浸沒(méi)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(submergedanaerobicmembranebioreactor，AnMBR)是一種將厭氧生物技術(shù)與膜技術(shù)相結(jié)合，利用水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)的分離來(lái)處理污水的技術(shù)。同其他厭氧生物處理工藝，AnMBR處理污水過(guò)程中，污水中的有機(jī)污染物可被厭氧微生物降解、轉(zhuǎn)化為甲烷，可抵消污水處理的能源需求。利用微濾/超濾膜的截留作用使懸浮固體、膠體和部分可溶物質(zhì)有效保留在反應(yīng)器內(nèi)，即使在低溫(<20℃)、高鹽、短HRT(2～8h)條件下，AnMBR對(duì)低濃度生活污水，也可能具有較好的處理效果。同時(shí)，AnMBR在減少污泥產(chǎn)生量和節(jié)省占地面積等方面也凸顯優(yōu)勢(shì)，雖然膜污染和高昂的膜成本是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。

　　國(guó)內(nèi)外研究者們已開(kāi)始對(duì)AnMBR處理低濃度生活污水的可行性和潛力進(jìn)行研究。VanZyl等研究證明經(jīng)優(yōu)化后的AnMBR可將污水中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。Lin等利用中試規(guī)模的AnMBR處理低濃度城市污水，甲烷產(chǎn)率高達(dá)0.26L?g-1COD。Hu等通過(guò)研究表明AnMBR在處理低濃度污水時(shí)具有技術(shù)可行性，但其處理效率受較低OLR和較低生長(zhǎng)速率產(chǎn)甲烷菌的限制。

　　然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)AnMBR處理低濃度生物污水的研究主要集中在如何使反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)和維持高密度功能厭氧微生物，以實(shí)現(xiàn)污水COD的高效去除和甲烷的高效產(chǎn)生，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)理尚不明確。

　　現(xiàn)通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的新型SAnMBR反應(yīng)器，研究其處理低濃度污水時(shí)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，并采用支持向量機(jī)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究結(jié)果可為SAnMBR在低濃度生活污水處理中的應(yīng)用提供理論支撐。

　　1、材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　采用的一體化SAnMBR反應(yīng)裝置如圖1所示。

　　一體化SAnMBR反應(yīng)裝置，由主體系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣體收集系統(tǒng)構(gòu)成。其中主體系統(tǒng)包括反應(yīng)器主體、中空纖維膜(hollowfibermembrane-PVDF)、蠕動(dòng)泵、均質(zhì)攪拌裝置和保溫裝置，其中，中空纖維膜絲共284根，內(nèi)徑為0.6mm、外徑為1.1mm、膜絲總有效面積為0.41m2。監(jiān)測(cè)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。氣體收集系統(tǒng)包括甲烷吸收裝置和濕式氣體流量計(jì)計(jì)量裝置。

　　1.2 模擬低濃度生活污水與接種污泥

　　采用配制的模擬低濃度生活污水，COD濃度為269～712mg/L，NH3-N濃度為30～40mg/L，PO3-4濃度為6.0～10.0mg/L，pH為6.8～7.2。接種污泥選用北京市通州區(qū)某城市污水處理廠厭氧消化污泥，因污泥濃度較高，在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置攪拌裝置以便于降低膜污染速度，污泥MLSS為2840mg/L、MLVSS為2560mg/L、pH為7.34。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件

　　整個(gè)運(yùn)行期包括啟動(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。各階段運(yùn)行溫度均為(35±1)℃，pH為6.83～7.15，HRT分別為22h、15h、12h、6h和6h，理論膜通量分別為1.33L/(m2?h-1)、1.95L/(m2?h-1)、2.44L/(m2?h-1)、4.88L/(m2?h-1)和4.88L/(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0.37～2.6kgCOD?m3?d-1，各運(yùn)行階段均無(wú)排泥。

　　1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及分析方法

　　COD采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定，甲烷氣體體積采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量法測(cè)定，跨膜壓差采用真空壓力表測(cè)量，膜通量采用取樣計(jì)量法測(cè)定，MLSS和MLVSS采用重量法測(cè)定，并采用基于MATLAB平臺(tái)的LibSVM進(jìn)行支持向量機(jī)模擬，預(yù)測(cè)不同OLR條件下甲烷產(chǎn)生量。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 運(yùn)行期間甲烷產(chǎn)率變化

　　在啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，SAnMBR進(jìn)出水COD濃度、COD消減量以及單位COD的甲烷產(chǎn)率及其變化如圖2所示，跨膜壓差和膜通量變化如圖3所示。

　　由圖2可以得出，在啟動(dòng)階段，COD進(jìn)水濃度為269～415mg/L，消減量為156～289mg/L，單位COD的甲烷產(chǎn)率為0～0.112L?g-1COD。其中，在啟動(dòng)階段前期(第0～6d)，由于厭氧微生物處于生長(zhǎng)適應(yīng)期，生長(zhǎng)速率慢，對(duì)進(jìn)水COD的消耗量較小，甲烷產(chǎn)率較低。在第7～28d，厭氧微生物逐漸適應(yīng)了反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境，微生物種群數(shù)量和活性均有一定增加，但由于膜表面濾層尚未完全形成，甲烷產(chǎn)率仍處于較低水平。

　　在穩(wěn)定運(yùn)行的A、B和C階段，當(dāng)HRT分別為15h、12h和6h時(shí)，COD消減量分別為356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，單位COD甲烷產(chǎn)率分別為0.045～0.061L?g-1COD、0.046～0.067L?g-1COD和0.026～0.043L?g-1COD。由圖3可知，在運(yùn)行時(shí)期的第109天，跨膜壓差升至30.4kPa，膜通量減少至0.88L/m2?h-1，產(chǎn)生了膜污染，進(jìn)行膜清洗后又繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行(即運(yùn)行階段D)，跨膜壓差恢復(fù)至14.2kPa，此階段保持HRT為6h，COD消減量為451～587mg/L，單位COD甲烷產(chǎn)率為0.029～0.039L?g-1COD。

　　可見(jiàn)，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，膜表面濾層逐漸形成，在厭氧區(qū)生物降解和膜表面的截留、濾層生物膜的降解作用共同作用下，COD降解效率和甲烷產(chǎn)生率均有較大提升。當(dāng)HRT縮短至6h時(shí)，COD消減量和甲烷產(chǎn)率有所降低，這是由于在此階段，膜表面濾層已完全形成，大量COD積累于膜表面，部分不能及時(shí)被降解，加之產(chǎn)生的甲烷中有部分以溶解性狀態(tài)存在，使甲烷產(chǎn)率處于較低水平。在運(yùn)行階段D，對(duì)膜進(jìn)行清洗后，膜通量提高，COD降解率開(kāi)始增加，甲烷產(chǎn)率也在小范圍內(nèi)波動(dòng)后很快又趨于穩(wěn)定。

　　與0.38L?g-1COD的理論最大甲烷產(chǎn)率相比，本研究的結(jié)果偏低，這與本研究進(jìn)水COD濃度、容積負(fù)荷率均處于較低水平有關(guān)。Giménez等利用中試規(guī)模SAnMBR處理低濃度含SO2-4廢水時(shí)，甲烷產(chǎn)率僅為0.069L?g-1COD，主要是因?yàn)榱蛩猁}還原菌的生物作用，將1g硫酸鹽還原為硫化物需消耗2gCOD。同時(shí)，厭氧產(chǎn)生的40%～70%的甲烷還可能以溶解態(tài)存在于液相中。

　　綜上，HRT、硫酸鹽和溶解性甲烷的存在均為影響甲烷產(chǎn)率的重要因素。延長(zhǎng)HRT可最大限度提高甲烷產(chǎn)率，但易導(dǎo)致反應(yīng)器容積利用率低，而較短的HRT可導(dǎo)致VFA的積累、甲烷產(chǎn)率的降低和膜污染。因此，在SAnMBR的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合進(jìn)水特性、出水要求和反應(yīng)器設(shè)計(jì)等綜合考慮多種因素，選擇適宜的HRT參數(shù)。并采取適當(dāng)措施，減少進(jìn)水中硫酸鹽含量，以及改變溫度、pH等水質(zhì)參數(shù)和黏度等水力學(xué)參數(shù)，降低溶解性甲烷比例，在不影響污水處理效果的同時(shí)，最大限度提高單位COD甲烷產(chǎn)率。

　　2.2 OLR對(duì)甲烷產(chǎn)生量的影響

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

　　由圖4可以得出，在SAnMBR的運(yùn)行期間，當(dāng)平均OLR分別為0.37kgCOD/m3?d-1、0.87kgCOD/m3?d-1、1.22kgCOD/m3?d-1、2.57kgCOD/m3?d-1和2.60kgCOD/m3?d-1時(shí)，平均甲烷日產(chǎn)生量分別為0.231L/d、0.449L/d、0.642L/d、0.807L/d和0.859L/d。通過(guò)對(duì)甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)生量與OLR的線性擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者均與OLR呈線性相關(guān)，R2值分別為0.89和0.81。與Yeo等研究結(jié)果相同，甲烷產(chǎn)生量和OLR成正比，隨著OLR的增加，甲烷產(chǎn)生量呈線性增長(zhǎng)。

　　當(dāng)然，超出OLR的一定限度，甲烷產(chǎn)生量可能會(huì)降低。Wijekoon等研究發(fā)現(xiàn)OLR從5kgCOD/m3?d-1增加到12kgCOD/m3?d-1時(shí)，甲烷產(chǎn)量從5L/d增加到35L/d。而Abdullah等研究表明隨著OLR增加到2kgCOD/m3?d-1，甲烷產(chǎn)量逐漸增加，但進(jìn)一步增加OLR，甲烷產(chǎn)量則呈下降趨勢(shì)。這一差異可歸因于在較低OLR水平下的污泥負(fù)荷(F/M)更適宜產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)繁殖，過(guò)高的OLR會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣性能產(chǎn)生影響。隨著OLR的增加，VFA的大量積累也會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑制作用從而減少甲烷產(chǎn)生量。Saddoud等研究發(fā)現(xiàn)在OLR為16.3kgCOD/m3?d-1時(shí)，由于VFA在單相AnMBR中的積累，甲烷產(chǎn)生量急劇下降。

　　綜上，在一定范圍內(nèi)，SAnMBR系統(tǒng)甲烷產(chǎn)生量與OLR存在一定線性關(guān)系。但OLR并不是影響甲烷產(chǎn)生量的唯一因素，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮污水濃度、HRT和SRT等綜合因素進(jìn)行綜合評(píng)估。

　　2.3 甲烷產(chǎn)生量模擬預(yù)測(cè)

　　在穩(wěn)定運(yùn)行階段，對(duì)SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

　　圖5表明，甲烷日產(chǎn)生量與OLR呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。當(dāng)OLR值高于2.0kgCOD/m3?d-1時(shí)，SAnMBR運(yùn)行的第78d即出現(xiàn)“平臺(tái)期”，甲烷日產(chǎn)生量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此后甲烷產(chǎn)生量隨OLR變化不明顯。當(dāng)OLR值低于2.0kgCOD/m3?d-1時(shí)，“平臺(tái)期”出現(xiàn)較遲緩，于100d左右開(kāi)始出現(xiàn)，隨后甲烷日產(chǎn)生量逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)膜清洗后的運(yùn)行階段D，OLR變化對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響不顯著，甲烷日產(chǎn)生量保持在850mL/d左右，表明SAnMBR產(chǎn)氣效果已趨于穩(wěn)定。從OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響情況來(lái)看，穩(wěn)定運(yùn)行階段最適OLR為2.1～2.6kgCOD/m3?d-1，因此，在保證污染物去除效果的同時(shí)，可通過(guò)調(diào)控操作條件來(lái)改變反應(yīng)器OLR值，最大限度提高甲烷產(chǎn)量。

　　為進(jìn)一步深入分析OLR與甲烷日產(chǎn)生量的關(guān)系，將圖5在OLR軸的映射繪出進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

　　由圖6可知，當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第80～100d時(shí)，甲烷日產(chǎn)生量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖已趨于平衡狀態(tài)。運(yùn)行至第100～110d時(shí)，由于膜污染的形成，甲烷日產(chǎn)生量出現(xiàn)“平臺(tái)期”，變化幅度較小。在第110d，膜清洗后，甲烷日產(chǎn)生量又突破平臺(tái)期，開(kāi)始產(chǎn)生小幅度增長(zhǎng)，后又迅速趨于平穩(wěn)，表明膜截留和生物降解作用又開(kāi)始高效發(fā)揮，對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程起到了一定的促進(jìn)作用，厭氧單元的生物反應(yīng)并未收到膜清洗的抑制和干擾。118d之后，OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響幾乎已趨近于零。

　　可見(jiàn)，甲烷日產(chǎn)生量隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而穩(wěn)定增長(zhǎng)，基本不受膜污染的干擾，打破平臺(tái)期開(kāi)始上升，更加準(zhǔn)確直觀地表明了對(duì)膜單元膜絲離線的物理清洗并沒(méi)有抑制到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。在118d之后，OLR值對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響幾乎趨近于零，如果SAnMBR長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，厭氧單元會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，直到SAnMBR出現(xiàn)特殊的情況，如厭氧單元出現(xiàn)嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象，才會(huì)發(fā)生改變。

　　綜上，在一定OLR范圍內(nèi)，SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量主要隨OLR的增加而增加，受膜污染和膜清洗影響較小，且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)量的影響逐漸減弱?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著SAnMBR的長(zhǎng)期運(yùn)行，甲烷日產(chǎn)生量將在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，直到反應(yīng)器出現(xiàn)酸化和嚴(yán)重膜污染等特殊情況，甲烷日產(chǎn)生量才會(huì)發(fā)生較大變化。

　　3、結(jié)論

　　(1)SAnMBR處理低濃度污水在中溫[(35±1)℃]條件下可穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)COD的去除效果較為顯著，總COD去除率在穩(wěn)定階段基本維持在80%左右，穩(wěn)定運(yùn)行階段最大甲烷產(chǎn)率為0.067L?g-1COD，與理論最大產(chǎn)率相差較大。

　　(2)HRT、硫酸鹽和溶解性甲烷的存在均影響單位COD甲烷產(chǎn)率，在SAnMBR的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合進(jìn)水特性、出水要求和反應(yīng)器設(shè)計(jì)等綜合考慮多種因素，適當(dāng)改變水質(zhì)參數(shù)及水力學(xué)參數(shù)，在不影響污水處理效果的同時(shí)，最大限度提高甲烷產(chǎn)率。

　　(3)SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)量均與OLR呈線性相關(guān)，擬合方程分別為甲烷日產(chǎn)生量為0.3OLR+0.23(R2=0.89)和累積甲烷產(chǎn)生量為29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可為建立SAnMBR啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行階段數(shù)學(xué)模型建立提供理論及數(shù)據(jù)支持。

　　(4)支持向量機(jī)能夠很好地適用于SAnMBR處理低濃度污水中，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)，表明SAnMBR處理低濃度生活污水具有極好的耐沖擊負(fù)荷能力，在回收利用甲烷能源方面有很大發(fā)展空間，但還需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明和驗(yàn)證作為甲烷產(chǎn)量基礎(chǔ)的微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。(來(lái)源：北京建筑大學(xué)北京市可持續(xù)城市排水系統(tǒng)構(gòu)建與風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)研究中心，環(huán)境與能源工程學(xué)院，中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司)