一体式厌氧膜生物反应器处理低浓度污水
厌氧膜生物反应器是将厌氧生物技术与膜技术相结合，利用水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的分离来处理污水的技术。与其他厌氧生物处理工艺一样，在AnMBR处理污水的过程中，污水中的有机污染物可以被厌氧微生物降解，转化为甲烷，可以抵消污水处理的能量需求。悬浮固体、胶体和一些可溶性物质通过微滤/超滤膜的拦截被有效地保留在反应器中，即使在低温下(
国内外研究人员已开始研究厌氧膜生物反应器处理低浓度生活污水的可行性和潜力。VanZyl等人证明，优化后的AnMBR能将污水中98%的COD转化为甲烷，相当于系统运行所需能量的7倍。林等采用中试规模的AnMBR处理低浓度城市污水，产甲烷量高达0.26 L·g-1 COD。胡等研究表明，厌氧膜生物反应器处理低浓度污水在技术上是可行的，但其处理效率受到产甲烷菌的限制，产甲烷菌的较低，生长速度较慢。
然而，目前国内外对AnMBR处理低浓度生物废水的研究主要集中在如何在反应器中生长和维持高密度的功能性厌氧微生物，从而实现废水中COD的高效去除和甲烷的高效生成。但对其运行过程和影响因素的研究较少，相关机制尚不清楚。
通过实验室规模构建新型SAnMBR反应器，研究其处理低浓度污水的运行过程和产甲烷特性，考察产甲烷的影响因素，并利用支持向量机模型进行预测。研究结果可为SAnMBR在低浓度家庭生活污水处理中的应用提供理论支持。
1.材料和方法
1.1实验装置
集成的SAnMBR反应器如图1所示。
一体化SAnMBR反应器由主系统、监控系统和气体收集系统组成。主系统包括反应器主体、中空纤维膜(PVDF)、蠕动泵、均质搅拌装置和保温装置，其中有284根中空纤维膜丝，内径0.6mm，外径1.1mm，总有效面积0.41m2，监控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。集气系统包括甲烷吸收装置和湿气流量计计量装置。
1.2模拟低浓度生活污水和接种污泥
模拟低浓度生活污水配制为COD浓度269 ~ 712 mg/L，NH3-N浓度30 ~ 40 mg/L，PO3-4浓度6.0 ~ 10.0 mg/L，pH 6.8 ~ 7.2。接种污泥为北京市通州区某市污水处理厂厌氧消化污泥。由于污泥浓度较高，反应器中设置了搅拌装置以降低膜污染速率。污泥MLSS为2840毫克/升，MLVSS为2560毫克/升，pH为7.34。
1.3实验操作条件
整个运行周期包括启动阶段(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。各级运行温度为(35±1)℃, pH为6.83 ~ 7.15，水力停留时间分别为22h、15h、12h、6h和6h，理论膜通量分别为1.33 l/(m2·h-1)、1.95 l/(m2·h-1)和2.44 l/(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 ~ 2.6kg COD·m3·d-1。各运行阶段无污泥排放。
1.4监测指标和分析方法
采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定COD，湿式气体流量计测定甲烷气体体积，真空压力表测定跨膜压力，取样法测定膜通量，重量法测定MLSS和MLVSS，基于MATLAB平台用LibSVM进行支持向量机仿真，预测不同OLR条件下的甲烷产量。
2.结果和讨论
2.1运行过程中甲烷产量的变化
在启动阶段和稳定运行阶段，SAnMBR的COD浓度、COD削减量和单位COD的甲烷产量及其变化见图2，跨膜压差和膜通量的变化见图3。
从图2可以看出，在启动阶段，COD的进水浓度为269 ~ 415 mg/L，削减量为156 ~ 289 mg/L，单位COD的甲烷产量为0 ~ 0.112 L·g-1 COD。其中，在启动初期(0 ~ 6天)，由于厌氧微生物处于生长适应期，生长速度较慢，进水COD消耗较小，产甲烷量较低。从第7天到第7~28d天，厌氧微生物逐渐适应了反应器中的环境，微生物种群的数量和活性都有一定程度的增加。然而，由于膜表面的过滤层没有完全形成，甲烷产量仍然处于低水平。
在稳定运行阶段A、B和C，HRT分别为15h、12h和6h时，COD的削减量分别为356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，单位COD甲烷产量分别为0.045～0.061 L·g-1 COD和0.046～1 COD。从图3可以看出，在运行期的第109天，跨膜压差增加到30.4kPa，膜通量下降到0.88 L/m2·h-1，造成膜污染。膜清洗后继续稳定运行(即运行阶段D)，跨膜压差恢复到14.2kPa，该阶段HRT保持在6小时，COD削减量为451 ~ 587 mg/L，单位。
可以看出，在稳定运行阶段，膜表面的过滤层逐渐形成。在厌氧区生物降解、膜表面截留和滤层生物膜降解的共同作用下，COD降解效率和产甲烷率大大提高。当HRT缩短到6小时时，COD的减少量和甲烷产量下降，这是由于膜表面的滤层已经完全形成，大量的COD在膜表面积累，其中一部分不能及时降解，产生的甲烷有一部分以可溶状态存在，使得甲烷产量处于较低水平。运行阶段D，清洗膜后，膜通量增加，COD降解率开始上升，甲烷产量小范围波动后迅速稳定。
与0.38 L·g-1 COD的理论较高的甲烷产率相比，本研究的结果较低，这与较低的进水COD浓度和容积负荷率有关。Giménez等采用中试规模的SAnMBR处理含SO2-4的低浓度废水，甲烷产量仅为0.069 L·g-1 COD，主要是由于硫酸盐还原菌的生物作用，消耗2gCOD将1g硫酸盐还原为硫化物。同时，厌氧产生的甲烷有40% ~ 70%可能以溶解状态存在于液相中。
综上所述，HRT、硫酸盐和溶解甲烷的存在都是影响甲烷产率的重要因素。延长HRT可以大大提高甲烷产率，但容易导致反应器容积利用率低，而缩短HRT会导致VFA积累、甲烷产率降低和膜污染。因此，在SAnMBR的实际应用中，应综合考虑进水特性、出水要求、反应器设计等各种因素，选择合适的HRT参数。应采取适当措施降低进水中硫酸盐含量，改变温度、pH等水质参数和粘度等水力参数，以降低溶解甲烷的比例，同时在不影响污水处理效果的情况下，可大幅提高单位COD的甲烷产量。
2.2 OLR对甲烷产量的影响
研究了OLR对每日甲烷产量和累积甲烷产量的影响，结果如图4所示。
从图4可以看出，在SAnMBR运行期间，当平均OLR分别为0.37kg cod/m3·d-1、0.87kg cod/m3·d-1、1.22kg cod/m3·d-1、2.57kg cod/m3·d-1和2.60kg cod/m3·d-1时，通过对每日甲烷产量和累计甲烷产量与OLR进行线性拟合，发现二者与OLR呈线性相关，R2值分别为0.89和0.81。与Yeo的研究结果相似，甲烷产量与OLR成正比，随着OLR的增加，甲烷产量线性增加。
当然，超过OLR的一定限度，甲烷产量可能会减少。Wijekoon等发现，当OLR从5kg COD/m3·d-1增加到12kg COD/m3·d-1时，甲烷产量从5L/d增加到35 L/d，Abdullah等研究表明，随着OLR增加到2kg COD/m3·d-1，甲烷产量逐渐增加，但随着OLR的进一步增加，甲烷产量呈下降趋势。这种差异可以归因于较低OLR水平下的污泥负荷(F/M)更适合产甲烷菌的生长繁殖，过高的OLR会影响产甲烷菌的产气性能。随着OLR的增加，VFA的积累也会抑制微生物的活动，从而减少甲烷的产生。Saddoud等人发现，当OLR为16.3kg cod/m3·d-1时，由于单相AnMBR中的VFA积累，甲烷产量急剧下降。
综上所述，在一定范围内，SAnMBR系统中甲烷产量与OLR之间存在一定的线性关系。然而，OLR并不是影响甲烷产量的唯一因素。在实际应用中，应考虑污水浓度、水力停留时间、SRT等综合因素进行综合评价。
2.3甲烷产量的模拟和预测
在稳定运行阶段，对SAnMBR的日产甲烷量进行了模拟和预测，结果如图5所示。
图5显示了每日甲烷产量和OLR之间存在良好的线性关系。当OLR值高于2.0kg cod/m3·d-1时，在SAnMBR运行的第78天出现“平台期”，甲烷日产量达到稳定状态，此后甲烷产量不随OLR发生明显变化。当OLR值低于2.0kg cod/m3·d-1时，“平台期”缓慢出现，开始于100d左右，之后日甲烷产量逐渐趋于稳定。在膜清洗后的运行阶段d，OLR的变化对日产甲烷量没有显著影响，日产甲烷量保持在850mL/d左右，表明SAnMBR的产气效果趋于稳定。根据OLR对日产甲烷量的影响，稳定运行阶段的最佳OLR为2.1～2.6kg COD/m3·d-1。因此，在保证污染物去除效果的同时，可以通过调整操作条件来改变反应器的OLR值，大幅提高甲烷产量。
为了进一步分析OLR和每日甲烷产量之间的关系，分析了图5在OLR轴上的映射，结果如图6所示。
从图6中可以看出，当反应器运行到80 ~ 100 d时，日产甲烷量趋于稳定，这表明反应器内产甲烷菌的生长和繁殖趋于平衡。从100天到110天，由于膜污染的形成，日产甲烷量出现“平台期”，变化幅度较小。第10天，膜清洗后，日产甲烷量突破平台期，开始略有增加，然后迅速稳定，说明膜截留和生物降解又开始发挥高效作用，对产甲烷的进程起到一定的促进作用，厌氧单元的生物反应不受膜清洗的抑制和干扰。经过118天，OLR对每天甲烷产量的影响几乎为零。
可以看出，日产甲烷量随着运行时间的延长而稳步上升，基本不受膜污染的干扰，在打破平台期后开始上升，更准确直观地说明了膜单元膜丝的离线物理清洗并没有抑制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。118d后，OLR值对日产甲烷量的影响几乎为零。如果SAnMBR长期运行，厌氧单元将长期处于稳定状态，直到SAnMBR出现特殊情况，如厌氧单元严重酸化，才会发生变化。
综上所述，在OLR一定范围内，SAnMBR的日产甲烷量主要随着OLR的增加而增加，但受膜污染和膜清洗的影响较小，且随着运行时间的延长，OLR对日产甲烷量的影响逐渐减弱。可以预见，随着SAnMBR的长期运行，日产甲烷量将在较长一段时间内保持相对稳定，直到反应器出现酸化、膜污染严重等一些特殊情况，日产甲烷量才会有较大变化。
3.结论
(1)低浓度污水的处理1)SAnMBR在中温[(35±1)℃]下可以稳定运行，COD的去除效果显著。稳定阶段总COD去除率基本维持在80%左右，稳定运行阶段较大的甲烷产量为0.067 L·g-1 COD，与理论产量相差较大。
(2)HRT、硫酸盐和溶解甲烷的存在都会影响单位COD的甲烷产量。在SAnMBR的实际应用中，应综合考虑各种因素，如进水特性、出水要求和反应器设计等。，并适当改变水质参数和水力参数，在不影响污水处理效果的情况下，大幅度提高甲烷产率。
(SAnMBR的日产甲烷量和累计产甲烷量与OLR呈线性相关，拟合方程分别为0.3OLR+0.23(R2=0.89)和29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可为建立SAN MBR启动和稳定运行阶段的数学模型提供理论和数据支持。
(4)支持向量机可以很好地应用于SAnMBR处理低浓度污水。模拟预测表明，SAnMBR处理低浓度生活污水具有优异的抗冲击负荷能力，在沼气能源回收利用方面具有很大的发展空间。但是，还需要进一步的研究来阐明和验证微生物反应动力学作为产甲烷的基础。(来源:北京建筑大学环境与能源工程学院北京可持续城市排水系统建设与风险控制工程技术研究中心、中铁十六局集团地铁工程有限公司)
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