厌氧膜生物反应器设计方案

综述了厌氧膜生物反应器中的微生物种群与分布特点、厌氧膜生物反应器在污水处理中的应用情况,讨论了影响厌氧膜生物反应器性能的主要参数、膜的污染预防与控制等,最后探讨和展望了厌氧膜生物反应器的应用前景,并指出了该领域今后的研究方向。

另外,AnMBR由于可以维持较长的污泥停留时间,因此污泥产量低,甲烷转化率高,出水水质好。近年来随着膜组件成本的下降和膜性能的不断提高,国外对AnMBR的研究日趋活跃,而国内的研究则刚刚起步。

一、AnMBR中的微生物:
系统内微生物种群数量是决定厌氧工艺处理能力的主要因素之一。除了废水组成、操作条件外,反应器类型也影响产甲烷菌种群数量。在厌氧反应器中主要存在两类产甲烷菌:甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌属。
1、AnMBR中的微生物种群:
膜在厌氧反应器中的应用不但可以增加微生物的数量,还可以改变优势种群。InceO等研究AnMBR中微生物种群的变化时发现,从城市污水的消化池中接种污泥,其最具优势的群落为甲烷球菌属,其次分别为甲烷八叠球菌、短杆菌、中杆菌、丝状菌以及长杆菌。而在AnMBR中发现优势种群出现了变化,相应的顺序为:中杆菌、短杆菌、甲烷八叠球菌、长杆菌以及丝状菌。运行14周后,产甲烷菌和非产甲烷菌都相应增加了50%和20%,同时具有活性产甲烷菌急剧增加。自体荧光产甲烷菌与细菌总量的比值在6.7%到8.3%之间变化,具有生物活性的产甲烷菌增加了近20倍。
2、AnMBR中微生物浓度:
由于膜的截留作用,可以维持反应器中高浓度的微生物量,从而提高反应器的容积负荷。在AnMBR运行的前期,由于微生物的积累,污泥增长速率很快,MLVSS的质量浓度可达到数十g/L。同时膜对微生物浓度分布也有影响,ChooKH等发现,在0.5m/s的流速、0.1MPa的压力下,经过20d的运行,反应器内MLVSS的质量浓度从2410mg/L降低到920mg/L,而膜表面附着的微生物的质量浓度增加到20700mg/L,系统中约有16%的微生物转移到了膜表面。
二、AnMBR的应用:
AnMBR的研究基本与膜生物反应器发展同步,1972年Shelf等开始了厌氧膜生物反应器的研究工作,随着对AnMBR研究的不断深入,其应用范围也不断扩大。
1、AnMBR在城市污水处理中的应用:
国内较早研究AnMBR在城市生活污水处理中的应用的是清华大学,在1999年,采用AnMBR处理城市污水,在温度为12℃,水力停留时间为4h,出水的BOD5和TSS的质量浓度都小于30mg/L。国外的研究同样表明,应用AnMBR处理城市污水,出水的水质较好。
2、AnMBR在工业废水处理中的应用:
工业废水水质差异很大,不像生活污水那样具有较多的共同特点,因此,AnMBR在处理工业废水具有相对优势。南非Membratek公司在20世纪80年代研究了AnMBR用于高浓度工业废水,特别是食品和酿造业的废水处理。90年代初,美国在俄亥俄州建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的AnMBR系统,处理规模为151m3/d,COD去除率达94%,绝大部分的油与油脂均被降解。
3、AnMBR在脱氮中的运用:
EwaW等采用AnMBR用于地下水脱氮,反应器采用固定床与膜组合,其中膜为毛细管纤维膜,水力停留时间0.2h时,反应器的脱氮效率可以达到10.2kg[NO3-]/(m·3d),处理后的出水NO3-的质量浓度不超过44mg/L。使用的毛细管膜去除水中的悬浮细菌,出水细菌浓度可以控制在几个细菌每毫升,过滤后的水可以进一步处理后用于工业或饮用水等。
BioscanA/S公司开发了处理农业泥浆的Biorek工艺。该工艺包括Aduf、氨氮去除以及反渗透单元。反渗透单元可将脱氨氮后的出水处理到饮用水程度。Aduf工艺以猪粪为基质,HRT为6d的情况下,COD去除率高于90%。Aduf工艺的无菌出水含有较多溶解性营养物,汽提除氨装置可去除95%以上的溶解性氨氮,使其与CO2形成碳酸氢铵肥料,同时可防止反渗透膜上结垢。
三、生物反应器的主要参数:
操作参数不仅对膜的结垢影响很大,还与AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水质等有很大的关系。参数的选择会严重影响到AnMBR的整体效能的发挥。
1、有机负荷:
AnMBR的优势之一就是适宜处理高浓度有机废水。如果系统运行稳定,则挥发性脂肪酸也会保持在一定范围,一般把挥发性脂肪酸作为有机负荷的指示物。对不同的有机废水,有机负荷相差很大。从AnMBR处理各种废水的效果(见表1)可以看出AnMBR优良的性能,COD的去除率一般均超过90%,而有机负荷可以超过40kg/(m3·d),甚至近70kg/(m·3d)。
2、温度:
要达到较好的处理效果,AnMBR的操作温度通常需较高。温度较高时,可以降低溶解性微生物代谢产物(SMP)浓度(粘度也降低),使膜通量也提高。在一定的温度范围与压力条件下,温度每升高1℃,膜通量增加1%~2%;然而最近有研究发现,在常温或低温条件下,AnMBR也能够取得较好的处理效果和较大的膜通量。

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