有相关性，由此得出结论，压力衰减测试不适用于MBR操作中监测和验证污染物LRV的情况。
图2 混合液中枯草杆菌的LRV计算值和LRV测量值的比较
在线浊度监测的实验评估
在线检测渗透浊度相比压力衰减测试具有许多实际优势，并且多年来一直被认为是MBR性能监测的一种手段。对于来自MBR的再生水，加利福尼亚州第22条法规要求在95％的时间内在线渗透浊度低于0.2 NTU，最大值不超过0.5 NTU。
在具有乳胶微球的1b阶段中，最紧密地评估了受严重破坏的膜对浊度的响应，以及相关的污染物LRV。MS2大肠杆菌噬菌体的典型反应结果如图3所示。膜孔对渗透物浊度和MS2大肠杆菌噬菌体LRV的影响可忽略不计。但是，短纤维可能不会塞入微球基质中，导致LRV大大降低。渗透物浊度对膜损伤的响应非常迅速，远远超过了0.2 NTU（渗透物浊度的正常可接受的工作阈值）（注意，单根短纤维的效果被放大，因为在 ZW10模块中，单根短纤维在纤维膜中占很高的百分比）。
在阶段1c中，观察到了类似的膜渗透浊度对纤维切割的反应，尽管即使在多条切割纤维之后，污染物LRV也没有显着降低（因为污染物吸附到混合液固体上，如之前讨论过动态过滤）。结论是，浊度对检测膜损坏具有足够的响应能力，这将导致污染物LRV显著下降，浊度阈值为0.2 NTU似乎适合验证污染物LRV。
图3 在纯净水中使用带有乳胶微球的ZW10模块在针孔和纤维断裂下对浊度和MS2 LRV的影响
在MBR运行中测得的污染物LRV和相关的浊度
以下各节介绍了阶段1c和阶段2的测量污染物LRV和相应的在线渗透浊度测量（阶段1c和2均为混合液的膜过滤；即MBR）。浊度增加通常与膜损伤严重程度有关。并提供了观察到的污染物去除的概率图，渗透物浊度小于0.2 NTU。
原生动物LRV（阶段1：混合液渗透）
表1总结了原生动物替代枯草杆菌的LRV结果（从混合液到渗透液）。对于18个数据集中的9个数据，膜渗透浊度小于0.2 NTU，而对于其他9个实验，膜受损程度足以产生更高的渗透物浊度。
表格1：阶段1：枯草杆菌LRV（混合液渗透）和相关渗透浊度
对于渗透浊度大于0.2 NTU的数据集，其LRV通常低于渗透浊度小于0.2 NTU的数据集。
膜渗透浊度小于0.2 NTU的LRV观测数据的概率图见图4。观察到的LRV中值为5.7 log。100％全样本的LRV等于或大于4.9 log。
图4 阶段1:原生动物代表枯草杆菌的膜LRV(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
大肠菌LRV（阶段2：混合液渗透和污水渗透）
表2和表3分别总结了通过膜过滤系统（混合液渗透）和通过生物反应器-膜系统组合（废水渗透）获得的总大肠菌群、粪便大肠菌群和大肠杆菌的LRV结果。
对于这81个数据集，有54个膜渗透物浊度小于0.2 NTU，而对于其他27个数据集，有足够的膜损伤以产生更高的渗透物浊度。渗透浊度大于0.2 NTU的数据集的LRV通常低于渗透浊度小于0.2 NTU的数据集的LRV。
根据膜渗透物浊度小于0.2 NTU的观察数据集创建LRV概率图。图5和图6分别显示了通过膜过滤系统本身和通过生物反应器-膜系统的组合实现的去除程度。在整个膜过滤系统的LRV的中，总大肠菌群的中值LRV为6.1 log，粪大肠菌群为6.0 log，大肠杆菌为5.3 log。对于组合的生物反应器-膜系统，观察到的LRV中位数，总大肠菌群为6.6 log，粪大肠菌群为6.4 log，大肠杆菌为6.2 log。
对于通过膜过滤系统实现的去除，所有样本集中有95％的总大肠菌群的LRV大于或等于4.2 log。对于粪大肠菌群，所有样本集中有95％的LRV大于或等于4.3 log。对于大肠杆菌，所有样本集中有95％的LRV大于或等于4.3 log。对于组合的生物反应器-膜系统，所有样本集中有95％的大肠菌群的LRV大于或等于5.0 log。对于粪大肠菌群，所有样本集中有95％的LRV大于或等于4.8 log。对于大肠杆菌，所有样本集中有95％的LRV大于或等于4.8 log。
表2 阶段2：大肠杆菌LRV（混合液渗透）和相关渗透液浊度
*使用分析检测极限计算渗透物中未检测到的大肠菌群值时的LRV。
表3 阶段2：大肠菌LRV（渗透废水）和相关渗透物的浊度
*使用检测限计算在渗透液中发现的非大肠菌群值时的LRV。
图5a 阶段2:总大肠菌LRVs(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图5b 阶段2:粪便大肠菌LRVs(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图5c 阶段2：大肠杆菌 LRVs(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图6a 阶段2:总大肠菌群LRV(污水渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图6b 阶段2:粪便大肠菌群LRVs(污水渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图6c 阶段2: 大肠杆菌LRVs(污水渗透) ，渗透浊度< 0.2 NTU
接种的病毒LRV（阶段1：混合液渗透）
表4总结了阶段1中MS2噬菌体病毒的LRV结果。对于24个数据集中的11个数据，膜渗透率浊度小于0.2 NTU，而对于其他13个数据集，则有足够的膜损伤以产生更高的渗透率浊度。对于渗透浊度大于0.2 NTU的数据集，通过膜获得的LRV通常要比对于渗透浊度小于0.2 NTU的数据集的LRVS更低，这表明渗透浊度监测有效地分辨出了LRV的下降。
图7显示了膜渗透物浊度小于0.2 NTU的数据集的MS2 LRV概率图。观察到的LRV中位数为5.1 log。对于所有100％的样本集，观察到的MS2 LRV大于或等于3.2 log。
LRV本地病毒（阶段2：混合液渗透，污水渗透）
表5和表6总结了通过膜过滤系统本身和通过生物反应器-膜系统的组合获得的本地病毒LRV结果。对于这81个数据集中的54个，膜渗透物浊度小于0.2 NTU，而对于其他27个数据集，有足够的膜损伤以产生更高的渗透物浊度。
分别通过膜过滤系统本身和通过生物反应器-膜组合过滤系统去除本地病毒LRV，膜渗透率浊度小于0.2 NTU以绘制概率图（图8）。观察到的LRV中位数，单独的膜为4.2 log，生物反应器-膜系统组合为3.8。单独的膜过滤系统中，有95％的样品LRV大于或等于3.6 log，而生物反应器-膜系统组合的LRV大于或等于3.1 log。
表4 阶段1：接种的病毒LRV（混合液渗透）和相关渗透浊度
图7 阶段1: 接种的病毒LRVs(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
表5 阶段2：本地病毒LRV（混合液渗透）和相关渗透浊度
表6 阶段2：本地病毒LRV（渗透废水）和相关渗透物浊度
图8a 阶段2:本地病毒LRV(混合液渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
图8b 阶段2:本地病毒LRV(污水渗透)，渗透浊度< 0.2 NTU
全面性能监控
在使用GEZeeWeed®超滤膜的10个 MBR模型上启动了全面性能监控程序，为期1.5至7.5年。数个月内，在十家工厂中的每一家都定期取样测量膜渗透液的大肠菌浓度。所有样品的收集都在经过任何消毒之前。结果如图9所示。结果表明，大肠菌浓度始终较低，大大低于实际出水要求浓度。
图9 全规模MBR渗透大肠菌群汇总
对于使用压力衰减测试计算出的LRV值来监测和验证MBR反应器中污染物的去除情况，本实验得出了几个关键结论：目前所开发的用于饮用水处理的技术方法，并未考虑混合液中悬浮固体对污染物的吸附以及动态过滤层的影响。本实验结果表明，基于压力衰减测试计算出的LRV数据总体上低于可观测到的污染物的LRV预测值，尤其是在膜受损的情况下。可以明确的是，压力衰减测试法不适用于监测和验证MBR反应器运行过程中污染物的对数去除率（LRV）。
在MBR反应器的运行过程中，通常只有在膜发生严重损伤时才会导致污染物LRV值的明显下降。诸如针孔之类的轻微膜损伤所产生的影响可以忽略不计，这是因为污染物吸附到了混合液中更大的絮体上（即使是对于受损的膜，这些絮凝体大多也被膜表面排斥），以及动态过滤层的影响。膜出水浊度在线监测技术具有充分的响应性，可用于表征导致污染物LRV值显着下降的膜损伤程度。
污染物LRV的概率图是从渗透率浊度保持小于0.2 NTU的数据集生成的。仅膜过滤系统（混合液渗透）观察到以下LRV：
枯草芽孢杆菌 观察到的LRV中位数= 5.7 log
所有样本集的100％LRV大于或等于4.9 log
总大肠菌群： 观察到的LRV中位数= 6.1 log
95％的样本集LRV大于或等于4.2 log
粪大肠菌群： 观察到的LRV中位数= 6.0 log
所有样本集的95％LRV大于或等于4.3log
E.大肠杆菌： 观察到的LRV中位数=5.3 log
所有样本集的95％LRV大于或等于4.3 log
MS2 噬菌体： 观察到的LRV中位数= 5.1 log
所有样本集的100％LRV大于3.2 log
本地病毒： 观察到的LRV中位数= 4.2 log
95％的样本集的LRV大于或等于3.6 log
对于组合的生物反应器-膜系统（废水要渗透）：
大肠菌群总数： 观察到的LRV中位数= 6.6 log
所有样本集的95％LRV大于或等于5.0 log
粪大肠菌群： 观察到的LRV中位数= 6.4 log
所有样本集的95％LRV大于或等于4.8log
E.大肠杆菌： 观察到的LRV中位数=6.2 log
所有样本集的95％LRV大于或等于4.8log
本地病毒： 观察到的LRV中位数= 3.8 log
所有样本集的95％LRV大于或等于3.1 log
在十个运行1.5至7.5年的工厂中进行的全面性能采样程序显示，膜渗透性大肠菌群浓度始终较低，大大低于实际废水要求。
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编辑 |刘影、李丹
统筹 | 谷林
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