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，利用水力停留時間(HRT)和污泥停留時間(SRT)的分離來處理污水的技術(shù)。與其他厭氧生物處理工藝一樣，在AnMBR處理污水的過程中，污水中的有機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(

國內(nèi)外研究人員已開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，相當于系統(tǒng)運行所需能量的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，生長速度較慢。

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

通過實驗室規(guī)模構(gòu)建新型SAnMBR反應(yīng)器，研究其處理低濃度污水的運行過程和產(chǎn)甲烷特性，考察產(chǎn)甲烷的影響因素，并利用支持向量機模型進行預(yù)測。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實驗裝置

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計量裝置。

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實驗操作條件

整個運行周期包括啟動階段(28d)、穩(wěn)定運行階段A(19d)、B(31d)、C(31d)和D(18d)，其中運行階段D為膜清洗后的運行階段。各級運行溫度為(35±1)℃, pH為6.83 ~ 7.15，水力停留時間分別為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。各運行階段無污泥排放。

1.4監(jiān)測指標和分析方法

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

2.結(jié)果和討論

2.1運行過程中甲烷產(chǎn)量的變化

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

從圖2可以看出，在啟動階段，COD的進水濃度為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，在啟動初期(0 ~ 6天)，由于厭氧微生物處于生長適應(yīng)期，生長速度較慢，進水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，由于膜表面的過濾層沒有完全形成，甲烷產(chǎn)量仍然處于低水平。

在穩(wěn)定運行階段A、B和C，HRT分別為15h、12h和6h時，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)定運行(即運行階段D)，跨膜壓差恢復(fù)到14.2kPa，該階段HRT保持在6小時，COD削減量為451 ~ 587 mg/L，單位。

可以看出，在穩(wěn)定運行階段，膜表面的過濾層逐漸形成。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HRT縮短到6小時時，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。運行階段D，清洗膜后，膜通量增加，COD降解率開始上升，甲烷產(chǎn)量小范圍波動后迅速穩(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，這與較低的進水COD濃度和容積負荷率有關(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)量僅為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，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會導(dǎo)致VFA積累、甲烷產(chǎn)率降低和膜污染。因此，在SAnMBR的實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮進水特性、出水要求、反應(yīng)器設(shè)計等各種因素，選擇合適的HRT參數(shù)。應(yīng)采取適當措施降低進水中硫酸鹽含量，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對甲烷產(chǎn)量的影響

研究了OLR對每日甲烷產(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運行期間，當平均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，通過對每日甲烷產(chǎn)量和累計甲烷產(chǎn)量與OLR進行線性擬合，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。

當然，超過OLR的一定限度，甲烷產(chǎn)量可能會減少。Wijekoon等發(fā)現(xiàn)，當OLR從5kg COD/m3·d-1增加到12kg COD/m3·d-1時，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的進一步增加，甲烷產(chǎn)量呈下降趨勢。這種差異可以歸因于較低OLR水平下的污泥負荷(F/M)更適合產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，過高的OLR會影響產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)氣性能。隨著OLR的增加，VFA的積累也會抑制微生物的活動，從而減少甲烷的產(chǎn)生。Saddoud等人發(fā)現(xiàn)，當OLR為16.3kg cod/m3·d-1時，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。在實際應(yīng)用中，應(yīng)考慮污水濃度、水力停留時間、SRT等綜合因素進行綜合評價。

2.3甲烷產(chǎn)量的模擬和預(yù)測

在穩(wěn)定運行階段，對SAnMBR的日產(chǎn)甲烷量進行了模擬和預(yù)測，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OLR值高于2.0kg cod/m3·d-1時，在SAnMBR運行的第78天出現(xiàn)“平臺期”，甲烷日產(chǎn)量達到穩(wěn)定狀態(tài)，此后甲烷產(chǎn)量不隨OLR發(fā)生明顯變化。當OLR值低于2.0kg cod/m3·d-1時，“平臺期”緩慢出現(xiàn)，開始于100d左右，之后日甲烷產(chǎn)量逐漸趨于穩(wěn)定。在膜清洗后的運行階段d，OLR的變化對日產(chǎn)甲烷量沒有顯著影響，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對日產(chǎn)甲烷量的影響，穩(wěn)定運行階段的最佳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，可以通過調(diào)整操作條件來改變反應(yīng)器的OLR值，大幅提高甲烷產(chǎn)量。

為了進一步分析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，當反應(yīng)器運行到80 ~ 100 d時，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)“平臺期”，變化幅度較小。第10天，膜清洗后，日產(chǎn)甲烷量突破平臺期，開始略有增加，然后迅速穩(wěn)定，說明膜截留和生物降解又開始發(fā)揮高效作用，對產(chǎn)甲烷的進程起到一定的促進作用，厭氧單元的生物反應(yīng)不受膜清洗的抑制和干擾。經(jīng)過118天，OLR對每天甲烷產(chǎn)量的影響幾乎為零。

可以看出，日產(chǎn)甲烷量隨著運行時間的延長而穩(wěn)步上升，基本不受膜污染的干擾，在打破平臺期后開始上升，更準確直觀地說明了膜單元膜絲的離線物理清洗并沒有抑制厭氧單元的生物反應(yīng)，反而對厭氧單元的生物反應(yīng)有一定的促進作用。118d后，OLR值對日產(chǎn)甲烷量的影響幾乎為零。如果SAnMBR長期運行，厭氧單元將長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，直到SAnMBR出現(xiàn)特殊情況，如厭氧單元嚴重酸化，才會發(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，且隨著運行時間的延長，OLR對日產(chǎn)甲烷量的影響逐漸減弱。可以預(yù)見，隨著SAnMBR的長期運行，日產(chǎn)甲烷量將在較長一段時間內(nèi)保持相對穩(wěn)定，直到反應(yīng)器出現(xiàn)酸化、膜污染嚴重等一些特殊情況，日產(chǎn)甲烷量才會有較大變化。

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影響單位COD的甲烷產(chǎn)量。在SAnMBR的實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各種因素，如進水特性、出水要求和反應(yīng)器設(shè)計等。，并適當改變水質(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啟動和穩(wěn)定運行階段的數(shù)學(xué)模型提供理論和數(shù)據(jù)支持。

(4)支持向量機可以很好地應(yīng)用于SAnMBR處理低濃度污水。模擬預(yù)測表明，SAnMBR處理低濃度生活污水具有優(yōu)異的抗沖擊負荷能力，在沼氣能源回收利用方面具有很大的發(fā)展空間。但是，還需要進一步的研究來闡明和驗證微生物反應(yīng)動力學(xué)作為產(chǎn)甲烷的基礎(chǔ)。(來源: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)險控制工程技術(shù)研究中心、中鐵十六局集團地鐵工程有限公司)

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標簽:  浸沒式厭氧膜生物反應(yīng)器處理低濃度污水