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厌氧膜生物反应器处理高浓度有机废水的研究

2019-10-23信息来源 : 环保水处理

目前厌氧膜生物处理技术被认为是处理高浓度有机废水的研究热点之一,它结合了厌氧生物处理与膜过滤系统,从而具有运营成本低、易于管理控制及剩余污泥产率少等优点。但是,也面临着诸如盐度积聚,抑制物质和膜污染等挑战。本文综述了厌氧膜生物反应器的基本原理和构造以及相关的影响因素,为高浓度有机废水的处理提供相关建议。

1 介绍

近年来,高浓度有机废水的处理处置引起了人们广泛的关注,例如肠衣废水、猪粪废水、玉米乙醇生产废水、奶酪废水、屠宰场加工废水、肉类加工废水、棕榈油加工废水、羊毛洗涤废水和奶制品废水等。

此类废水中具有有机物浓度高、成分复杂、有毒有害等特点,如未经处理直接排入水体将使水体遭受污染,对人类健康和生态环境构成严重威胁。因此,对于高浓度有机废水的处理是当今环境工程和环境科学领域研究的热点。

目前,国内高浓度有机废水的研究多集中在厌氧生物处理。厌氧生物处理是厌氧微生物利用高浓度有机废水中的有机质作为自身营养物质,在适宜的条件下(如合适的温度、pH 等),将其转化为沼气的过程。

此过程不仅可以去除污水中的污染物,还可实现能源再生。传统厌氧生物处理具有投资省、运营成本低、易于管理控制及剩余污泥产率少等特点。

但是由于高浓度有机废水的复杂性,采用传统厌氧消化技术在其能源转化工程中遇到诸多问题,例如污泥上浮、污泥流失、VFAs 累积等,最终导致运行的失败。

AnMBR 是一种有机结合厌氧生物处理单元和膜分离技术的新型废水处理工艺,其不仅保留了厌氧技术的诸多优点,而且膜组件的引入可以将微生物完全截留,从而实现了 SRT 和 HRT 的有效分离。也正因如此,厌氧膜生物反应器具备污泥浓度高、泥龄长、耐冲击负荷能力强等优点,其在高浓度和复杂有机废水处理方面展现出很好的应用前景。

虽然 AnMBR 有上述的许多优点,但是 AnMBR 在废水资源回收方面仍然面临着一些重大挑战,这些问题主要集中在温度,盐度积聚,抑制物质和膜污染。

2 厌氧膜生物反应器的基本原理和构造

AnMBR 是一种将厌氧生物处理技术与膜分离技术相结合的工艺。AnMBR 具有以下优点:可将有机废弃物转化成甲烷再次利用,产生较小的剩余污泥、占地面积小、基建费用低、二次污染少,过滤性能好,有效拦截污染物和大分子有机物[6],对某些有毒物质去除效果好,出水水质理想。

根据厌氧处理的方式不同,AnMBR 也有不同的构造。常见厌氧生物反应器包括上流式厌氧污泥床(UASB),完全混合式反应器(CSTR)和厌氧流化床生物反应器(AFBR)。在这些反应器中,CSTR 是 AnMBR 最常用的配置,其优点在于构造和操作较为方便。

UASB 可以在生物反应器的底部区域保留生物质,所以过膜的出水的悬浮固体浓度很低,减轻膜污染。同时,在 UASB 反应器中,可以通过气/液/固分离器来收集产生的甲烷。AFBR 反应器则是通过填充如石英砂、活性炭、沸石这类细小的固体颗粒填料来净化出水。

3 AnMBR 处理性能的影响因素

3.1 温度

AnMBR 可以在高温(50~60℃)或中温(30~40℃)条件下运行。低温(<20℃)下的 AnMBR 会面临诸多挑战,包括膜污染的加剧,污染物去除速率的降低和在出水中甲烷溶解度的升高。

Martinez-Sosa观察到当 AnMBR 内的温度从 35℃降至 20℃时,反应器中总悬浮固体含量和可溶性 COD 的浓度也会随之增加,这将会导致严重的膜污染并且会降低甲烷的产量。当温度降至20℃时,出水中的甲烷的溶解度也在增加。此外,水体的粘度也随着温度的降低而增加,这就需要更多的能量来用于搅拌水体。

3.2 盐度积累

高盐含量被认为是严重抑制厌氧过程的因素之一,Dereli研究发现,当 AnMBR 在处理来自海产品加工和奶酪生产的高盐废水时,甲烷的产量和 COD 的去除率都会有明显的降低。Chen指出较高盐度会导致酶的活性受到抑制,细胞活性会随之下降,厌氧微生物会发生质壁分离的现象,从而对厌氧消化过程产生负面影响。

3.3 抑制物质

AnMBR 易受废水中如游离氨和硫酸盐等抑制物质的影响。Chen指出,在厌氧消化的过程中,随着生物降解反应的进行,废水中的蛋白质会产生大量的游离氨。游离氨的毒性在于它可以穿透微生物的细胞膜,从而导致细胞稳态失衡,破坏质子平衡。

Meabe研究发现较高的温度和 pH 值会释放更多游离氨来加剧这种抑制反应。高硫酸盐浓度也会抑制 AnMBR 的性能。这是由于硫酸盐还原菌与产甲烷菌之间对于碳的竞争所导致的。此外,硫酸盐还原菌会产生硫化氢,硫化氢可以很容易地穿透微生物的细胞膜并使细胞质内的天然蛋白质变性,从而在多肽链之间产生硫化物和二硫化物。

Meabe研究发现,通过增加有机物的浓度可以减轻游离氨和硫酸盐对 AnMBR 的抑制。Tian报道,可以通过在 AnMBR中延长的SRT的方法使得微生物充分适应环境来抵抗氨的抑制效应 。 Wijekoon研究发现,当进水 COD/SO42-高于 10时,AnMBR 的基本生物性能不受硫酸盐浓度增加的影响。

3.4 膜污染

污水处理过程中,无机或有机污染物会在膜孔、膜表面沉积,降低膜通量,增加跨膜压差,因此需要及时化学清洗或更换滤膜。而鉴于膜材料成本昂贵,膜污染仍然是限制 AnMBR 广泛应用的关键因素。

Smith指出 AnMBR 中主要污染物包括可溶性微生物(SMP)、胞外聚合物(EPS)、胶状固体、附着的细胞和无机沉淀物。Jun[18]研究发现,在约 700 天长期运行的 AnMBR 中会生成由生物诱导效应而产生的矿物质结垢,而这种污染是一种不可逆污染,因此,需要化学清洗来恢复膜的通透性。

AnMBR 运行期间的膜污染主要取决于膜的性质、操作条件(例如温度,水通量,HRT 和 SRT)、流体动力学和污泥特性。例如,Lin[16]研究报道,在相同的流体动力学条件下操作时,高温条件下系统的过滤阻力会比中温条件下系统的过滤阻力高约 5~10倍。这是由于在高温条件下,SMP 和细小的絮凝物会大量累积。

Huang报道,随着 HRT 的减少,SMP 会加速积累,而较长的SRT 会减少颗粒的絮凝度和粒径,从而加剧膜污染。因此,通过优化操作条件,可以在一定程度上有效地减轻 AnMBR 中的膜污染。

尽管目前已经具有一些有效控制膜污染的方法,但是膜清洁这个环节仍然是必不可少的。膜清洁包括物理法、化学法和生物法。物理法主要包括反冲洗,表面冲洗和超声波处理。化学法是指运用特定的试剂(酸、碱和氧化剂)来去除膜的不可逆污染。

值得一提的是,化学法需要消耗化学试剂,会不可避免地带来二次污染等问题。生物法是指采用酶制剂来清洗膜污染中的有机污染物,酶制剂没有二次污染,而且对膜不产生损害,但是,其高额的价格成本制约了进一步的应用。

4 结论

相比传统厌氧生物处理技术,AnMBR 具有污泥浓度高、泥龄长、耐冲击负荷能力强等优点,可以说 AnMBR 对高浓度有机废水处理具有较大的应用前景。但是,目前的研究者们需要进一步解决与盐度积聚,温度,膜污染以及抑制物质等相关问题,这样才能推进 AnMBR 在水处理和能源回收方面的实际应用。