張博康,張 巖,陳昌明,馬翔山,劉子奇

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AnGMBR處理低濃度廢水的運行特性

張博康,張 巖*,陳昌明,馬翔山,劉子奇

(北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京市水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

采用厭氧顆粒污泥床膜生物反應器(AnGMBR)對模擬生活污水進行處理,并對其運行特性進行研究.結(jié)果表明,在室溫、進水COD 260mg/L的條件下,AnGMBR的出水COD能穩(wěn)定維持在30mg/L以下,即使HRT降至5h,系統(tǒng)的出水COD仍滿足一級A排放標準.AnGMBR的總甲烷轉(zhuǎn)化量在0.234~0.271L/g COD去除之間,其進水COD約有61%~70%轉(zhuǎn)化為甲烷.AnGMBR在運行過程中顆粒污泥的粒徑、機械強度沒有較大的差異,顆粒污泥具有較好的穩(wěn)定性.經(jīng)過一段時間的連續(xù)運行,AnGMBR的TMP穩(wěn)定維持在35kPa左右,膜絲在經(jīng)過清洗后,其性能能夠得到有效的恢復.AnGMBR中用于顆粒污泥流化所需的能耗較低,膜濾出水為主要的需能部位,系統(tǒng)各階段的產(chǎn)能均能滿足能耗需求.AnGMBR高效穩(wěn)定的運行表明,AnGMBR作為一個低耗高效的廢水處理系統(tǒng),具有良好應用潛力.

厭氧顆粒污泥床膜生物反應器；厭氧顆粒污泥；低濃度廢水；完整性系數(shù)；能耗

厭氧工藝通常被認為不適合低濃度有機廢水處理.然而,隨著近幾十年厭氧膜生物反應器(AnMBR)的發(fā)展,AnMBR已經(jīng)證明了在水力停留時間(HRT)與好氧工藝HRT相差無幾的條件下,其有能力實現(xiàn)高質(zhì)量的出水[1-2].厭氧流化床膜生物反應器(AFMBR)作為一種新型的高效厭氧膜生物反應器,其處理生活污水能取得良好效果[3-5].本課題組已對AFMBR處理低濃度有機廢水的運行特性進行了研究[6].顆粒活性炭(GAC)的機械摩擦雖然能夠有效減緩膜污染,但對膜組件本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞[7-8].

厭氧顆粒污泥是在高水力剪切作用下,由水解發(fā)酵細菌、產(chǎn)乙酸細菌、產(chǎn)甲烷菌等因生物凝聚作用而形成的呈灰色或褐黑色的特殊生物膜.同普通的絮狀污泥相比,顆粒污泥具有密度大、強度高、沉降性能突出、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐沖擊、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點[9-11].被廣泛應用于升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、顆粒污泥膨脹床反應器(EGSB)、內(nèi)循環(huán)厭氧反應器(IC)等高效厭氧反應器中[12-14].

厭氧顆粒污泥的機械強度低于GAC,能夠減緩對膜組件的磨損;同時由于其質(zhì)地較輕,有利于減少能耗.因此,本研究采用厭氧顆粒污泥代替顆?；钚蕴?形成厭氧顆粒污泥床膜生物反應器(AnGMBR),對其進出水水質(zhì)、顆粒穩(wěn)定性、系統(tǒng)的能源需求及產(chǎn)能進行分析,考察AnGMBR處理低濃度有機廢水的運行特性.同時,將AnGMBR與AFMBR進行比較,為AnGMBR高效穩(wěn)定的運行提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 反應器的構(gòu)造及運行條件

AnGMBR如圖1所示,AnGMBR由1個主反應柱和2個沉淀室組成,其有效容積為30L.在主反應柱內(nèi)部設置有60根1m長的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜(公稱孔徑為0.4mm),總有效面積為0.2475m2.反應器的詳細尺寸見AFMBR處理低濃度有機廢水的運行特性[6].

圖1 AnGMBR系統(tǒng)示意

1.進水蠕動泵 2.反應柱 3.沉淀室 4.循環(huán)磁力泵 5.轉(zhuǎn)子流量計 6.壓力傳感器 7.出水蠕動泵 8.厭氧顆粒污泥 9.中空纖維膜 10.pH電極 11.ORP電極 12.DO電極 13.液位控制器 14.集氣口

AnGMBR的實驗用水為模擬生活污水,其中主要含有蔗糖、蛋白胨、NH4HCO3、尿素、K2HPO4、KH2PO4、NaHCO3,水質(zhì)組成如表1所示.系統(tǒng)通過進水蠕動泵連續(xù)不斷的進水,系統(tǒng)的出水則由液位傳感器控制,跨膜壓差(TMP)通過出水口與出水蠕動泵之間的壓差型壓力傳感器測定[4,15].

厭氧顆粒污泥取自某啤酒廠,其MLVSS為68.86g/L、MLSS為103.52g/L,VSS/SS為67%, AnGMBR中厭氧顆粒污泥的填充比為50%[6].系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)流量約為300L/h,反應器截面上的流速為26.53m/h,以控制厭氧顆粒污泥膨脹至反應柱總高度90%~100%.AnGMBR的運行條件如表2所示,共分為5個模式,模式Ⅰ~Ⅴ依次增大進水流量,提高系統(tǒng)的有機負荷.

表1 本次研究中試驗廢水水質(zhì)[16]

1.2 分析方法

SCOD、TCOD、TSS、VSS、NH4+-N、TN、TP和堿度采用標準方法進行測定[17]. 揮發(fā)性脂肪酸(VFA)用裝有火焰離子化檢測器(FID)的HP6890N系列的氣相色譜進行分析,分析測定前需要先用0.22mm的濾頭對水樣過濾,然后再用3%的甲酸酸化.反應器的產(chǎn)氣采用美國RESTERK 5L的氣袋進行收集,氣體組分(CH4、CO2)用裝有熱導檢測器(TCD)的HP6890N系列的氣相色譜進行分析.每回取至少3組平行樣進行相關分析.顆粒污泥的粒徑采用濕式篩分法測定[18].

膜組件的清洗方法如下[19-20]:將膜絲取出后,用自來水反復清洗至水不再明顯變色為止,然后將膜絲浸泡在1%NaClO中1h后取出,自來水沖凈后,再將膜絲浸泡在500mg/L的檸檬酸中浸泡1h后取出,用自來水將膜絲沖凈,再將膜絲浸泡在500mg/L的NaOH中1h后取出,自來水洗凈即可.

2 結(jié)果與討論

2.1 AnGMBR系統(tǒng)的運行特性

AnGMBR系統(tǒng)連續(xù)運行100d的進出水分析結(jié)果如表2所示,整個過程分為5個階段.階段Ⅰ~Ⅴ的TCOD、SCOD去除率平均在89%以上,出水TCOD、SCOD也均滿足一級A排放標準.在其出水中未檢測到VFA,表明系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌能保持較高的活性,整個消化過程進行的較為徹底.

AnGMBR的出水總氮濃度高于其氨氮濃度,但在其出水中只檢測出微量亞氮、硝氮,這表明顆粒污泥未能將進水中其他形式的氮全部轉(zhuǎn)換為氨氮.此外,AnGMBR的出水總氮要高于進水總氮,分析認為由于厭氧顆粒污泥能夠吸附氨氮,而AnGMBR的循環(huán)流速又較低,不能使整個系統(tǒng)的溶液混合均勻,從而導致出水總氮高于進水總氮.而AFMBR由于其較高的循環(huán)流速,能夠使整個反應器的溶液混合均勻,其出水總氮低于進水總氮,系統(tǒng)內(nèi)的厭氧微生物僅能通過同化作用消耗一小部分碳源[6].

表2 不同HRT下AnGMBR的運行特性

注:為重復次數(shù).

堿度方面,AnGMBR系統(tǒng)的出水堿度高于進水堿度[21],階段Ⅰ~Ⅳ系統(tǒng)每消耗1gCOD所產(chǎn)生的堿度分別為0.382、0.519、0.561、0.538g(此處及其后分析中的COD均為TCOD[3,5]),與本課題組AFMBR各階段消耗1gCOD所產(chǎn)生堿度的研究結(jié)果相比(0.146、0.182、0.449、0.451g)[6],其值要高于AFMBR的數(shù)值.

2.2 系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥機械強度及粒徑的變化

顆粒污泥的機械強度與顆粒的穩(wěn)定性密切相關,顆粒污泥的機械強度越大,顆粒污泥越緊密,內(nèi)在結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定.厭氧顆粒污泥只有具有較高的機械強度才能抵抗反應器內(nèi)上升水流和沼氣氣泡所產(chǎn)生的攪拌和剪切作用,才能減少因內(nèi)部壓力波動所造成的顆粒破裂、磨損或剝落等現(xiàn)象的發(fā)生[22-24]. Ghangrekar等[25]曾提出顆粒強度通過完整性系數(shù)(%)來表示,顆粒的完整性系數(shù)越低,污泥顆粒的強度就越大.顆粒污泥的完整性系數(shù),即樣品離心后上清液中固體與顆粒污泥總質(zhì)量的比值.

在本研究中,取樣品2mL,使其在200r/min的離心機內(nèi)離心5min后測得,結(jié)果如圖2所示.可以發(fā)現(xiàn),各階段運行結(jié)束后顆粒污泥的完整性系數(shù)與初始顆粒污泥的完整性系數(shù)相差不大,其數(shù)值在1%~4%之間波動,具有穩(wěn)定且較高的機械強度.這也表明厭氧顆粒污泥在反應器中能夠保持良好的穩(wěn)定性.

圖2 AnGMBR各階段顆粒污泥的完整性系數(shù)

AnGMBR各階段運行結(jié)束后粒徑分布如表3所示.從表中數(shù)據(jù)來看,初始顆粒污泥其粒徑主要分布在0.355~1.5mm之間,占比為79.61%.階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ運行結(jié)束后顆粒污泥的粒徑主要分布在1.5~ 2mm、0.355~1.5mm之間,占比在83%~90%之間.階段Ⅲ運行結(jié)束后顆粒污泥的粒徑分布略有差異,主要分布在0.355~1.5mm之間,占比為90.32%.階段Ⅴ運行時間較短,未對其進行測定.可以發(fā)現(xiàn),在AnGMBR 100d的連續(xù)運行中,系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥的粒徑能夠穩(wěn)定維持在0.355~2mm之間,與初始顆粒相比沒有較大差異,表明顆粒污泥在其內(nèi)能夠保持穩(wěn)定.顆粒污泥在系統(tǒng)內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的粒徑,一方面是由于系統(tǒng)內(nèi)的水力負荷適當,有利于顆粒污泥保持在良好的粒徑范圍內(nèi);另一方面則是因為系統(tǒng)內(nèi)pH值、、ORP能夠滿足厭氧微生物的需要,并能長期保持穩(wěn)定.

表3 AnGMBR各階段的粒徑分布

2.3 不同HRT下系統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化特性及碳平衡

表4中氣相甲烷的含量通過氣相色譜測定,溶解甲烷的含量通過亨利定律計算得到.

表4 不同HRT條件下AnGMBR的甲烷轉(zhuǎn)化情況

如表4所示,在溫差變化不大的情況下, AnGMBR系統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化量相差不大,氣相甲烷轉(zhuǎn)化量在0.151~0.188L/g COD去除之間,總甲烷轉(zhuǎn)化量在0.234~0.271L/g COD去除之間.與AFMBR系統(tǒng)的總甲烷轉(zhuǎn)化量相比(0.182L/g COD去除)[6],AnGMBR系統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化量要高于AFMBR系統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化量.

如表5所示,系統(tǒng)的出水COD所占的比例較低,在7%~11%之間,厭氧消化過程較完全;其次,從表5中可以看出,基本上有61%~70%的進水COD能夠轉(zhuǎn)化為甲烷,而AFMBR僅有45%的進水COD轉(zhuǎn)化為甲烷[6],甲烷轉(zhuǎn)化量提高了16%~25%;其中氣體甲烷約占68%、溶解性甲烷約占32%,其比值也接近2:1.至于產(chǎn)氣中CO2所占的體積分數(shù),與AFMBR產(chǎn)氣中CO2所占的比例相近,所占比例較低,在5%左右[6].

表5 不同HRT條件下AnGMBR的COD平衡分析

注:括號內(nèi)的百分數(shù)代表各成分換算的COD占進水COD的比例.

2.4 AnGMBR系統(tǒng)中TMP的變化

從圖3中可以看出,經(jīng)過一段時間的運行,系統(tǒng)的TMP趨于平緩,穩(wěn)定在35kPa左右.系統(tǒng)在階段Ⅱ運行結(jié)束后,循環(huán)磁力泵發(fā)生故障,在對反應器進行整修的同時也將膜絲進行了清洗,可以發(fā)現(xiàn)清洗后系統(tǒng)的TMP明顯降低,并且在一段時間內(nèi)可以維持在較低的水平,膜絲的性能得到有效恢復,清洗效果良好.

結(jié)合表2,AnGMBR的膜通量可以穩(wěn)定在14~ 20L/(m2·h),因此,系統(tǒng)內(nèi)的膜組件能夠保持穩(wěn)定的性能連續(xù)運行.此外,由于實驗采用的是人工配水,廢水中的懸浮物濃度要遠低于實際生活污水中的懸浮物濃度,因此在處理實際生活污水時,需要對膜組件的TMP和膜通量進行監(jiān)測,并及時清洗.

圖3 AnGMBR運行中TMP的變化情況

2.5 不同HRT下系統(tǒng)的能耗及產(chǎn)能

參照Kim等[19]描述的計算方法,如表6所示,各階段用于顆粒污泥流化所需的電能需求要遠低于膜濾出水所需要的能耗,僅占系統(tǒng)總能耗的15%,膜濾出水為主要需能部位,而在AFMBR中,GAC流化是主要需能部位[6].

AnGMBR系統(tǒng)階段Ⅰ~Ⅳ的電能需求分別為0.0496, 0.0354,0.0271,0.0177kWh/m3,與本課題組AFMBR系統(tǒng)的電能需求相比(0.205,0.148,0.111,0.074kWh/ m3)[6], AnGMBR系統(tǒng)的能耗需求明顯較低.

AnGMBR系統(tǒng)各階段的甲烷產(chǎn)能相差不大,氣相甲烷產(chǎn)能在0.115~0.142kWh/m3之間,溶解性甲烷的產(chǎn)能在0.057~0.070kWh/m3之間,總的甲烷產(chǎn)能在0.181~0.197kWh/m3之間,各階段甲烷產(chǎn)生的能耗均能滿足系統(tǒng)的能耗需求.

如若只考慮氣相甲烷的產(chǎn)能,階段Ⅰ(HRT= 27.8h)的產(chǎn)能是能耗需求的2倍多,隨著HRT的降低,處理每m3所需能耗的降低,至階段Ⅳ產(chǎn)能已是能耗需求的7倍.如若考慮所有甲烷的產(chǎn)能,各階段產(chǎn)能與能耗需求的比值更大.

表6 不同HRT下AnGMBR的能源平衡估算

AFMBR處理低濃度廢水的能耗分析結(jié)果表明:如若只考慮氣相甲烷產(chǎn)能,只有當HRT降至10h,產(chǎn)能才能滿足能耗需求[6].與AFMBR相比,AnGMBR的能耗需求明顯要低的多,并且其產(chǎn)能較AFMBR也有所增加,這表明AnGMBR在能耗需求和產(chǎn)能方面要明顯優(yōu)于AFMBR.

3 結(jié)論

3.1 AnGMBR系統(tǒng)在100d的連續(xù)運行中,其中有機物均能保持較高的去除效果,即使HRT降至5h,系統(tǒng)的COD平均去除率能穩(wěn)定維持在89%,出水COD仍可滿足一級A排放標準.系統(tǒng)在運行過程中顆粒污泥的粒徑、機械強度沒有較大的差異,顆粒污泥具有較好的穩(wěn)定性.

3.2 AnGMBR系統(tǒng)的總甲烷轉(zhuǎn)化量在0.234~ 0.271L/g COD去除之間,系統(tǒng)的進水COD約有61%~ 70%能夠轉(zhuǎn)化為甲烷.

3.3 AnGMBR系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的連續(xù)運行,其TMP穩(wěn)定維持在35kPa左右,在NaClO-檸檬酸-NaOH的依次清洗后,膜絲的性能能夠得到有效的恢復.

3.4 AnGMBR中用于顆粒污泥流化所需的能耗較低,膜濾出水為主要的需能部位,系統(tǒng)各階段的產(chǎn)能均能滿足能耗需求.與AFMBR相比,AnGMBR極大地降低了系統(tǒng)運行所需的能耗.

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Characteristics of anaerobic granular sludge bed membrane bioreactor for dilute wastewater treatment.

ZHANG Bo-kang, ZHANG Yan*, CHEN Chang-ming, MA Xiang-shan, LIU Zi-qi

(Key Laboratory of Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(8)：2954~2959

Anaerobic granular sludge bed membrane bioreactor (AnGMBR) with simulated domestic wastewater was studied at room temperature. With the influent COD of 260mg/L, the effluent COD of AnGMBR could remain stable under 30mg/L; Even if the HRT was reduced to 5h, it could still meet the level A Emission Standard. The total methane conversion of AnGMBR was between 0.234 and 0.271L/g CODR, about 61% to 70% of the influent COD was converted into methane. The particle size and mechanical strength of granular sludge were not different during the operation of AnGMBR, and granular sludge could keep stable. After a period of continuous operation, AnGMBR’s TMP kept stable at about 35kPa. The performance of membrane was restored effectively after cleaning. The energy consumption required for the fluidization of granular sludge in AnGMBR was lower, and the permeate water was the main energy consumption required part. The energy output could meet the energy demand. Thus, the AnGMBR system had great potential as an energy positive wastewater treatment system.

anaerobic granular sludge bed membrane bioreactor；anaerobic granular sludge；dilute wastewater；integrity coefficient；energy consumption

X703.1

A

1000-6923(2018)08-2954-06

張博康(1993-),男,山西運城人,北京工業(yè)大學碩士研究生,主要從事污水處理與資源化方面的研究.發(fā)表論文8篇.

2018-01-18

人才培養(yǎng)質(zhì)量建設-雙培計劃新興專業(yè)建設基金資助項目(PXM2016_014204_001030_00205969_FCG)

* 責任作者, 副教授, yzhang@bjut.edu.cn