厭氧膜生物反應(yīng)器處理生活污水溫度的影響
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的推進，我國城市人口迅速增加，同時污水生成量也顯著增長。傳統(tǒng)活性污泥法(aonventionalactivatedsludge，CAS)作為國內(nèi)所使用的主要污水處理工藝，其在維護水環(huán)境的穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用，為保護水質(zhì)、改善環(huán)境做出了巨大貢獻。然而，CAS是一種能源密集型的處理工藝，其能耗占典型污水處理廠總能耗的50%以上。針對日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染以及能源危機等問題，我國提出了“碳達峰碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，推動了污水處理模式向集有機物降解與能源回收為一體的低碳模式的轉(zhuǎn)變。厭氧發(fā)酵因能同步實現(xiàn)有機質(zhì)降解及能源再生，逐步成為廢水能源回收的主流技術(shù)，并在處理高濃度廢水中得到了較好的應(yīng)用，但甲烷產(chǎn)量低、出水穩(wěn)定性差等缺點依舊限制其推廣。
厭氧膜生物反應(yīng)器(anaerobicmembranebioreactor，AnMBR)作為一種新興的廢水處理技術(shù)，通過厭氧技術(shù)和膜分離技術(shù)的耦合，實現(xiàn)了水力停留時間(hydraulicretentiontime，HRT)和污泥停留時間(sludgeretentiontime，SRT)的分離，不僅有利于功能微生物的保留和有機物降解，而且可以降低能耗，減少污泥產(chǎn)量，是處理低濃度廢水的一種很有前景的解決方案。但由于大多數(shù)厭氧處理工藝都是在中溫或高溫的條件下運行，在溫帶和寒冷氣候中提供厭氧處理所需要的溫度條件將會大大增加污水處理系統(tǒng)的能耗，因此，實現(xiàn)污水在環(huán)境溫度下的高效厭氧處理，對提高其資源化利用具有重要意義。但運行溫度過低不僅會降低微生物活性，影響AnMBR的處理性能，而且其會降低膜的過濾性能，增加運行成本。為了進一步推動AnMBR在實際生活污水資源回收方面的應(yīng)用，探究環(huán)境溫度對AnMBR運行效率的影響，將有助于更全面地了解該系統(tǒng)，并為其性能的優(yōu)化提供更多信息。
本研究建立了一個實驗室規(guī)模的AnMBR處理實際污水，研究了不同環(huán)境溫度對AnMBR運行性能、膜過濾性能、微生物群落和運行效能的影響。為進一步提高環(huán)境溫度下的能源回收效率提供建議，并為實現(xiàn)實際污水的高質(zhì)量生物能源回收提供了技術(shù)參考。
1、材料與方法
1.1 實驗原料
實驗接種污泥取自基質(zhì)同為實際污水的AnMBR。實驗使用的污水為西安思源學(xué)院校園污水，污水的來源主要包括校園餐廳、洗浴、沖廁、生活排放污廢水等。實驗污水特性如表1所示。
1.2 實驗裝置
本研究反應(yīng)器配置如圖1所示，反應(yīng)器有效容積為1.5L，膜組件為自制聚偏二氟乙烯平板膜(膜組件總面積0.0312m2，膜孔徑0.2μm)。通過恒溫槽(DHC-05-A)控制反應(yīng)器運行溫度。反應(yīng)器進出水采用蠕動泵(BT100J-1A-DG-1A)進行控制，流速根據(jù)HRT進行調(diào)整。反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣由海得鋁箔氣體采氣袋進行收集，并通過真空泵連接濕式氣體流量計讀取每日產(chǎn)氣量。由真空泵(C30L-43X)從反應(yīng)器頂端抽取生物氣，通過反應(yīng)器底部設(shè)置的氣體分散孔進行氣體循環(huán)，以提供水力剪切使污泥混合液充分混合并且沖洗膜組件。將膜壓計(SIN-PX400)安裝在膜組件和出水蠕動泵之間，實時監(jiān)測跨膜壓差(transmembranepressure，TMP)的變化。實驗運行周期及參數(shù)如表2所示。
1.3 分析方法
化學(xué)需氧量(chemicaloxygendemand，COD)、溶解性化學(xué)需氧量(solublechemicaloxygendemand，SCOD)、總氮(totalnitrogen，TN)、氨氮(ammonianitrogen，NH4+-N)、總磷(totalphosphorus，TP)、磷酸鹽(phosphate，PO43?)、總懸浮固體(totalsuspendedsolids，TSS)、揮發(fā)性懸浮固體(volatilesuspendedsolids，VSS)、多糖、蛋白和堿度的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)。反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣組分使用氣相色譜法測定；pH采用pH計(哈希，HQ2100)進行測定；揮發(fā)性脂肪酸(volatilefattyacid，VFA)的測定使用高效液相色譜儀(島津，LC-20A)。對污泥的可溶性微生物產(chǎn)物(solublemicrobialproducts，SMP)、松散附著型胞外聚合物(looseextracellularpolymericsubstances，LBEPS)和緊密附著胞外聚合物(tightextracellularpolymericsubstances，TB-EPS)進行提取，具體提取步驟參照之前的研究，以其主要成分多糖和蛋白來近似表示其值。委托上海生物工程公司采用高通量測序技術(shù)對不同運行條件下的厭氧污泥樣品進行微生物群落分析。
計算反應(yīng)器在各運行條件下的COD平衡。CODtot是指在一段時間內(nèi)隨進水進入反應(yīng)器的總有機物。輸出COD包括隨出水流失的COD(CODper)、氣態(tài)及溶解甲烷COD(、)、用于反應(yīng)器污泥增長的COD(CODbiom)以及COD的其他損失(CODother包括硫酸鹽還原菌用于硫酸鹽還原COD等)，參照之前的研究對其進行測量計算。
1.4 膜組件過濾實驗
當(dāng)膜組件不能滿足出水需求時，取出膜組件清洗并進行過濾實驗，膜阻力根據(jù)式(1)計算。根據(jù)非原位過濾實驗結(jié)果，對污染膜的清洗措施分為3個部分，首先用自來水對膜表面進行沖洗，同時用沾水的海綿對膜表面進行擦洗，將膜組件浸泡在0.1%的次氯酸鈉溶液中24h，清除掉膜孔內(nèi)的有機污染物，最后再將膜組件放入10g·L?1的檸檬酸溶液中浸泡4h，以去除膜孔內(nèi)的無機污染物。分別對清洗前后的膜組件在超純水中進行膜過濾實驗，以確定膜阻力值分布情況。
式中：J為膜通量，m3·(m2·s)?1；P為跨膜壓差，pa；μ為滲濾液黏度，pa·s；Rt為膜總阻力，m?1；Rcake、gel為膜表面濾餅層和凝膠層阻力值，m?1；Rp-org為膜孔的有機物堵塞阻力值，m?1；Rp-inorg為膜孔的無機物堵塞阻力值，m?1；Rresi為膜清洗后的剩余阻力值，m?1。
2、結(jié)果與討論
2.1 厭氧消化性能
1)污染物去除性能。
反應(yīng)器內(nèi)出水COD和VFA的變化情況如圖2所示。在相同運行溫度下調(diào)節(jié)HRT，COD去除率并未因HRT的減少而下降，甚至在溫度為20℃時，HRT為8h的COD去除率略優(yōu)于HRT為12h的去除率。在運行的3個階段，反應(yīng)器中COD的平均去除率分別為(81.9±2.1)%、(82.9±3.8)%和(73.5±4.9)%。當(dāng)運行溫度>15℃時，反應(yīng)器COD去除率較高，出水COD穩(wěn)定在50mg·L?1左右。這是由于膜組件可以有效截留大分子有機物，并且在維護出水穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用。然而當(dāng)溫度為15℃時，COD去除率出現(xiàn)了顯著的下降。這可能是低溫抑制了微生物的代謝活性，導(dǎo)致小分子有機物未得到充分降解而隨出水流失。反應(yīng)器中的VFA測量結(jié)果如圖2(b)所示，在第3階段，污泥以及出水中所含的VFA上升明顯。以上結(jié)果表明，當(dāng)溫度為15℃時，反應(yīng)器的COD去除率由于系統(tǒng)內(nèi)VFA的增加明顯下降，可能是由于產(chǎn)甲烷菌的活性受到了抑制，導(dǎo)致部分小分子水解產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)積累。
2)產(chǎn)氣性能。
反應(yīng)器產(chǎn)氣性能如圖2(c)所示。相同溫度條件下調(diào)節(jié)HRT，反應(yīng)器的產(chǎn)氣量以及氣體成分均保持穩(wěn)定。此外，在第1階段，HRT為12h和8h的最高甲烷產(chǎn)率分別為0.21L·g?1和0.15L·g?1，HRT為12h時的甲烷轉(zhuǎn)化率更高，其他階段也具有相同特征。反應(yīng)器的產(chǎn)氣量并沒有因為有機負(fù)荷的增加而提高，同時最高甲烷產(chǎn)率有所下降。隨著運行溫度的降低，反應(yīng)器產(chǎn)氣量逐漸下降。當(dāng)溫度為25℃時，反應(yīng)器的產(chǎn)氣量為(0.20±0.01)L·d?1，最高甲烷產(chǎn)率為0.21L·g?1。以25℃的產(chǎn)氣量為準(zhǔn)，20℃和15℃對應(yīng)的氣體產(chǎn)量分別下降了15.50%和55.25%；最高甲烷產(chǎn)率分別減少了14.29%和61.90%。因此，當(dāng)溫度低于20℃時，低溫對微生物活性的抑制所引起的生物轉(zhuǎn)化效率低下是無法實現(xiàn)高效運行的主要因素。
2.2 膜的運行性能
1)過濾性能。
實驗過程中的TMP變化情況如圖3(a)所示。當(dāng)TMP超過30kPa時，更換膜組件，對階段Ⅰ~Ⅲ中的膜污染速率進行分析，當(dāng)HRT為12h時，3個階段的膜污染速率分別為0.06、0.11和0.44kPa·d?1；HRT為8h時，膜污染速率分別提高了為31.33、25和5.91倍。一方面，隨著運行溫度的降低，膜污染速率加快。另一方面，在環(huán)境溫度中，AnMBR難以實現(xiàn)在低HRT下的長期穩(wěn)定運行。因此，環(huán)境溫度下的高膜污染速率，是導(dǎo)致AnMBR無法實現(xiàn)高效利用的另一因素。胞外聚合物是造成膜污染的重要物質(zhì)，圖3(b)為不同溫度下AnMBR混合液中SMP和EPS的含量?？梢姡渲蠺B-EPS質(zhì)量濃度最高，其次是SMP，而LB-EPS最低。以25℃為例，SMP、LB-EPS、TB-EPS中蛋白質(zhì)量濃度分別為75.42、71.86、196.41mg·L?1，多糖質(zhì)量濃度分別為29.67、20.36、56.47mg·L?1，這一結(jié)果表明EPS主要是以緊密結(jié)合的形式存在。隨著溫度降低，SMP以及EPS含量顯著提升，這與低溫條件下的膜污染速率更快的結(jié)果一致。
2)對污染膜阻力分布的影響。
為量化每一個污染因子對總阻力的貢獻，對污染膜的阻力分布進行分析。圖4為HRT為12h時AnMBR在不同運行溫度下膜過濾阻力分布狀況?？梢姡?個不同的溫度條件下，Rc均在膜污染過程起主導(dǎo)作用，其占比分別為80.21%、73.94%和60.72%，但隨著運行溫度的降低，Rc占比逐漸下降，同時Rp-org對膜污染的占比上升。3個階段中Rp-org占比分別為12.99%、19.36%和32.64%，這可能與低溫導(dǎo)致污泥混合液EPS的升高有關(guān)，EPS的增加更容易發(fā)生嚴(yán)重的膜孔堵塞，導(dǎo)致膜污染速率的增長。而且濾餅層所引起的污染相對容易通過物理清洗進行控制，但有機物造成的膜孔堵塞一般是不可逆污染，只能通過化學(xué)清洗去除。
2.3 微生物分析
1)古菌群落。
古菌群落通過消耗厭氧細菌的代謝中間體并將其轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，在厭氧消化體系中發(fā)揮著重要作用。圖5(a)反映了不同運行溫度下污泥樣品中古菌群落的豐富程度，其主要由甲烷絲菌屬(Methanothrix)、甲烷礫菌屬(Methanoregula)和甲烷細菌屬(Methanobacterium)組成，是一種以乙酸營養(yǎng)型為主的乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌共存的古菌體系。Methanothrix為乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，是AnMBR研究中最重要的產(chǎn)甲烷菌，主要利用乙酸和甲基化合物作為碳源。Methanothrix在3種運行溫度下的相對豐度分別為58.94%、58.35%、50.67%，25℃和20℃的相對豐度差別不大，15℃時其相對豐度有所下降，說明低溫條件下乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌受到了一定的抑制，這與第III階段下發(fā)生VFA積累的變化情況一致，但乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷依舊是反應(yīng)器中的主要產(chǎn)甲烷途徑。氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌主要由Methanoregula和Methanobacterium組成，隨著溫度的降低，Methanobacterium的相對豐度由4.12%升至10.84%。據(jù)報道，Methanobacterium在中溫和嗜熱條件下均有較好的活性，其對溫度變化的適應(yīng)性很高。
2)細菌群落。
圖5(b)為AnMBR處理實際污水時在不同運行溫度下科水平的細菌群落分布情況。細菌群落分布受溫度影響波動較大，隨著運行溫度的降低，優(yōu)勢菌群逐漸由厭氧繩菌科(Anaerolineaceae)轉(zhuǎn)化為紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)。其中Anaerolineaceae在25~15℃下的相對豐度分別為42.18%、23.52%和10.72%。Anaerolineaceae科的細菌具有多樣的代謝途徑，可以降解各種有機物，包括有機酸、蛋白、脂肪和多糖，是污水厭氧處理中重要的功能菌。其相對豐度的降低說明在較低溫度下，水解酸化過程隨著溫度的降低也受到一定的抑制。隨著運行溫度的降低，Rhodocyclaceae的相對豐度逐漸從0.96%上升至13.58%，Rhodocyclaceae的細菌可以產(chǎn)生特定的酶，可以降解胞外聚合物，特別是多糖類物質(zhì)。其豐度的增加可能是由于低溫狀態(tài)下污泥混合液內(nèi)胞外聚合物的含量上升。
2.4 反應(yīng)器效能分析
對反應(yīng)器不同運行條件下的COD平衡進行計算，評估反應(yīng)器的運行情況，結(jié)果如圖6所示。不同溫度條件下，調(diào)節(jié)HRT對COD平衡的影響具有相同的特征。當(dāng)溫度為25℃時，當(dāng)HRT為12h時氣態(tài)甲烷占比為61.75%，溶解性甲烷占比為13.44%；當(dāng)HRT為8h時氣態(tài)甲烷占比為53.01%，溶解性甲烷占比為19.74%?？梢?，氣態(tài)甲烷的占比因HRT的降低而呈下降趨勢，其減少的部分中72.08%以溶解性甲烷的形式存在。這是由于出水通量增加的同時也為溶解性甲烷提供了流失途徑，不利于進一步的資源回收?？梢酝ㄟ^采用動態(tài)膜、微濾膜等過濾方式對污水預(yù)濃縮，通過減少污水處理量以達到有效降低溶解性甲烷排放量的目的。
HRT為12h時，對不同運行溫度條件下的COD平衡進行分析。當(dāng)環(huán)境溫度≥20℃時，氣態(tài)甲烷占比均>50%，出水COD占比在13%左右，溶解性甲烷的COD占比在15%左右，氣態(tài)甲烷的生成是COD轉(zhuǎn)化的主要途徑。然而當(dāng)環(huán)境溫度為15℃時，占比發(fā)生了很大變化，氣態(tài)甲烷僅為20.43%、出水COD和溶解性甲烷的占比分別為22.05%和23.87%。階段Ⅰ~Ⅲ中溶解性甲烷產(chǎn)量與總甲烷的比值分別為17.82%、23.81%和53.72%，溫度下降導(dǎo)致溶解性甲烷占比增大，15℃時超過50%的甲烷隨出水流失，不僅不利于能源回收其還會加快全球變暖的速度。不同運行階段，污泥增值的占比分別為12.04%、17.54%和32.62%，這是由于溫度的降低抑制了顆粒污染物的水解導(dǎo)致產(chǎn)泥率的升高，反應(yīng)器的性能受到了抑制。因此較低的環(huán)境溫度下，厭氧發(fā)酵的過程被抑制以及甲烷溶解量的增加是限制AnMBR高效運行的主要因素。
3、結(jié)論
1)當(dāng)溫度為20℃和25℃時，AnMBR具有較良好厭氧發(fā)酵性能。而當(dāng)溫度下降到15℃時，COD去除率和最高甲烷產(chǎn)率明顯下降。乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的豐度明顯減少，微生物活性降低是處理效率降低的主要原因。運行溫度≥20℃時，反應(yīng)器具有更佳的處理性能。
2)在不同環(huán)境溫度(15、20和25℃)條件下，HRT為8h時，反應(yīng)器的膜污染速率是HRT為12h時的5.91~31.33倍，系統(tǒng)難以實現(xiàn)在低HRT條件下的長期穩(wěn)定運行。實現(xiàn)膜污染的有效控制是推動AnMBR在污水資源回收方面廣泛應(yīng)用的重要因素。
3)根據(jù)COD平衡分析，在15、20和25℃下，厭氧發(fā)酵被抑制以及溶解性甲烷的增加是限制AnMBR高效運行的關(guān)鍵。
4)結(jié)合反應(yīng)器的產(chǎn)氣性能、膜過濾性能以及COD平衡分析，AnMBR處理實際生活污水的運行溫度不宜低于20℃。
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