厭氧膜生物反應器(submergedanaerobicmembranebioreactor，AnMBR)是一種將厭氧生物技術(shù)與膜技術(shù)相結合，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，污水中的有機污染物可被厭氧微生物降解、轉化為甲烷，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)有效保留在反應器內，即使在低溫(<20℃)、高鹽、短HRT(2～8h)條件下，AnMBR對低濃度生活污水，也可能具有較好的處理效果。同時(shí)，AnMBR在減少污泥產(chǎn)生量和節省占地面積等方面也凸顯優(yōu)勢，雖然膜污染和高昂的膜成本是限制其廣泛應用的主要因素。

　　國內外研究者們已開(kāi)始對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轉化為甲烷，相當于系統運行所需能量的7倍。Lin等利用中試規模的AnMBR處理低濃度城市污水，甲烷產(chǎn)率高達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(cháng)速率產(chǎn)甲烷菌的限制。

　　然而，目前國內外對AnMBR處理低濃度生物污水的研究主要集中在如何使反應器內生長(cháng)和維持高密度功能厭氧微生物，以實(shí)現污水COD的高效去除和甲烷的高效產(chǎn)生，但對其運行過(guò)程和影響因素的研究較少，相關(guān)機理尚不明確。

　　現通過(guò)構建實(shí)驗室規模的新型SAnMBR反應器，研究其處理低濃度污水時(shí)的運行過(guò)程和產(chǎn)甲烷特性，考察產(chǎn)甲烷的影響因素，并采用支持向量機模型進(jìn)行預測，研究結果可為SAnMBR在低濃度生活污水處理中的應用提供理論支撐。

　　1、材料與方法

　　1.1 實(shí)驗裝置

　　采用的一體化SAnMBR反應裝置如圖1所示。

　　一體化SAnMBR反應裝置，由主體系統、監測系統和氣體收集系統構成。其中主體系統包括反應器主體、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，內徑為0.6mm、外徑為1.1mm、膜絲總有效面積為0.41m2。監測系統包括真空壓力表、液位控制器、溫度傳感器和PLC控制裝置。氣體收集系統包括甲烷吸收裝置和濕式氣體流量計計量裝置。

　　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某城市污水處理廠(chǎng)厭氧消化污泥，因污泥濃度較高，在反應器內設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)驗運行條件

　　整個(gè)運行期包括啟動(dòng)階段(28d)、穩定運行階段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。各階段運行溫度均為(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，各運行階段均無(wú)排泥。

　　1.4 監測指標及分析方法

　　COD采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測定，甲烷氣體體積采用濕式氣體流量計計量法測定，跨膜壓差采用真空壓力表測量，膜通量采用取樣計量法測定，MLSS和MLVSS采用重量法測定，并采用基于MATLAB平臺的LibSVM進(jìn)行支持向量機模擬，預測不同OLR條件下甲烷產(chǎn)生量。

　　2、結果與討論

　　2.1 運行期間甲烷產(chǎn)率變化

　　在啟動(dòng)階段和穩定運行階段，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(cháng)適應期，生長(cháng)速率慢，對進(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了反應器內的環(huán)境，微生物種群數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。

　　在穩定運行的A、B和C階段，當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)行膜清洗后又繼續穩定運行(即運行階段D)，跨膜壓差恢復至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)，在穩定運行階段，膜表面濾層逐漸形成，在厭氧區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。在運行階段D，對膜進(jìn)行清洗后，膜通量提高，COD降解率開(kāi)始增加，甲烷產(chǎn)率也在小范圍內波動(dòng)后很快又趨于穩定。

　　與0.38L·g-1COD的理論最大甲烷產(chǎn)率相比，本研究的結果偏低，這與本研究進(jìn)水COD濃度、容積負荷率均處于較低水平有關(guān)。Giménez等利用中試規模SAnMBR處理低濃度含SO2-4廢水時(shí)，甲烷產(chǎn)率僅為0.069L·g-1COD，主要是因為硫酸鹽還原菌的生物作用，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(cháng)HRT可最大限度提高甲烷產(chǎn)率，但易導致反應器容積利用率低，而較短的HRT可導致VFA的積累、甲烷產(chǎn)率的降低和膜污染。因此，在SAnMBR的實(shí)際應用中，應結合進(jìn)水特性、出水要求和反應器設計等綜合考慮多種因素，選擇適宜的HRT參數。并采取適當措施，減少進(jìn)水中硫酸鹽含量，以及改變溫度、pH等水質(zhì)參數和黏度等水力學(xué)參數，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對甲烷產(chǎn)生量的影響

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

　　由圖4可以得出，在SAnMBR的運行期間，當平均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)對甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)生量與OLR的線(xiàn)性擬合，結果發(fā)現，二者均與OLR呈線(xiàn)性相關(guān)，R2值分別為0.89和0.81。與Yeo等研究結果相同，甲烷產(chǎn)生量和OLR成正比，隨著(zhù)OLR的增加，甲烷產(chǎn)生量呈線(xiàn)性增長(cháng)。

　　當然，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(zhù)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。這一差異可歸因于在較低OLR水平下的污泥負荷(F/M)更適宜產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)繁殖，過(guò)高的OLR會(huì )對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣性能產(chǎn)生影響。隨著(zhù)OLR的增加，VFA的大量積累也會(huì )對微生物活性產(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，SAnMBR系統甲烷產(chǎn)生量與OLR存在一定線(xiàn)性關(guān)系。但OLR并不是影響甲烷產(chǎn)生量的唯一因素，實(shí)際應用中，應綜合考慮污水濃度、HRT和SRT等綜合因素進(jìn)行綜合評估。

　　2.3 甲烷產(chǎn)生量模擬預測

　　在穩定運行階段，對SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量進(jìn)行模擬預測，結果如圖5所示。

　　圖5表明，甲烷日產(chǎn)生量與OLR呈現良好線(xiàn)性關(guān)系。當OLR值高于2.0kgCOD/m3·d-1時(shí)，SAnMBR運行的第78d即出現“平臺期”，甲烷日產(chǎn)生量達到穩定狀態(tài)，此后甲烷產(chǎn)生量隨OLR變化不明顯。當OLR值低于2.0kgCOD/m3·d-1時(shí)，“平臺期”出現較遲緩，于100d左右開(kāi)始出現，隨后甲烷日產(chǎn)生量逐漸趨于穩定。經(jīng)過(guò)膜清洗后的運行階段D，OLR變化對甲烷日產(chǎn)生量的影響不顯著(zhù)，甲烷日產(chǎn)生量保持在850mL/d左右，表明SAnMBR產(chǎn)氣效果已趨于穩定。從OLR對甲烷日產(chǎn)生量的影響情況來(lái)看，穩定運行階段最適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)調控操作條件來(lái)改變反應器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，結果如圖6所示。

　　由圖6可知，當反應器運行至第80～100d時(shí)，甲烷日產(chǎn)生量趨于穩定，說(shuō)明反應器內產(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)繁殖已趨于平衡狀態(tài)。運行至第100～110d時(shí)，由于膜污染的形成，甲烷日產(chǎn)生量出現“平臺期”，變化幅度較小。在第110d，膜清洗后，甲烷日產(chǎn)生量又突破平臺期，開(kāi)始產(chǎn)生小幅度增長(cháng)，后又迅速趨于平穩，表明膜截留和生物降解作用又開(kāi)始高效發(fā)揮，對產(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并未收到膜清洗的抑制和干擾。118d之后，OLR對甲烷日產(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(zhù)運行時(shí)間的延長(cháng)而穩定增長(cháng)，基本不受膜污染的干擾，打破平臺期開(kāi)始上升，更加準確直觀(guān)地表明了對膜單元膜絲離線(xiàn)的物理清洗并沒(méi)有抑制到厭氧單元的生物反應，反而對厭氧單元的生物反應有一定的促進(jìn)作用。在118d之后，OLR值對甲烷日產(chǎn)生量的影響幾乎趨近于零，如果SAnMBR長(cháng)時(shí)間運行，厭氧單元會(huì )在較長(cháng)的時(shí)間范圍內處于穩定的狀態(tài)，直到SAnMBR出現特殊的情況，如厭氧單元出現嚴重的酸化現象，才會(huì )發(fā)生改變。

　　綜上，在一定OLR范圍內，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(zhù)運行時(shí)間的延長(cháng)，OLR對甲烷日產(chǎn)量的影響逐漸減弱?？梢灶A測，隨著(zhù)SAnMBR的長(cháng)期運行，甲烷日產(chǎn)生量將在較長(cháng)時(shí)間范圍內保持相對穩定，直到反應器出現酸化和嚴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、結論

　　(1)SAnMBR處理低濃度污水在中溫[(35±1)℃]條件下可穩定運行，對COD的去除效果較為顯著(zhù)，總COD去除率在穩定階段基本維持在80%左右，穩定運行階段最大甲烷產(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)際應用中，應結合進(jìn)水特性、出水要求和反應器設計等綜合考慮多種因素，適當改變水質(zhì)參數及水力學(xué)參數，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(xiàn)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)及穩定運行階段數學(xué)模型建立提供理論及數據支持。

　　(4)支持向量機能夠很好地適用于SAnMBR處理低濃度污水中，通過(guò)模擬預測，表明SAnMBR處理低濃度生活污水具有極好的耐沖擊負荷能力，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)闡明和驗證作為甲烷產(chǎn)量基礎的微生物反應動(dòng)力學(xué)。( >

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