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厭氧膜生物反響器(submergedanaerobicmembranebioreactor，AnMBR)是一種將厭氧生物技術(shù)與膜技術(shù)相分離，應(yīng)用水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT)的別離來(lái)處置污水的技術(shù)。同其他厭氧生物處置工藝，AnMBR處置污水過(guò)程中，污水中的有機(jī)污染物可被厭氧微生物降解、轉(zhuǎn)化為甲烷，可抵消污水處置的能源需求。應(yīng)用微濾/超濾膜的截留作用使懸浮固體、膠體和局部可溶物質(zhì)有效保存在反響器內(nèi)，即便在低溫(<20℃)、高鹽、短HRT(2～8h)條件下，AnMBR對(duì)低濃度生活污水，也可能具有較好的處置效果。同時(shí)，AnMBR在減少污泥產(chǎn)生量和儉省占空中積等方面也凸顯優(yōu)勢(shì)，固然膜污染和昂揚(yáng)的膜本錢(qián)是限制其普遍應(yīng)用的主要要素。

　　國(guó)內(nèi)外研討者們已開(kāi)端對(duì)AnMBR處置低濃度生活污水的可行性和潛力停止研討。VanZyl等研討證明經(jīng)優(yōu)化后的AnMBR可將污水中98%的COD轉(zhuǎn)化為甲烷，相當(dāng)于系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需能量的7倍。Lin等應(yīng)用中試范圍的AnMBR處置低濃度城市污水，甲烷產(chǎn)率高達(dá)0.26L·g-1COD。Hu等經(jīng)過(guò)研討標(biāo)明AnMBR用于低濃度工業(yè)污水處理時(shí)具有技術(shù)可行性，但其處置效率受較低OLR和較低生長(zhǎng)速率產(chǎn)甲烷菌的限制。

　　但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)AnMBR處置低濃度生物污水的研討主要集中在如何使反響器內(nèi)生長(zhǎng)和維持高密度功用厭氧微生物，以完成污水COD的高效去除和甲烷的高效產(chǎn)生，但對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程和影響要素的研討較少，相關(guān)機(jī)理尚不明白。

　　現(xiàn)經(jīng)過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室范圍的新型SAnMBR反響器，研討其處置低濃度污水時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程和產(chǎn)甲烷特性，調(diào)查產(chǎn)甲烷的影響要素，并采用支持向量機(jī)模型停止預(yù)測(cè)，研討結(jié)果可為SAnMBR在低濃度生活污水處置中的應(yīng)用提供理論支撐。

　　1、資料與辦法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)安裝

　　采用的一體化SAnMBR反響安裝如圖1所示。

　　一體化SAnMBR反響安裝，由主體系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣體搜集系統(tǒng)構(gòu)成。其中主體系統(tǒng)包括反響器主體、中空纖維膜(hollowfibermembrane-PVDF)、爬動(dòng)泵、均質(zhì)攪拌安裝和保溫安裝，其中，中空纖維膜絲共284根，內(nèi)徑為0.6mm、外徑為1.1mm、膜絲總有效面積為0.41m2。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括真空壓力表、液位控制器、溫度傳感器和PLC控制安裝。氣體搜集系統(tǒng)包括甲烷吸收安裝和濕式氣體流量計(jì)計(jì)量安裝。

　　1.2 模仿低濃度生活污水與接種污泥

　　采用配制的模仿低濃度生活污水，COD濃度為269～712mg/L，NH3-N濃度為30～40mg/L，PO3-4濃度為6.0～10.0mg/L，pH為6.8～7.2。接種污泥選用北京市通州區(qū)某城市污水處置廠厭氧消化污泥，因污泥濃度較高，在反響器內(nèi)設(shè)置攪拌安裝以便于降低膜污染速度，污泥MLSS為2840mg/L、MLVSS為2560mg/L、pH為7.34。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)條件

　　整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)期包括啟動(dòng)階段(28d)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段A(19d)、B(31d)、C(31d)和D(18d)，其中運(yùn)轉(zhuǎn)階段D為膜清洗后的運(yùn)轉(zhuǎn)階段。各階段運(yùn)轉(zhuǎn)溫度均為(35±1)℃，pH為6.83～7.15，HRT分別為22h、15h、12h、6h和6h，理論膜通量分別為1.33L/(m2·h-1)、1.95L/(m2·h-1)、2.44L/(m2·h-1)、4.88L/(m2·h-1)和4.88L/(m2·h-1)，各階段進(jìn)水COD均勻值分別為341mg/L、546mg/L、612mg/L、642mg/L和650mg/L、OLR為0.37～2.6kgCOD·m3·d-1，各運(yùn)轉(zhuǎn)階段均無(wú)排泥。

　　1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及剖析辦法

　　COD采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定，甲烷氣體體積采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量法測(cè)定，跨膜壓差采用真空壓力表丈量，膜通量采用取樣計(jì)量法測(cè)定，MLSS和MLVSS采用重量法測(cè)定，并采用基于MATLAB平臺(tái)的LibSVM停止支持向量機(jī)模仿，預(yù)測(cè)不同OLR條件下甲烷產(chǎn)生量。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 運(yùn)轉(zhuǎn)期間甲烷產(chǎn)率變化

　　在啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，SAnMBR進(jìn)出水COD濃度、COD消減量以及單位COD的甲烷產(chǎn)率及其變化如圖2所示，跨膜壓差和膜通質(zhì)變化如圖3所示。

　　由圖2能夠得出，在啟動(dòng)階段，COD進(jìn)水濃度為269～415mg/L，消減量為156～289mg/L，單位COD的甲烷產(chǎn)率為0～0.112L·g-1COD。其中，在啟動(dòng)階段前期(第0～6d)，由于厭氧微生物處于生長(zhǎng)順應(yīng)期，生長(zhǎng)速率慢，對(duì)進(jìn)水COD的耗費(fèi)量較小，甲烷產(chǎn)率較低。在第7～28d，厭氧微生物逐步順應(yīng)了反響器內(nèi)的環(huán)境，微生物種群數(shù)量和活性均有一定增加，但由于膜外表濾層尚未完整構(gòu)成，甲烷產(chǎn)率仍處于較低程度。

　　在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的A、B和C階段，當(dāng)HRT分別為15h、12h和6h時(shí)，COD消減量分別為356～490mg/L、463～557mg/L和452～569mg/L，單位COD甲烷產(chǎn)率分別為0.045～0.061L·g-1COD、0.046～0.067L·g-1COD和0.026～0.043L·g-1COD。由圖3可知，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的第109天，跨膜壓差升至30.4kPa，膜通量減少至0.88L/m2·h-1，產(chǎn)生了膜污染，停止膜清洗后又繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)(即運(yùn)轉(zhuǎn)階段D)，跨膜壓差恢復(fù)至14.2kPa，此階段堅(jiān)持HRT為6h，COD消減量為451～587mg/L，單位COD甲烷產(chǎn)率為0.029～0.039L·g-1COD。

　　可見(jiàn)，在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，膜外表濾層逐步構(gòu)成，在厭氧區(qū)生物降解和膜外表的截留、濾層生物膜的降解作用共同作用下，COD降解效率和甲烷產(chǎn)生率均有較大提升。當(dāng)HRT縮短至6h時(shí)，COD消減量和甲烷產(chǎn)率有所降低，這是由于在此階段，膜外表濾層已完整構(gòu)成，大量COD積聚于膜外表，局部不能及時(shí)被降解，加之產(chǎn)生的甲烷中有局部以溶解性狀態(tài)存在，使甲烷產(chǎn)率處于較低程度。在運(yùn)轉(zhuǎn)階段D，對(duì)膜停止清洗后，膜通量進(jìn)步，COD降解率開(kāi)端增加，甲烷產(chǎn)率也在小范圍內(nèi)動(dòng)搖后很快又趨于穩(wěn)定。

　　與0.38L·g-1COD的理論最大甲烷產(chǎn)率相比，本研討的結(jié)果偏低，這與本研討進(jìn)水COD濃度、容積負(fù)荷率均處于較低程度有關(guān)。Giménez等應(yīng)用中試范圍SAnMBR處置低濃度含SO2-4廢水時(shí)，甲烷產(chǎn)率僅為0.069L·g-1COD，主要是由于硫酸鹽復(fù)原菌的生物作用，將1g硫酸鹽復(fù)原為硫化物需耗費(fèi)2gCOD。同時(shí)，厭氧產(chǎn)生的40%～70%的甲烷還可能以溶解態(tài)存在于液相中。

　　綜上，HRT、硫酸鹽和溶解性甲烷的存在均為影響甲烷產(chǎn)率的重要要素。延長(zhǎng)HRT可最大限度進(jìn)步甲烷產(chǎn)率，但易招致反響器容積應(yīng)用率低，而較短的HRT可招致VFA的積聚、甲烷產(chǎn)率的降低和膜污染。因而，在SAnMBR的實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)分離進(jìn)水特性、出水請(qǐng)求和反響器設(shè)計(jì)等綜合思索多種要素，選擇適合的HRT參數(shù)。并采取恰當(dāng)措施，減少進(jìn)水中硫酸鹽含量，以及改動(dòng)溫度、pH等水質(zhì)參數(shù)和黏度等水力學(xué)參數(shù)，降低溶解性甲烷比例，在不影響污水處置效果的同時(shí)，最大限度進(jìn)步單位COD甲烷產(chǎn)率。

　　2.2 OLR對(duì)甲烷產(chǎn)生量的影響

　　研討了OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)生量的影響，結(jié)果如圖4所示。

　　由圖4能夠得出，在SAnMBR的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，當(dāng)均勻OLR分別為0.37kgCOD/m3·d-1、0.87kgCOD/m3·d-1、1.22kgCOD/m3·d-1、2.57kgCOD/m3·d-1和2.60kgCOD/m3·d-1時(shí)，均勻甲烷日產(chǎn)生量分別為0.231L/d、0.449L/d、0.642L/d、0.807L/d和0.859L/d。經(jīng)過(guò)對(duì)甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)生量與OLR的線性擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者均與OLR呈線性相關(guān)，R2值分別為0.89和0.81。與Yeo等研討結(jié)果相同，甲烷產(chǎn)生量和OLR成正比，隨著OLR的增加，甲烷產(chǎn)生量呈線性增長(zhǎng)。

　　當(dāng)然，超出OLR的一定限度，甲烷產(chǎn)生量可能會(huì)降低。Wijekoon等研討發(fā)現(xiàn)OLR從5kgCOD/m3·d-1增加到12kgCOD/m3·d-1時(shí)，甲烷產(chǎn)量從5L/d增加到35L/d。而Abdullah等研討標(biāo)明隨著OLR增加到2kgCOD/m3·d-1，甲烷產(chǎn)量逐步增加，但進(jìn)一步增加OLR，甲烷產(chǎn)量則呈降落趨向。這一差別可歸因于在較低OLR程度下的污泥負(fù)荷(F/M)更適合產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)繁衍，過(guò)高的OLR會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣性能產(chǎn)生影響。隨著OLR的增加，VFA的大量積聚也會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑止作用從而減少甲烷產(chǎn)生量。Saddoud等研討發(fā)如今OLR為16.3kgCOD/m3·d-1時(shí)，由于VFA在單相AnMBR中的積聚，甲烷產(chǎn)生量急劇降落。

　　綜上，在一定范圍內(nèi)，SAnMBR系統(tǒng)甲烷產(chǎn)生量與OLR存在一定線性關(guān)系。但OLR并不是影響甲烷產(chǎn)生量的獨(dú)一要素，實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)綜合思索污水濃度、HRT和SRT等綜合要素停止綜合評(píng)價(jià)。

　　2.3 甲烷產(chǎn)生量模仿預(yù)測(cè)

　　在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，對(duì)SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量停止模仿預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

　　圖5標(biāo)明，甲烷日產(chǎn)生量與OLR呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。當(dāng)OLR值高于2.0kgCOD/m3·d-1時(shí)，SAnMBR運(yùn)轉(zhuǎn)的第78d即呈現(xiàn)“平臺(tái)期”，甲烷日產(chǎn)生量到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，爾后甲烷產(chǎn)生量隨OLR變化不明顯。當(dāng)OLR值低于2.0kgCOD/m3·d-1時(shí)，“平臺(tái)期”呈現(xiàn)較緩慢，于100d左右開(kāi)端呈現(xiàn)，隨后甲烷日產(chǎn)生量逐步趨于穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)膜清洗后的運(yùn)轉(zhuǎn)階段D，OLR變化對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響不顯著，甲烷日產(chǎn)生量堅(jiān)持在850mL/d左右，標(biāo)明SAnMBR產(chǎn)氣效果已趨于穩(wěn)定。從OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響狀況來(lái)看，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段最適OLR為2.1～2.6kgCOD/m3·d-1，因而，在保證污染物去除效果的同時(shí)，可經(jīng)過(guò)調(diào)控操作條件來(lái)改動(dòng)反響器OLR值，最大限度進(jìn)步甲烷產(chǎn)量。

　　為進(jìn)一步深化剖析OLR與甲烷日產(chǎn)生量的關(guān)系，將圖5在OLR軸的映射繪出停止剖析，結(jié)果如圖6所示。

　　由圖6可知，當(dāng)反響器運(yùn)轉(zhuǎn)至第80～100d時(shí)，甲烷日產(chǎn)生量趨于穩(wěn)定，闡明反響器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁衍已趨于均衡狀態(tài)。運(yùn)轉(zhuǎn)至第100～110d時(shí)，由于膜污染的構(gòu)成，甲烷日產(chǎn)生量呈現(xiàn)“平臺(tái)期”，變化幅度較小。在第110d，膜清洗后，甲烷日產(chǎn)生量又打破平臺(tái)期，開(kāi)端產(chǎn)生小幅度增長(zhǎng)，后又疾速趨于平穩(wěn)，標(biāo)明膜截留和生物降解作用又開(kāi)端高效發(fā)揮，對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程起到了一定的促進(jìn)作用，厭氧單元的生物反響并未收到膜清洗的抑止和干擾。118d之后，OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響簡(jiǎn)直已趨近于零。

　　可見(jiàn)，甲烷日產(chǎn)生量隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)而穩(wěn)定增長(zhǎng)，根本不受膜污染的干擾，突破平臺(tái)期開(kāi)端上升，愈加精確直觀地標(biāo)明了對(duì)膜單元膜絲離線的物理清洗并沒(méi)有抑止到厭氧單元的生物反響，反而對(duì)厭氧單元的生物反響有一定的促進(jìn)作用。在118d之后，OLR值對(duì)甲烷日產(chǎn)生量的影響簡(jiǎn)直趨近于零，假如SAnMBR長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，厭氧單元會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，直到SAnMBR呈現(xiàn)特殊的狀況，如厭氧單元呈現(xiàn)嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象，才會(huì)發(fā)作改動(dòng)。

　　綜上，在一定OLR范圍內(nèi)，SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量主要隨OLR的增加而增加，受膜污染和膜清洗影響較小，且隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，OLR對(duì)甲烷日產(chǎn)量的影響逐步削弱。能夠預(yù)測(cè)，隨著SAnMBR的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，甲烷日產(chǎn)生量將在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)堅(jiān)持相對(duì)穩(wěn)定，直到反響器呈現(xiàn)酸化和嚴(yán)重膜污染等特殊狀況，甲烷日產(chǎn)生量才會(huì)發(fā)作較大變化。

　　3、結(jié)論

　　(1)SAnMBR處置低濃度污水在中溫[(35±1)℃]條件下可穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)COD的去除效果較為顯著，總COD去除率在穩(wěn)定階段根本維持在80%左右，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段最大甲烷產(chǎn)率為0.067L·g-1COD，與理論最大產(chǎn)率相差較大。

　　(2)HRT、硫酸鹽和溶解性甲烷的存在均影響單位COD甲烷產(chǎn)率，在SAnMBR的實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)分離進(jìn)水特性、出水請(qǐng)求和反響器設(shè)計(jì)等綜合思索多種要素，恰當(dāng)改動(dòng)水質(zhì)參數(shù)及水力學(xué)參數(shù)，在不影響污水處置效果的同時(shí)，最大限度進(jìn)步甲烷產(chǎn)率。

　　(3)SAnMBR的甲烷日產(chǎn)生量和累積甲烷產(chǎn)量均與OLR呈線性相關(guān)，擬合方程分別為甲烷日產(chǎn)生量為0.3OLR+0.23(R2=0.89)和累積甲烷產(chǎn)生量為29.8OLR-5.45(R2=0.81)，可為樹(shù)立SAnMBR啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段數(shù)學(xué)模型樹(shù)立提供理論及數(shù)據(jù)支持。

　　(4)支持向量機(jī)可以很好地適用于SAnMBR處置低濃度污水中，經(jīng)過(guò)模仿預(yù)測(cè)，標(biāo)明SAnMBR處置低濃度生活污水具有極好的耐沖擊負(fù)荷才能，在回收應(yīng)用甲烷能源方面有很大開(kāi)展空間，但還需求進(jìn)一步的研討來(lái)說(shuō)明和考證作為甲烷產(chǎn)量根底的微生物反響動(dòng)力學(xué)。