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化工学报408 (2021) 127288
一种处理屠宰废水的新型射流循环厌氧膜生物反应器:生物处理和过滤组合工艺
西班牙米赛尔巴努埃洛斯广场布尔戈斯大学化学工程系生物技术和食品科学系；阿夫达布尔戈斯大学电子技术系机电工程系。坎塔布里亚，西班牙布尔戈斯09006号
文章信息 摘要
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关键词: 厌氧膜生物反应器 生物反应器 生屠宰场废水 可逆结垢速率 不可逆结垢速率 |
本文介绍了采用新型射流循环厌氧膜生物反应器处理屠宰场废水的结果。创新之处在于将附着生长厌氧反应器和过滤罐集成为外部环路气升式生物反应器，利用气体喷射产生的气升效应来减轻结垢。射流循环厌氧膜生物反应器中试装置运行了18个月，水力停留时间为19.5–21.3小时，固体停留时间为60天，有机负荷率为3.5～7.4kg/CODm3sdot;d，最高可达10.9kg/CODm3sdot;d.有机物去除率保持在92%至97%之间。在处理低浓度生物悬浮物时，射流循环厌氧膜生物反应器中的大部分生物量(82%)被截留。 采用Box-Behnken试验设计，通过短期和中期试验研究了不同反冲洗方案和过滤通量对可逆和不可逆结垢速率的影响。污垢层压缩导致的污垢固结是不可逆污垢的主要原因。中试结果表明，喷射环流厌氧生物膜反应器是一种很有前途的处理复杂废水的技术。 |
1．介绍
食品工业废水，包括屠宰场废水，通常含有大量可生物降解的有机物和悬浮固体[1]。厌氧消化可以产生沼气、污泥产量低和节省大量的占地，使厌氧消化成为处理食品工业废水的一种有吸引力的技术[2]。然而，含有30-70%有机物作为颗粒有机物的复杂废水可能会导致常规高速厌氧生物反应器的操作问题[3，4]。未降解的悬浮固体在高速厌氧生物反应器中的积累导致固体停留时间和反应器效率的降低，这是由于无活性污泥的增加、污泥提升、浮渣形成和较轻絮凝物的冲刷[5]。由脂肪分子断裂产生的长链脂肪酸会在厌氧过程中产生严重的生物学问题[6]。据报道，在处理高脂质含量的工业废水时，会出现污泥漂浮或颗粒化不成功，从而导致UASB型反应器出现运行故障[7–9]。处理含有大量缓慢生物降解有机物的废水，如颗粒有机物、油和油脂，以及胶体物质可以通过两相水解-UASB方法处理。通过这种方式，可缓慢生物降解的材料被预水解和酸化，而不会失去产甲烷的潜力，然后产生的可溶性有机物可以在UASB进行处理[4]。然而，用于生物处理的有害成分的存在通常通过物理化学预处理来防止。从经济的角度来看，物理化学预处理增加了污泥管理成本并降低了沼气产量，但是从技术的角度来看，避免了与污泥浮选或有缺陷的粒化相关的操作问题。避免废水不利特性相关问题的另一种方法是使用不受缓慢生物降解颗粒积累、污泥沉降性或生物质脱粒影响的膜[10]。厌氧处理工艺和膜技术的结合利用了两种工艺的优点。厌氧工艺被认为是处理高浓度废水的最合适的生物技术，而对于从复杂的工业废水中去除低生物降解性物质，基于膜的工艺被认为是最合适的物理化学处理技术[11]。然而，膜和厌氧工艺的结合还不是一项成熟的技术。实际实施细节可能会导致一些困难。大多数厌氧反应器都与膜技术相结合，最常用的是完全混合厌氧消化器和UASB型反应器[12]。
厌氧过滤(AF)技术，是基于生物量保留在固定床的惰性支撑材料上。在AF反应器中，废水中的颗粒和有机物被附着在载体材料表面或悬浮在空隙空间中的活性生物质捕获并降解[13]。房颤已被成功用于处理不同的高浓度废水，如甜菜糖[14]，屠宰场[15，16]，肉类和乳制品行业[17，18]，酒厂废物[19]和酒糟[20]。提高出水质量的一个选择是将自动聚焦技术与膜生物反应器相结合，建立一个混合系统[2，21]，或一个集成厌氧系统[22]。通过将污泥保留在载体材料中，固定床厌氧生物反应器可以提高去除效率并降低过滤阻力[21，23]。这两种技术的主要障碍，即AF反应器的长启动周期和堵塞问题[24]，以及AnMBR的膜污染[25]，可以在AF和AnMBR结合时消除。该膜保证了生物量的保留，这反过来促进了生物膜在支持介质上的形成，并缩短了启动周期。堵塞问题通过调整表观速度得到有效控制。与此同时，膜污染得到缓解，因为与膜接触的污泥浓度由于生物量保留在AF中而降低。
在以前的工作中，一个厌氧过滤器和一个超滤膜浸没在一个内循环气升式生物反应器的提升管部分，被提出[22]。使用15.7–17.1 l/m2sdot;h.的过滤通量，进行了快速启动，仅在两周内就达到了7kgCOD/m3sdot;d的有机负荷率OLR。过滤罐集成在厌氧过滤器内部的内室中简化了结构，但是具有重要的操作缺点:膜的化学清洗不能在原位进行。
据报道，在厌氧过滤反应器[15]和厌氧膜生物反应器[26]中，对屠宰场废水进行厌氧处理存在几个问题。悬浮和胶体成分的高含量可能会降低微生物活性，冲刷活性生物量，或导致AFs反应器堵塞。另一方面，悬浮物和胶体物质会加剧膜生物反应器中的膜污染。
研究了一种新型膜生物反应器——射流循环厌氧膜生物反应器(AnFMBR)处理屠宰废水的性能。新型射流循环厌氧膜生物反应器通过浸没式膜集成了下流式厌氧固定床反应器和超滤阶段，以从复杂废水中产生高质量的流出物和生物气。两级之间的再循环利用了用于减轻膜污染的气体喷射引起的气举效应，而无需额外的循环泵。本文的目的是评估厌氧过滤器附着和悬浮生物量的浓度和产甲烷活性，以及过滤通量、反洗频率、持续时间和通量对可逆和不可逆膜污染速率的影响。响应面法用于分析短期和中期试验中所研究变量的单个和组合效应。
2．材料和方法
2.1．射流循环厌氧膜生物反应器
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图1射流循环厌氧膜生物反应器示意图。g:沼气流量计，p:压力传感器，pH: pH传感器，Q:渗透流量计，T: 温度传感器。 |
喷射回路和膜生物反应器的流程如图。1.喷射回路厌氧膜生物反应器由一个0.18 m3的下流式厌氧过滤器和一个0.016 m3的上流式过滤罐组成，下流式厌氧过滤器装有用于固定生物量的塑料载体(生物填料)，上流式过滤罐装有浸没式中空纤维聚偏氟乙烯膜(Zenon Zeweed-10)。载体介质的比表面积为460 m2/m3，孔隙率为90%。膜的过滤面积为0.93 m2.孔径为0.04m，比细菌的大小小约十倍，亲水表面有助于防止膜污染。生物池和过滤池在底部和上部相互连接，以允许混合液再循环。从生物池上部收集的生物过程产生的沼气通过隔膜压缩机(Secoh SV50)进行再循环，用于膜清洗。气体喷射通过气浮使悬浮物向上流动，上浮到生物池的顶部，而不需要使用机电泵装置进行混合液再循环。混合液通过塑料载体向下流向底部，并返回过滤罐，关闭射流回路。下部管道中的蝶阀能够隔离过滤罐，以便对膜进行原位化学清洗。
蠕动泵(沃森马洛520U)通过厌氧过滤器的上部引入未经处理的屠宰场废水。可逆磨损泵(微型泵鹰驱动GJ-N21)用于过滤和反冲洗。该泵连接到收集膜渗透物进行反冲洗的1 L罐上。另一个蠕动泵(Watson Marlow 520U)用于从渗透容器中取出流出物，同时将过量的渗透物返回到厌氧过滤器的顶部空间。废水进料泵由排出物控制，因此生物过程的水力停留时间、水力停留时间和OLR的控制与过滤通量无关。每天浪费3升过滤罐中的污泥，以维持60天的固体停留时间，SRT，以悬浮生物量为基础。
通过电子加温毯加热将生物处理过程的温度保持在30plusmn;1.0℃。电子压力传感器(PN 2569，IFM)监测跨膜压力(TMP)和反应器填充水平。使用两个电子感应流量计(MIK 5NA、科博尔德·梅苏拉)测量过滤和反冲洗流量。温度(TR2432，IFM)，酸碱度(液化CM14，恩德雷斯 豪泽)和沼气生产(FCI ST75)进行了连续监测。使用转子流量计(PS系列，Tecfluid)测量沼气喷射流速。整个系统由基于Arduino的可编程控制器(M-Duino 38R，工业屏蔽)控制，该可编程控制器连接到用于远程控制和实时监控的PC。
2.2．屠宰场废水特性
射流循环厌氧膜生物反应器使用从调节池收集的来自猪屠宰场(西班牙坎波里奥食品集团坎波里奥壁画公司)的未经处理的废水，除了粗筛和粗砂去除之外没有任何预处理。屠宰场废水的化学需氧量(COD)为2970-6040毫克/升，峰值浓度高达9715毫克/升，总有机碳(TOC)为1170-2130毫克/升，油脂(Oamp;G)浓度高达960毫克/升，总氮(TN)为258-414毫克/升，总悬浮固体(TSS)为1740-4200毫克/升，挥发性悬浮固体(VSS)为1585-3860毫克/升。
2.3.废水和沼气分析
每天收集来自过滤池的废水流入物、流出物和混合液的样品。根据《水和废水检验标准方法》(APHA，2001年)[27]，对总悬浮固体、悬浮固体、化学需氧量和Oamp;G进行了分析。使用总有机碳/总氮分析仪(日本VCPN岛津总有机碳分析仪)对总有机碳和总氮进行了分析，使用装有CH4、CO2、H2S和O2传感器的移动式气体计量装置(Multitec 545)对沼气成分进行了微弱监测。
2.4．悬浮和附着生物质的比产甲烷活性
对从厌氧过滤柱上部收集的附着和悬浮生物质样品进行厌氧活性测试。除去第一层载体后，取10升载体材料，约500片，以及夹在空隙空间中的混合液。将20片支持培养基小心地放入2.1 L厌氧培养瓶中，用于测定附着生物量(ATb)的产甲烷活性。然后在每个瓶中加入渗透物，总体积为400毫升，刚好覆盖载体。以相同的方式制备三个样品，只是为了测定总的和挥发性的附着固体。剧烈搅拌这些样品，以从载体中释放尽可能多的附着生物质。取出分离的生物质悬浮液后，向瓶中加入250毫升渗透液，并再次剧烈搅拌以分离保留在载体上的生物质，重复该操作直到载体看起来干净。附着生物量浓度以载体的体积表示。在载体取样过程中释放的400毫升悬浮液样品用于测定悬浮生物量(SSb)的特定产甲烷活性。
以宠物食品为模型底物，初始食物与生物量之比(So/X)为0.5 g COD/g VSS。制备不含底物的附着和悬浮生物质的空白样品，以从进料样品中减去它们的生物气产量。向每个培养瓶中加入1克碳酸氢钠以提供碱度(1.5克碳酸钙/升)，并提供大量和微量营养素溶液[28]。每个培养物制备一式三份。用氮气去除氧气后，将瓶子在35℃的温控室中孵育，在惠顿辊式培养装置中以1.2转/分的速度轻轻搅拌。
在整个试验过程中，通过数字压力传感器(PN 2569，IFM)监控沼气产量，并在试验结束时分析甲烷浓度。在产甲烷活性测试结束时，还测定了每个样品中的总悬浮固体和悬浮固体浓度。
2.5．膜性能
研究了过滤通量J、反洗频率(根据过滤周期持续时间tc)、反洗通量Jbw和反洗持续时间tbw对临界通量、过滤和反洗阻力、可压缩性以及可逆和不可逆结垢速率的影响。进行了短期和中期两种类型的实验。短期试验由一系列8个循环组成，通过逐步增加通量来进行，如用于在所谓的临界通量下识别可逆结垢开始的通量阶跃方法。在中期试验中，操作条件在7小时内保持不变，以确定选定条件下的不可逆结垢速率。
2.5.1。短期过滤分析
过滤和反洗阻力、可逆结垢速率、临界通量和压缩性指数通过连续的临界通量测定在一周内连续监测，使用八个通量:11.6、12.1、13.7、13.9、14.2、15.9、16.2和17.9 L/m2sdot;h. 为了评估反洗强度对膜性能的影响，使用了三个反洗频率，TC = 7–10.5–14min，三个反洗持续时间，tbw = 20–30–40秒，三个反洗强度，Jbw/J = 1.5–1.75–2.0。
Box-Behnken实验设计用于将三种操作条件(tc、tbw和Jbw/J)的三个水平(高: 1、中:0和低：-1)结合起来，从而允许以最少的运行次数对实验结果进行统计分析[29]。Box- Behnken设计允许分析每个变量影响的统计相关性，并使用二次多项式模型(等式1)从实验结果获得响应面
Y bijXiXj (1)
其中，Y是过滤阻力、反洗阻力、可逆结垢速率或临界通量的预测响应，b0是相应的截距系数，bi是运行参数Xi的线性效应系数，bii是X的二次效应系数，bij是运行参数Xi和Xj的相互作用效应系数。
可逆结垢速率(dTMP/dt)rev是通过使用Huber方法对TMP剖面进行稳健线性回归来确定的，以避免与起泡和其他系统波动相关的TMP异常值污染最小二乘回归的斜率和截距的估计。根据95%渐近效率规则[30]，胡贝尔的调谐常数设置为1.345。该线性回归的截距TMPo对应于初始TMP，没有可逆结垢的贡献，可逆结垢已经通过松弛和反洗去除。
每个临界通量系列中的过滤阻力Rf由8个循环的TMPo对J的线性回归斜率确定，根据达西定律将其除以粘度。同样，反洗阻力Rbw由反洗跨膜压力TMPbw与反洗通量Jbw的线性回归确定。
由于污垢层是由容易变形的软污泥絮状物形成的，滤饼层的孔隙率和填充结构将取决于所施加的压力。因此，随着细胞变形的程度，过滤阻力将取决于TMP。以下经验势方程[31]用于表征污垢层的可压缩性Rf:
Rf = rsdot;(TMP)n (2)
式中，r为单位TMP处的阻力，n为压缩性指数。当n为零时，滤饼层被认为是不可压缩的，Rf与TMP无关，n值的增加表示TMP对过滤阻力的影响增加，这提供了压缩效果的度量。
临界通量Jc被确
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