一體式厭氧膜生物反應(yīng)器處理低濃度污水

厭氧膜生物反應(yīng)器是將厭氧生物技術(shù)與膜技術(shù)相結(jié)合，利用水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)的分離來(lái)處理污水的技術(shù)。與其他厭氧生物處理工藝一樣，在AnMBR處理污水的過(guò)程中，污水中的有機(jī)污染物可以被厭氧微生物降解，轉(zhuǎn)化為甲烷，可以抵消污水處理的能量需求。懸浮固體、膠體和一些可溶性物質(zhì)通過(guò)微濾/超濾膜的攔截被有效地保留在反應(yīng)器中，即使在低溫下(

國(guó)內(nèi)外研究人員已開(kāi)始研究厭氧膜生物反應(yīng)器處理低濃度生活污水的可行性和潛力。VanZyl等人證明，優(yōu)化后的AnMBR能將污水中98%的COD轉(zhuǎn)化為甲烷，相當(dāng)于系統(tǒng)運(yùn)行所需能量的7倍。林等采用中試規(guī)模的AnMBR處理低濃度城市污水，產(chǎn)甲烷量高達(dá)0.26 L·g-1 COD。胡等研究表明，厭氧膜生物反應(yīng)器處理低濃度污水在技術(shù)上是可行的，但其處理效率受到產(chǎn)甲烷菌的限制，產(chǎn)甲烷菌的較低，生長(zhǎng)速度較慢。

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)AnMBR處理低濃度生物廢水的研究主要集中在如何在反應(yīng)器中生長(zhǎng)和維持高密度的功能性厭氧微生物，從而實(shí)現(xiàn)廢水中COD的高效去除和甲烷的高效生成。但對(duì)其運(yùn)行過(guò)程和影響因素的研究較少，相關(guān)機(jī)制尚不清楚。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模構(gòu)建新型SAnMBR反應(yīng)器，研究其處理低濃度污水的運(yùn)行過(guò)程和產(chǎn)甲烷特性，考察產(chǎn)甲烷的影響因素，并利用支持向量機(jī)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究結(jié)果可為SAnMBR在低濃度家庭生活污水處理中的應(yīng)用提供理論支持。

1.材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

集成的SAnMBR反應(yīng)器如圖1所示。

一體化SAnMBR反應(yīng)器由主系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和氣體收集系統(tǒng)組成。主系統(tǒng)包括反應(yīng)器主體、中空纖維膜(PVDF)、蠕動(dòng)泵、均質(zhì)攪拌裝置和保溫裝置，其中有284根中空纖維膜絲，內(nèi)徑0.6mm，外徑1.1mm，總有效面積0.41m2，監(jiān)控系統(tǒng)包括真空壓力表、液位控制器、溫度傳感器和PLC控制裝置。集氣系統(tǒng)包括甲烷吸收裝置和濕氣流量計(jì)計(jì)量裝置。

1.2模擬低濃度生活污水和接種污泥

模擬低濃度生活污水配制為COD濃度269 ~ 712 mg/L，NH3-N濃度30 ~ 40 mg/L，PO3-4濃度6.0 ~ 10.0 mg/L，pH 6.8 ~ 7.2。接種污泥為北京市通州區(qū)某市污水處理廠厭氧消化污泥。由于污泥濃度較高，反應(yīng)器中設(shè)置了攪拌裝置以降低膜污染速率。污泥MLSS為2840毫克/升，MLVSS為2560毫克/升，pH為7.34。

1.3實(shí)驗(yàn)操作條件

整個(gè)運(yùn)行周期包括啟動(dòng)階段(28d)、穩(wěn)定運(yùn)行階段A(19d)、B(31d)、C(31d)和D(18d)，其中運(yùn)行階段D為膜清洗后的運(yùn)行階段。各級(jí)運(yùn)行溫度為(35±1)℃, pH為6.83 ~ 7.15，水力停留時(shí)間分別為22h、15h、12h、6h和6h，理論膜通量分別為1.33 l/(m2·h-1)、1.95 l/(m2·h-1)和2.44 l/(m2·h-1)。各階段進(jìn)水COD平均值分別為341mg/L、546mg/L、612mg/L、642mg/L和650mg/L，OLR為0.37 ~ 2.6kg COD·m3·d-1。各運(yùn)行階段無(wú)污泥排放。

1.4監(jiān)測(cè)指標(biāo)和分析方法

采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定COD，濕式氣體流量計(jì)測(cè)定甲烷氣體體積，真空壓力表測(cè)定跨膜壓力，取樣法測(cè)定膜通量，重量法測(cè)定MLSS和MLVSS，基于MATLAB平臺(tái)用LibSVM進(jìn)行支持向量機(jī)仿真，預(yù)測(cè)不同OLR條件下的甲烷產(chǎn)量。

2.結(jié)果和討論

2.1運(yùn)行過(guò)程中甲烷產(chǎn)量的變化

在啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，SAnMBR的COD濃度、COD削減量和單位COD的甲烷產(chǎn)量及其變化見(jiàn)圖2，跨膜壓差和膜通量的變化見(jiàn)圖3。

從圖2可以看出，在啟動(dòng)階段，COD的進(jìn)水濃度為269 ~ 415 mg/L，削減量為156 ~ 289 mg/L，單位COD的甲烷產(chǎn)量為0 ~ 0.112 L·g-1 COD。其中，在啟動(dòng)初期(0 ~ 6天)，由于厭氧微生物處于生長(zhǎng)適應(yīng)期，生長(zhǎng)速度較慢，進(jìn)水COD消耗較小，產(chǎn)甲烷量較低。從第7天到第7~28d天，厭氧微生物逐漸適應(yīng)了反應(yīng)器中的環(huán)境，微生物種群的數(shù)量和活性都有一定程度的增加。然而，由于膜表面的過(guò)濾層沒(méi)有完全形成，甲烷產(chǎn)量仍然處于低水平。

在穩(wěn)定運(yùn)行階段A、B和C，HRT分別為15h、12h和6h時(shí)，COD的削減量分別為356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，單位COD甲烷產(chǎn)量分別為0.045～0.061 L·g-1 COD和0.046～1 COD。從圖3可以看出，在運(yùn)行期的第109天，跨膜壓差增加到30.4kPa，膜通量下降到0.88 L/m2·h-1，造成膜污染。膜清洗后繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行(即運(yùn)行階段D)，跨膜壓差恢復(fù)到14.2kPa，該階段HRT保持在6小時(shí)，COD削減量為451 ~ 587 mg/L，單位。

可以看出，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，膜表面的過(guò)濾層逐漸形成。在厭氧區(qū)生物降解、膜表面截留和濾層生物膜降解的共同作用下，COD降解效率和產(chǎn)甲烷率大大提高。當(dāng)HRT縮短到6小時(shí)時(shí)，COD的減少量和甲烷產(chǎn)量下降，這是由于膜表面的濾層已經(jīng)完全形成，大量的COD在膜表面積累，其中一部分不能及時(shí)降解，產(chǎn)生的甲烷有一部分以可溶狀態(tài)存在，使得甲烷產(chǎn)量處于較低水平。運(yùn)行階段D，清洗膜后，膜通量增加，COD降解率開(kāi)始上升，甲烷產(chǎn)量小范圍波動(dòng)后迅速穩(wěn)定。

與0.38 L·g-1 COD的理論較高的甲烷產(chǎn)率相比，本研究的結(jié)果較低，這與較低的進(jìn)水COD濃度和容積負(fù)荷率有關(guān)。Giménez等采用中試規(guī)模的SAnMBR處理含SO2-4的低濃度廢水，甲烷產(chǎn)量?jī)H為0.069 L·g-1 COD，主要是由于硫酸鹽還原菌的生物作用，消耗2gCOD將1g硫酸鹽還原為硫化物。同時(shí)，厭氧產(chǎn)生的甲烷有40% ~ 70%可能以溶解狀態(tài)存在于液相中。

綜上所述，HRT、硫酸鹽和溶解甲烷的存在都是影響甲烷產(chǎn)率的重要因素。延長(zhǎng)HRT可以大大提高甲烷產(chǎn)率，但容易導(dǎo)致反應(yīng)器容積利用率低，而縮短HRT會(huì)導(dǎo)致VFA積累、甲烷產(chǎn)率降低和膜污染。因此，在SAnMBR的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮進(jìn)水特性、出水要求、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等各種因素，選擇合適的HRT參數(shù)。應(yīng)采取適當(dāng)措施降低進(jìn)水中硫酸鹽含量，改變溫度、pH等水質(zhì)參數(shù)和粘度等水力參數(shù)，以降低溶解甲烷的比例，同時(shí)在不影響污水處理效果的情況下，可大幅提高單位COD的甲烷產(chǎn)量。

2.2 OLR對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

研究了OLR對(duì)每日甲烷產(chǎn)量和累積甲烷產(chǎn)量的影響，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在SAnMBR運(yùn)行期間，當(dāng)平均OLR分別為0.37kg cod/m3·d-1、0.87kg cod/m3·d-1、1.22kg cod/m3·d-1、2.57kg cod/m3·d-1和2.60kg cod/m3·d-1時(shí)，通過(guò)對(duì)每日甲烷產(chǎn)量和累計(jì)甲烷產(chǎn)量與OLR進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)二者與OLR呈線性相關(guān)，R2值分別為0.89和0.81。與Yeo的研究結(jié)果相似，甲烷產(chǎn)量與OLR成正比，隨著OLR的增加，甲烷產(chǎn)量線性增加。

當(dāng)然，超過(guò)OLR的一定限度，甲烷產(chǎn)量可能會(huì)減少。Wijekoon等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR從5kg COD/m3·d-1增加到12kg COD/m3·d-1時(shí)，甲烷產(chǎn)量從5L/d增加到35 L/d，Abdullah等研究表明，隨著OLR增加到2kg COD/m3·d-1，甲烷產(chǎn)量逐漸增加，但隨著OLR的進(jìn)一步增加，甲烷產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。這種差異可以歸因于較低OLR水平下的污泥負(fù)荷(F/M)更適合產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖，過(guò)高的OLR會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)氣性能。隨著OLR的增加，VFA的積累也會(huì)抑制微生物的活動(dòng)，從而減少甲烷的產(chǎn)生。Saddoud等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR為16.3kg cod/m3·d-1時(shí)，由于單相AnMBR中的VFA積累，甲烷產(chǎn)量急劇下降。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，SAnMBR系統(tǒng)中甲烷產(chǎn)量與OLR之間存在一定的線性關(guān)系。然而，OLR并不是影響甲烷產(chǎn)量的唯一因素。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮污水濃度、水力停留時(shí)間、SRT等綜合因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3甲烷產(chǎn)量的模擬和預(yù)測(cè)

在穩(wěn)定運(yùn)行階段，對(duì)SAnMBR的日產(chǎn)甲烷量進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

圖5顯示了每日甲烷產(chǎn)量和OLR之間存在良好的線性關(guān)系。當(dāng)OLR值高于2.0kg cod/m3·d-1時(shí)，在SAnMBR運(yùn)行的第78天出現(xiàn)“平臺(tái)期”，甲烷日產(chǎn)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此后甲烷產(chǎn)量不隨OLR發(fā)生明顯變化。當(dāng)OLR值低于2.0kg cod/m3·d-1時(shí)，“平臺(tái)期”緩慢出現(xiàn)，開(kāi)始于100d左右，之后日甲烷產(chǎn)量逐漸趨于穩(wěn)定。在膜清洗后的運(yùn)行階段d，OLR的變化對(duì)日產(chǎn)甲烷量沒(méi)有顯著影響，日產(chǎn)甲烷量保持在850mL/d左右，表明SAnMBR的產(chǎn)氣效果趨于穩(wěn)定。根據(jù)OLR對(duì)日產(chǎn)甲烷量的影響，穩(wěn)定運(yùn)行階段的最佳OLR為2.1～2.6kg COD/m3·d-1。因此，在保證污染物去除效果的同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整操作條件來(lái)改變反應(yīng)器的OLR值，大幅提高甲烷產(chǎn)量。

為了進(jìn)一步分析OLR和每日甲烷產(chǎn)量之間的關(guān)系，分析了圖5在OLR軸上的映射，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到80 ~ 100 d時(shí)，日產(chǎn)甲烷量趨于穩(wěn)定，這表明反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和繁殖趨于平衡。從100天到110天，由于膜污染的形成，日產(chǎn)甲烷量出現(xiàn)“平臺(tái)期”，變化幅度較小。第10天，膜清洗后，日產(chǎn)甲烷量突破平臺(tái)期，開(kāi)始略有增加，然后迅速穩(wěn)定，說(shuō)明膜截留和生物降解又開(kāi)始發(fā)揮高效作用，對(duì)產(chǎn)甲烷的進(jìn)程起到一定的促進(jìn)作用，厭氧單元的生物反應(yīng)不受膜清洗的抑制和干擾。經(jīng)過(guò)118天，OLR對(duì)每天甲烷產(chǎn)量的影響幾乎為零。

可以看出，日產(chǎn)甲烷量隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而穩(wěn)步上升，基本不受膜污染的干擾，在打破平臺(tái)期后開(kāi)始上升，更準(zhǔn)確直觀地說(shuō)明了膜單元膜絲的離線物理清洗并沒(méi)有抑制厭氧單元的生物反應(yīng)，反而對(duì)厭氧單元的生物反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用。118d后，OLR值對(duì)日產(chǎn)甲烷量的影響幾乎為零。如果SAnMBR長(zhǎng)期運(yùn)行，厭氧單元將長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，直到SAnMBR出現(xiàn)特殊情況，如厭氧單元嚴(yán)重酸化，才會(huì)發(fā)生變化。

綜上所述，在OLR一定范圍內(nèi)，SAnMBR的日產(chǎn)甲烷量主要隨著OLR的增加而增加，但受膜污染和膜清洗的影響較小，且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，OLR對(duì)日產(chǎn)甲烷量的影響逐漸減弱?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著SAnMBR的長(zhǎng)期運(yùn)行，日產(chǎn)甲烷量將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，直到反應(yīng)器出現(xiàn)酸化、膜污染嚴(yán)重等一些特殊情況，日產(chǎn)甲烷量才會(huì)有較大變化。

3.結(jié)論

(1)低濃度污水的處理1)SAnMBR在中溫[(35±1)℃]下可以穩(wěn)定運(yùn)行，COD的去除效果顯著。穩(wěn)定階段總COD去除率基本維持在80%左右，穩(wěn)定運(yùn)行階段較大的甲烷產(chǎn)量為0.067 L·g-1 COD，與理論產(chǎn)量相差較大。

(2)HRT、硫酸鹽和溶解甲烷的存在都會(huì)影響單位COD的甲烷產(chǎn)量。在SAnMBR的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各種因素，如進(jìn)水特性、出水要求和反應(yīng)器設(shè)計(jì)等。，并適當(dāng)改變水質(zhì)參數(shù)和水力參數(shù)，在不影響污水處理效果的情況下，大幅度提高甲烷產(chǎn)率。

(SAnMBR的日產(chǎn)甲烷量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量與OLR呈線性相關(guān)，擬合方程分別為0.3OLR+0.23(R2=0.89)和29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可為建立SAN MBR啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行階段的數(shù)學(xué)模型提供理論和數(shù)據(jù)支持。

(4)支持向量機(jī)可以很好地應(yīng)用于SAnMBR處理低濃度污水。模擬預(yù)測(cè)表明，SAnMBR處理低濃度生活污水具有優(yōu)異的抗沖擊負(fù)荷能力，在沼氣能源回收利用方面具有很大的發(fā)展空間。但是，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明和驗(yàn)證微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作為產(chǎn)甲烷的基礎(chǔ)。(來(lái)源:北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院北京可持續(xù)城市排水系統(tǒng)建設(shè)與風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)研究中心、中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司)

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