浸没式厌氧膜生物反应器处理低浓度污水

　　厌氧膜生物反应器(submergedanaerobicmembranebioreactor，AnMBR)是一种将厌氧生物技术与膜技术相结合，利用水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)的分离来处理污水的技术。同其他厌氧生物处理工艺，AnMBR处理污水过程中，污水中的有机污染物可被厌氧微生物降解、转化为甲烷，可抵消污水处理的能源需求。利用微滤/超滤膜的截留作用使悬浮固体、胶体和部分可溶物质有效保留在反应器内，即使在低温(<20℃)、高盐、短HRT(2～8h)条件下，AnMBR对低浓度生活污水，也可能具有较好的处理效果。同时，AnMBR在减少污泥产生量和节省占地面积等方面也凸显优势，虽然膜污染和高昂的膜成本是限制其广泛应用的主要因素。

　　国内外研究者们已开始对AnMBR处理低浓度生活污水的可行性和潜力进行研究。VanZyl等研究证明经优化后的AnMBR可将污水中98%的COD转化为甲烷，相当于系统运行所需能量的7倍。Lin等利用中试规模的AnMBR处理低浓度城市污水，甲烷产率高达0.26L・g-1COD。Hu等通过研究表明AnMBR在处理低浓度污水时具有技术可行性，但其处理效率受较低OLR和较低生长速率产甲烷菌的限制。

　　然而，目前国内外对AnMBR处理低浓度生物污水的研究主要集中在如何使反应器内生长和维持高密度功能厌氧微生物，以实现污水COD的高效去除和甲烷的高效产生，但对其运行过程和影响因素的研究较少，相关机理尚不明确。

　　现通过构建实验室规模的新型SAnMBR反应器，研究其处理低浓度污水时的运行过程和产甲烷特性，考察产甲烷的影响因素，并采用支持向量机模型进行预测，研究结果可为SAnMBR在低浓度生活污水处理中的应用提供理论支撑。

　　1、材料与方法

　　1.1 实验装置

　　采用的一体化SAnMBR反应装置如图1所示。

　　一体化SAnMBR反应装置，由主体系统、监测系统和气体收集系统构成。其中主体系统包括反应器主体、中空纤维膜(hollowfibermembrane-PVDF)、蠕动泵、均质搅拌装置和保温装置，其中，中空纤维膜丝共284根，内径为0.6mm、外径为1.1mm、膜丝总有效面积为0.41m2。监测系统包括真空压力表、液位控制器、温度传感器和PLC控制装置。气体收集系统包括甲烷吸收装置和湿式气体流量计计量装置。

　　1.2 模拟低浓度生活污水与接种污泥

　　采用配制的模拟低浓度生活污水，COD浓度为269～712mg/L，NH3-N浓度为30～40mg/L，PO3-4浓度为6.0～10.0mg/L，pH为6.8～7.2。接种污泥选用北京市通州区某城市污水处理厂厌氧消化污泥，因污泥浓度较高，在反应器内设置搅拌装置以便于降低膜污染速度，污泥MLSS为2840mg/L、MLVSS为2560mg/L、pH为7.34。

　　1.3 实验运行条件

　　整个运行期包括启动阶段(28d)、稳定运行阶段A(19d)、B(31d)、C(31d)和D(18d)，其中运行阶段D为膜清洗后的运行阶段。各阶段运行温度均为(35±1)℃，pH为6.83～7.15，HRT分别为22h、15h、12h、6h和6h，理论膜通量分别为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)，各阶段进水COD平均值分别为341mg/L、546mg/L、612mg/L、642mg/L和650mg/L、OLR为0.37～2.6kgCOD・m3・d-1，各运行阶段均无排泥。

　　1.4 监测指标及分析方法

　　COD采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定，甲烷气体体积采用湿式气体流量计计量法测定，跨膜压差采用真空压力表测量，膜通量采用取样计量法测定，MLSS和MLVSS采用重量法测定，并采用基于MATLAB平台的LibSVM进行支持向量机模拟，预测不同OLR条件下甲烷产生量。

　　2、结果与讨论

　　2.1 运行期间甲烷产率变化

　　在启动阶段和稳定运行阶段，SAnMBR进出水COD浓度、COD消减量以及单位COD的甲烷产率及其变化如图2所示，跨膜压差和膜通量变化如图3所示。

　　由图2可以得出，在启动阶段，COD进水浓度为269～415mg/L，消减量为156～289mg/L，单位COD的甲烷产率为0～0.112L・g-1COD。其中，在启动阶段前期(第0～6d)，由于厌氧微生物处于生长适应期，生长速率慢，对进水COD的消耗量较小，甲烷产率较低。在第7～28d，厌氧微生物逐渐适应了反应器内的环境，微生物种群数量和活性均有一定增加，但由于膜表面滤层尚未完全形成，甲烷产率仍处于较低水平。

　　在稳定运行的A、B和C阶段，当HRT分别为15h、12h和6h时，COD消减量分别为356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，单位COD甲烷产率分别为0.045～0.061L・g-1COD、0.046～0.067L・g-1COD和0.026～0.043L・g-1COD。由图3可知，在运行时期的第109天，跨膜压差升至30.4kPa，膜通量减少至0.88L/m2・h-1，产生了膜污染，进行膜清洗后又继续稳定运行(即运行阶段D)，跨膜压差恢复至14.2kPa，此阶段保持HRT为6h，COD消减量为451～587mg/L，单位COD甲烷产率为0.029～0.039L・g-1COD。

　　可见，在稳定运行阶段，膜表面滤层逐渐形成，在厌氧区生物降解和膜表面的截留、滤层生物膜的降解作用共同作用下，COD降解效率和甲烷产生率均有较大提升。当HRT缩短至6h时，COD消减量和甲烷产率有所降低，这是由于在此阶段，膜表面滤层已完全形成，大量COD积累于膜表面，部分不能及时被降解，加之产生的甲烷中有部分以溶解性状态存在，使甲烷产率处于较低水平。在运行阶段D，对膜进行清洗后，膜通量提高，COD降解率开始增加，甲烷产率也在小范围内波动后很快又趋于稳定。

　　与0.38L・g-1COD的理论最大甲烷产率相比，本研究的结果偏低，这与本研究进水COD浓度、容积负荷率均处于较低水平有关。Giménez等利用中试规模SAnMBR处理低浓度含SO2-4废水时，甲烷产率仅为0.069L・g-1COD，主要是因为硫酸盐还原菌的生物作用，将1g硫酸盐还原为硫化物需消耗2gCOD。同时，厌氧产生的40%～70%的甲烷还可能以溶解态存在于液相中。

　　综上，HRT、硫酸盐和溶解性甲烷的存在均为影响甲烷产率的重要因素。延长HRT可最大限度提高甲烷产率，但易导致反应器容积利用率低，而较短的HRT可导致VFA的积累、甲烷产率的降低和膜污染。因此，在SAnMBR的实际应用中，应结合进水特性、出水要求和反应器设计等综合考虑多种因素，选择适宜的HRT参数。并采取适当措施，减少进水中硫酸盐含量，以及改变温度、pH等水质参数和黏度等水力学参数，降低溶解性甲烷比例，在不影响污水处理效果的同时，最大限度提高单位COD甲烷产率。

　　2.2 OLR对甲烷产生量的影响

　　研究了OLR对甲烷日产生量和累积甲烷产生量的影响，结果如图4所示。

　　由图4可以得出，在SAnMBR的运行期间，当平均OLR分别为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时，平均甲烷日产生量分别为0.231L/d、0.449L/d、0.642L/d、0.807L/d和0.859L/d。通过对甲烷日产生量和累积甲烷产生量与OLR的线性拟合，结果发现，二者均与OLR呈线性相关，R2值分别为0.89和0.81。与Yeo等研究结果相同，甲烷产生量和OLR成正比，随着OLR的增加，甲烷产生量呈线性增长。

　　当然，超出OLR的一定限度，甲烷产生量可能会降低。Wijekoon等研究发现OLR从5kgCOD/m3・d-1增加到12kgCOD/m3・d-1时，甲烷产量从5L/d增加到35L/d。而Abdullah等研究表明随着OLR增加到2kgCOD/m3・d-1，甲烷产量逐渐增加，但进一步增加OLR，甲烷产量则呈下降趋势。这一差异可归因于在较低OLR水平下的污泥负荷(F/M)更适宜产甲烷菌生长繁殖，过高的OLR会对产甲烷菌产气性能产生影响。随着OLR的增加，VFA的大量积累也会对微生物活性产生抑制作用从而减少甲烷产生量。Saddoud等研究发现在OLR为16.3kgCOD/m3・d-1时，由于VFA在单相AnMBR中的积累，甲烷产生量急剧下降。

　　综上，在一定范围内，SAnMBR系统甲烷产生量与OLR存在一定线性关系。但OLR并不是影响甲烷产生量的唯一因素，实际应用中，应综合考虑污水浓度、HRT和SRT等综合因素进行综合评估。

　　2.3 甲烷产生量模拟预测

　　在稳定运行阶段，对SAnMBR的甲烷日产生量进行模拟预测，结果如图5所示。

　　图5表明，甲烷日产生量与OLR呈现良好线性关系。当OLR值高于2.0kgCOD/m3・d-1时，SAnMBR运行的第78d即出现“平台期”，甲烷日产生量达到稳定状态，此后甲烷产生量随OLR变化不明显。当OLR值低于2.0kgCOD/m3・d-1时，“平台期”出现较迟缓，于100d左右开始出现，随后甲烷日产生量逐渐趋于稳定。经过膜清洗后的运行阶段D，OLR变化对甲烷日产生量的影响不显著，甲烷日产生量保持在850mL/d左右，表明SAnMBR产气效果已趋于稳定。从OLR对甲烷日产生量的影响情况来看，稳定运行阶段最适OLR为2.1～2.6kgCOD/m3・d-1，因此，在保证污染物去除效果的同时，可通过调控操作条件来改变反应器OLR值，最大限度提高甲烷产量。

　　为进一步深入分析OLR与甲烷日产生量的关系，将图5在OLR轴的映射绘出进行分析，结果如图6所示。

　　由图6可知，当反应器运行至第80～100d时，甲烷日产生量趋于稳定，说明反应器内产甲烷菌的生长繁殖已趋于平衡状态。运行至第100～110d时，由于膜污染的形成，甲烷日产生量出现“平台期”，变化幅度较小。在第110d，膜清洗后，甲烷日产生量又突破平台期，开始产生小幅度增长，后又迅速趋于平稳，表明膜截留和生物降解作用又开始高效发挥，对产甲烷过程起到了一定的促进作用，厌氧单元的生物反应并未收到膜清洗的抑制和干扰。118d之后，OLR对甲烷日产生量的影响几乎已趋近于零。

　　可见，甲烷日产生量随着运行时间的延长而稳定增长，基本不受膜污染的干扰，打破平台期开始上升，更加准确直观地表明了对膜单元膜丝离线的物理清洗并没有抑制到厌氧单元的生物反应，反而对厌氧单元的生物反应有一定的促进作用。在118d之后，OLR值对甲烷日产生量的影响几乎趋近于零，如果SAnMBR长时间运行，厌氧单元会在较长的时间范围内处于稳定的状态，直到SAnMBR出现特殊的情况，如厌氧单元出现严重的酸化现象，才会发生改变。

　　综上，在一定OLR范围内，SAnMBR的甲烷日产生量主要随OLR的增加而增加，受膜污染和膜清洗影响较小，且随着运行时间的延长，OLR对甲烷日产量的影响逐渐减弱。可以预测，随着SAnMBR的长期运行，甲烷日产生量将在较长时间范围内保持相对稳定，直到反应器出现酸化和严重膜污染等特殊情况，甲烷日产生量才会发生较大变化。

　　3、结论

　　(1)SAnMBR处理低浓度污水在中温[(35±1)℃]条件下可稳定运行，对COD的去除效果较为显著，总COD去除率在稳定阶段基本维持在80%左右，稳定运行阶段最大甲烷产率为0.067L・g-1COD，与理论最大产率相差较大。

　　(2)HRT、硫酸盐和溶解性甲烷的存在均影响单位COD甲烷产率，在SAnMBR的实际应用中，应结合进水特性、出水要求和反应器设计等综合考虑多种因素，适当改变水质参数及水力学参数，在不影响污水处理效果的同时，最大限度提高甲烷产率。

　　(3)SAnMBR的甲烷日产生量和累积甲烷产量均与OLR呈线性相关，拟合方程分别为甲烷日产生量为0.3OLR+0.23(R2=0.89)和累积甲烷产生量为29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可为建立SAnMBR启动及稳定运行阶段数学模型建立提供理论及数据支持。

　　(4)支持向量机能够很好地适用于SAnMBR处理低浓度污水中，通过模拟预测，表明SAnMBR处理低浓度生活污水具有极好的耐冲击负荷能力，在回收利用甲烷能源方面有很大发展空间，但还需要进一步的研究来阐明和验证作为甲烷产量基础的微生物反应动力学。(来源：北京建筑大学北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心，环境与能源工程学院，中铁十六局集团地铁工程有限公司)