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生物资源技术
低浓度污水厌氧处理:一体式和分段式厌氧流化床膜生物反应器之间的比较
重点：
一体式和分段式厌氧流化床膜生物反应器性能比较；
在两系统中活性炭的除垢效果对于污垢控制都很有效；
2-4小时的水力停留时间使污水COD去除率达93-96%；
悬浮固体（SS），胞外聚合物（EPS），可溶性微生物产物（SMP）在各系统中行为相似；
一体式厌氧流化床膜生物反应器可有效替代分段式厌氧流化床膜生物反应器系统。
文章信息
文章历史：2014.1.6获得
2014.2.15获得修订版本
2014.2.17予以承认
2014.2.27可网上获取
关键字：厌氧的，流化床，单极膜生物反应器，分段式膜生物反应器
摘要：一体式和分段式厌氧流化床膜生物反应器性能比较而言，分段式厌氧流化床膜生物反应器由一个厌氧流化床生物反应器后接一个一体式厌氧流化床膜生物反应器组成。两系统都是以25℃下等量醋酸盐和丙酸盐COD混合剂为饵料。每个系统都能获得93-96%的COD去除率，独立的水力停留时间在2-4小时。经过超过200天的持续运行，由于膜表面运动的颗粒状活性炭颗粒的洗涤，各系统在没有重大膜污染情况下跨膜压力小于0.2巴。由于散装液体悬浮固体，胞外聚合物（EPS）和可溶性微生物产物（SMP）的分析揭示两种系统间没有重大不同，表明一体式厌氧流化床膜生物反应器可有效替代分段式厌氧流化床膜生物反应器系统。
- 介绍
最近关于通过化石燃料消耗释放的温室气体的担忧已经引起了对更加节能的低浓度污水处理方法的研究(Foresti 等人, 2006年; Gimenez等人, 2011年; McCarty 等人, 2011年; Martinez-Sosa 等人, 2011年; Martin Garcia 等人, 2013年)。此外，与典型好氧污水处理过程相关的污泥处理的难题和成本都需要更有创造性的解决方法(Fytili 和Zabaniotou, 2008年; Rulkens, 2008年; Murray 等人, 2008年; Yang 等人, 2010年)。为了帮助解决这些问题，不需要曝气且只产生少量污泥的厌氧处理已经被建议做为一个选择(Kim 等人, 2011年; Yooet 等人, 2012年; Smith 等人, 2012, 2013年)。虽然厌氧过程经常被认为不适合低浓度污水处理，在水力停留时间媲美好氧工艺的情况下，厌氧膜生物反
应器已经证明有能力取得高质量出水。膜阻止了有机物从反应器中损失，从而允许厌氧过程所需的较长固体停留时间，并且通过过滤产生好的出水水质。
膜污染控制是留给厌氧膜生物反应器的一个重要问题。最广泛适用的膜控制方法是沼气喷射，它将产生的沼气回收到反应器提供膜上除垢效果。然而，气体喷射据报道需要很高的能量，0.6-1.6KWh/msup3; (Martin 等人, 2011年)，减小了厌氧膜生物反应器的优点。作为一个可替换的途径，Kim等人建议使用流动颗粒状活性炭颗粒通过冲洗来清洗膜表面。这个系统中，分段式厌氧流化床膜生物反应器系统由一个厌氧流化床反应器后接一个厌氧流化床膜生物反应器组成。颗粒状活性炭在两反应器中被用作流动媒介。Yoo 等人(2013)报道，实验室分段式厌氧流化床膜生物反应器在运行总水力停留时间2.3h时国内污水处理厂初级沉淀池出水达到84%的COD去除率，甚至温度可低至10℃。据研究，经过650天的持续运行，只需要两次化学清洗，且不需要反冲洗，能耗据报道为0.049KWh/msup3;。
基于分段式厌氧流化床膜生物反应器测试成功，此系统中更深入的完善正在探索。一个可能的改进措施是去除第一个厌氧流化床反应器，有效将两反应器结合成成为一个一体式的反应器。使用一体式厌氧流化床膜生物反应器，建设和维护费用可能会减少。然而，一个一体式厌氧流化床膜生物反应器更易受膜污染伤害，因为它的生物量浓度可能更高。此外，分段系统比一体式厌氧流化床膜生物反应器有更稳定的有机物去除效果。
这个研究实施旨在评价一体式厌氧流化床膜生物反应器系统的可行性。对于这次评价，一体式的和分段式厌氧流化床膜生物反应器性能将在相似运行条件下运行进行比较。各系统中COD去除率和跨膜压力的改变将被比较。此外，每个反应器散装液体中的悬浮固体、胞外聚合物和可溶性微生物产物的浓度结果将被比较。
2.方法
2.1反应器结构和运行
正如Yoo 等人(2012)所描述，图一为分段式厌氧流化床膜生物反应器系统示意图。第一个反应器为一个0.245L厌氧流化床反应器，由一个内部装有10times;30网孔新鲜颗粒状活性炭（Filtrasorb 300，Calgon Carbon,USA）长50cm直径2.5cm的丙烯酸管和安装于反应器顶部防止颗粒状活性炭从反应柱中流失的沉淀槽组成。三分之一的反应柱中充满40g来自其他厌氧流化床反应器处理过等量醋酸盐和丙酸盐混合污水的颗粒状活性炭。系统中第二个反应器为厌氧流化床膜生物反应器，用于改善厌氧流化床反应器出水，与厌氧流化床反应器有相同的结构，但是包含8根长0.411m孔径0.1mu;m总表面积0.020㎡的水下聚偏二氟乙烯中空纤维膜链。在厌氧流化床膜生物反应器中，三分之一的反应柱也是被填满，不过是用46g未利用颗粒状活性炭。
图一.分段式厌氧流化床膜生物反应器系统示意图
一体式厌氧流化床膜生物反应器与分段式厌氧流化床膜生物反应器的第二段厌氧流化床膜生物反应器相似，除了它含有5根膜链而不是8根，表面积总计达0.012㎡。为保证各系统中总水力停留时间相同，一体式厌氧流化床膜生物反应器使用了相同更少的膜链。在这里，来自分段式厌氧流化床膜生物反应器系统中厌氧流化床反应器的40g带有开发后生物膜的颗粒状活性炭被用于充填一体式厌氧流化床膜生物反应器至三分之一体积。
在比较评估开始之前，所以系统在流入COD（等量醋酸盐和丙酸盐混合液）约200mg/l总水力停留时间3.3h混合液驯化218-225天。起初约100天需要去稳定COD去除高于90%。然而在比较前期开始起134天，分段式厌氧流化床膜生物反应器经历了循环泵问题且颗粒状活性炭流动停止。在再次开始之后接着空运转一个月，过膜压力在20天内由0.1bar上升到0.4bar，219天后膜换成新的再进行比较。另一方面，一体式厌氧流化床膜生物反应器被持续运行整个前225天比较期间没有任何操作上问题。
一体式厌氧流化床膜生物反应器与分段式厌氧流化床膜生物反应器比较期间的运行条件和结果分别列在表1和表2。一体式厌氧流化床膜生物反应器在4个不同水力停留时间运行，从3.3h减到2.2h。相应的，膜通量和有机物负荷率分别从6L/㎡/h增到9L/㎡/h和从1.6到2.2gCOD/L-d。在第74个比较日，因为在进料泵停止时渗透泵一直运行，一体式厌氧流化床膜生物反应器几乎完全耗尽。恢复后2天，过膜压力等级由0.06bar跳到0.31bar，结果在第74天进行化学清洗，首先将膜浸在1000mg/l NaOCl中，接着在1000mg/l 柠檬酸中，然后1000mg/l NaOH中，最后用去离子水冲洗，每次1h。为了在相似水力停留时间下比较各系统，分段式厌氧流化床膜生物反应器在总水力停留时间为3.0h（模式Ⅰ）和2.1h（模式II）下运行。在模式II中，分段式厌氧流化床膜生物反应器水力停留时为1.3h，相应通量为9L/㎡/h，这与模式IV中用于一体式厌氧流化床膜生物反应器中通量相同。
表1
HRT对单AFMBR性能的影响
|
模式 |
I |
II |
IIIa |
IV |
|
天数 |
1–33 |
34–62 |
63–96 |
97–195 |
|
HRT (h) |
3.3 |
2.9 |
2.5 |
2.2 |
|
膜通量(L/m2/h) |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
OLR (g COD/L-d) |
1.6 |
1.8 |
2.1 |
2.2 |
|
给水 (mg/L) |
||||
|
TCOD |
212 (plusmn;15) |
223 (plusmn;8) |
213 (plusmn;12) |
216 (plusmn;14) |
|
SCOD |
197 (plusmn;15) |
209 (plusmn;10) |
199 (plusmn;12) |
201 (plusmn;18) |
|
出水 (mg/L) |
||||
|
TCOD |
13 (plusmn;7) |
12 (plusmn;5) |
11 (plusmn;6) |
10 (plusmn;9) |
|
SCOD |
11 (plusmn;2) |
10 (plusmn;5) |
8 (plusmn;3) |
8 (plusmn;4) |
|
TSS |
4 (plusmn;1) |
1 (plusmn;0) |
4 (plusmn;3) |
4 (plusmn;2) |
|
VSS |
4 (plusmn;1) |
1 (plusmn;0) |
3 (plusmn;3) |
4 (plusmn;2) |
|
VFA |
0.6 (plusmn;1.1) |
0.5 (plusmn;0.6) |
1.0 (plusmn;2.0) |
1.0 (plusmn;0.9) |
|
pH |
7.7 (plusmn;0.2) |
7.7 (plusmn;0.1) |
7.8 (plusmn;0.1) |
7.8 (plusmn;0.1) |
|
碱度 |
229 (plusmn;8) |
239 (plusmn;10) |
247 (plusmn;9) |
235 (plusmn;14) |
|
nb |
12 |
11 |
13 |
39 |
|
去除率 (%) |
||||
|
TCOD |
94 (plusmn;3) |
95 (plusmn;2) |
95 (plusmn;3) |
95 (plusmn;4) |
|
SCOD |
94 (plusmn;2) |
95 (plusmn;2) |
96 (plusmn;2) |
96 (plusmn;2) |
a第74天，进行化学清洗
|
表2 |
||||||||||
|
HRT对 SAF-MBR系统性能的影响. |
||||||||||
|
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