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Bioresource Technology 172 (2014) 321–327
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Bioresource Technology
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v ie r . c o m / l o c a t e / b i o r t e c h
淹没式厌氧膜海绵生物反应器中旋转磁盘对膜污染的控制
Jungmin Kim a,1, Jaewon Shin a,b,1, Hyemin Kim a,c, Jung-Yeol Lee b, Min-hyuk Yoon d, Seyeon Won e, Byung-Chan Lee f, Kyung Guen Song
水资源循环研究中心、韩国科学技术研究院，5 Hwarang-ro 14-gil, Seongbuk-gu, Seoul 136-791，韩国公办学校，环境与建筑工程系，高丽大学，145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 136-701。
韩国土木与环境工程系，延世大学，50 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 120-749, 韩国多州建设有限公司，403 Dobong-ro, Gangbuk-gu, Seoul 142-876。
韩国汉江环境研究中心， 627 Yangsu-ri, Yangseo-myeon, Yangpyeong-kun, Kyounggi-do 476-823, 韩国土木工程系的共和国，Suncheon First College, San 9-3 Dokwol-dong, Suncheon-si, Cheonnam 540-744。
特点
用旋转圆盘观察海绵与膜的强化碰撞。在没有膜清洗的情况下操作单级或两级ARMBR。
单级ARMBR在电能平衡中更有益。
文章信息
文章历史：
2014.6.9被接受
到2014.8.31修订后被接受
2014.9.4被认可
2014.9.16在网上可行
关键词：
厌氧
膜生物反应器
旋转圆盘
聚氨酯
膜污染
摘要
尽管在过去的几十年研究中做出了很大努力，厌氧膜生物反应器的膜污染（AnMBRs）仍然是一个增加了整体的运营成本，阻碍工业应用的悬而未决的问题。对此，我们开发了一种可有效控制膜污染的方法，使用埋在海绵的AnMBRs采用厌氧旋转磁盘的MBR（ARMBR）。提高了旋转导致海绵和膜表面之间的有效碰撞；从而在ARMBR成功地增强了膜的渗透性。磁盘旋转速度的影响和海绵体积分数对膜的渗透性之间的关系和水流方向和膜透性的影响需要被研究。我们对长期的可行性研究进行了100天的综合废水处理。结果，在无需更换和清洗的条件下对稳定性和经济性进行了观察。被建议的集成旋转磁盘支持媒体似乎是一个在AnMBR技术可行的甚至有益的选择。
2014出版社有限公司版权所有。
- 介绍
厌氧废水处理是好氧处理方法在经济上有吸引力的替代品，由于电力、资本、维护和运营成本可能由甲烷生产得到补偿（Sutton et al.，2011）。厌氧过程不需要曝气单元，可占近一半的污水生物处理的总能量输入（Park and Craggs，2007）。但传统的厌氧处理的出水水质，一般不满足化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）和严格的监管限制，一些后续处理往往是必需的（chernicharo，2006；Foresti et al.，2006）。一种替代的好氧处理方法依赖于膜生物反应器（MBR）保留使用系统内的微生物，延长固体停留时间（SRT），缩短了水力停留时间（HRT）。污水处理中对于淹没式膜的介绍显著降低了在操作过程中和交叉流膜生物反应器相关的能源消耗。这提高了膜生物反应器的利用效率（Ueda et al.，1997）。
在MBR中的应用的最令人沮丧的一个问题是膜污染，这使膜通量效率和膜的更换周期显著降低，且增加运算运行成本。已经进行了若干尝试减少MBR技术带来的污染，从化学/物理膜清洗到横向振动与介质流化在膜表面的应用(Ngo et al., 2008; Kola et al., 2014; Aslam et al., 2014)。在许多现有的污染控制技术，MBR中自由浮动的介质的增加体现了承诺。几种介质材料（例如，聚氨酯，聚苯乙烯，聚乙烯，活性炭碳、沸石、粘土、聚己内酯、二氧化硅等）已淹没式膜生物反应器中得到了测试，并得到了报道，由于移动媒体的连续摩擦行为使膜污染有了显著减少（Aslam et al.，2014；Khan et al.，2012；Lee et al.，2006）。特别是低成本聚氨酯海绵，在许多MBR技术由于其高孔隙率提出合理的移动运营商，它可以固定化微生物和去除营养物质，和他们在膜冲刷的背景下强大的机械特性（Chu and Wang，2011；Guo et al.，2009）。
这项研究描述了有效控制膜污染过程中厌氧转盘辅助膜系统的设计（ARMBR，厌氧旋转膜生物反应器）。旋转过滤内质网和磁盘过滤系统已成功地应用于各种系统，大概是通过使用旋转盘在膜表面上形成高剪切力来减少滤饼堆积和膜污染。先前的研究（jaffrin et al.，2004）发现，一个旋转磁盘的使用降低了浓差极化，导致在酵母细胞浓度震级的提高（Zhu et al. ,2014）。朱表明，较高的剪切应力和低的跨膜压力（TMP）相结合，通过旋转圆盘平行于膜促进溶质截留在菊苣汁提取过程中的膜所引进。与传统的过流过滤系统相比，旋转过滤系统具有经济上的好处，因为改进后的渗透性大大降低了模块和膜的数量使用范围（Riacute;OS et al.，2012）。除了通过旋转圆盘引进的内在防污效果，圆盘的旋转可提高流动介质的旋转剪切力和使用其他辅助方法产生的膜相对剪切力，如气体喷射泵再循环（Khan et al., 2012; Lee et al., 2006; Kim et al., 2011）。因此，在MBR工艺中通过同时使用旋转磁盘和海绵介质而获得的过滤有望被提高。
本研究旨在测试使用转盘在厌氧MBR工艺的可行性（ARMBR，厌氧膜生物反应器）。对短期操作进行研究，探讨冲刷的影响，旋转盘的动作和介质支持下对膜污染的影响。在对优化该进程做出努力时，旋转速度和介质包装的体积会有不同。在长期操作下对ARMBR稳定性的估计，或者有或者没有预处理的步骤（AEBR，厌氧膨胀床生物反应器），导致两级的AEBR-ARMBR或单级ARMBR过程。
- 理论
2.1 污水
这项研究是使用综合污水，以排除固有的收集样品的波动（如pH、悬浮物、有机物特性、微生物生物量等）和提高稳态条件下的系统效率的认识。在补充表1中描述了低强度污水的组成。综合污水COD约为342.3 mg/L，溶解氧（DO）0.5mg/L的水平，192.9mg CaCO3/L的碱性，铵氮（NH4–N）19.3mg/L的水平，和正磷酸盐（PO4–P）水平36mg/L，PH值为7.4。污水通过蠕动泵连续送入反应器（韩国东西大学）。
2.2 反应堆和运行模式
图1显示了一个长期操作下实验室规模的AEBR和ARMBR的示意图和运行方式。6L的AEBR（10 85厘米，D H亚克力管）包含一个用于微生物生长的支持介质，包括50%体积分数的聚氨酯海绵（5毫米立方体），有97.9%的空隙，表观密度为20公斤/立方米。
表1
厌氧模式长期运行
|
Long-term mode (100 days) |
Mode A |
Mode B |
||
|
AEBR |
ARMBR |
ARMBR |
||
|
HRT (h) |
3 |
6 |
6 |
|
|
Influent flow rate (L/d) |
16 |
16 |
16 |
|
|
Membrane flux (LMH) |
– |
11 |
11 |
|
|
Recirculation flow rate (L/d) |
1008 |
– |
– |
|
|
Rotation speed (rpm) |
– |
70 |
70 |
|
|
Media volume fraction (%v/v) |
50 |
25 |
25 |
|
（补充图1A–B）。蠕动泵是用于为了保持在AEBR技术中的海绵扩张而采取的污水循环。
四升ARMBR（30 6 30厘米，L W H）包含两个浸没式膜组件，聚氨酯海绵和一个旋转盘，在补充图1C–D.等乙烯平板膜与0.2lm和膜表面0.03平方米/模块区孔连接到模块的两侧。双旋转磁盘（22厘米直径）与膜的平行旋转在每个膜组件的两侧。旋转盘的转速采用调速电机控制（GGM公司、韩国）。不断渗透流是通过连接两个膜组件对蠕动泵进行设置来实现所需的膜通量从ARMBR生成。蠕动泵被记忆间操作，和间歇开关比为8 / 2分钟。跨膜压力（TMP）需要保持恒定的渗透流量监测使用压力表和自动使用实验观测系统。
AEBR和ARMBR系统使用5500mg/l的混合固体悬浮物（MLSS）操作。在操作过程中，没有被除去的污泥。AEBR和ARMBR的操作温度都需要在一个温度控制室中保持在30LC。
在短期操作中，对ARMBR中TMP的变化进行了监测，以评估磁盘旋转与磁盘旋转和介质体积的膜污染之间的协同效应的影响。在长期运行过程中，实施了2种不同的运行方式。操作条件在表1中详细列出。模式一（两阶段AEBR -ARMBR系统）分阶段纯化污水，先使用AEBR再使用ARMBR。模式B，污水被直通到ARMBR而不经过AEBR（单ARMBR系统）。在AEBR（模式A）和ARMBR（模式B）中产生的全部沼气都要被收集于一个集气袋中（杜邦公司，美国）。
2.3 分析方法
对COD去除率和甲烷气体的生产进行长期分析，以估计电力消耗和不同的厌氧处理模式下的系统效率。根据标准方法测定了化学需氧量COD（APHA et al.，1995）。使用水替代法、气相色谱层析法HP 6890体积测量收集的甲烷气体（HP，美国）配有热电导检测器（TCD）和Carbonextrade;1004不锈钢微填充柱（Supelco，美国）（APHA et al.，1995）。
- 结果和讨论
3.1 旋转速度的影响和介质体积对ARMBR膜污染的影响
|
35 |
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