英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
两种不同孔径膜厌氧膜生物反应器在城市污水处理中的应用
摘要
孔径是膜生物法处理城市污水成功运行的重要特性之一。在室温(25℃)、不同水力停留时间(HRTs)条件下，采用两种厌氧膜生物反应器(AnMBRs)，孔径为0.4mu;m的中空纤维膜(AnMBR1)和孔径为0.05mu;m的中空纤维膜(AnMBR2)处理城市污水。在长期连续运行过程中，对工艺性能进行了评价，包括有机去除效率、沼气产量和膜过滤行为。两种(AnMBRs)均表现出良好的有机物去除性能，COD和BOD去除率分别达到89%和93%左右。该技术具有较高的能量回收潜力，沼气产率在0.20~0.26 L-gas/g-CODrem之间，甲烷含量约为75%。两种(AnMBRs)膜过滤性能的差异包括不同的渗透通量和总过滤阻力(Rt)。在(AnMBR1)0.4mu;m孔径膜中，当渗透通量为0.274 m/d时，平均Rt 1.08times;10^12 m-1；而在孔径为0.05mu;m的(AnMBR2)中，即使渗透通量为0.148 m/d，平均Rt1.51times;10^12m-1。采用脱机膜清洗策略处理AnMBR1，膜修复效率为90.2%。
关键词：厌氧膜生物反应器 市政污水处理 厌氧消化 微滤 沼气
图形摘要
1介绍
经过一百多年的发展，活性污泥法已发展成为一种成熟的污水处理工艺。然而，高能源需求、高温室气体排放和产生的大量废污泥已被证明是一个难以克服的问题。污水是最丰富的废水类型，是一种宝贵的资源，含有水、营养和能量。随着各种资源回收和再利用技术的进步，污水有望成为可再生资源、能源和再生水的供应商(Khiewwijit等人，2015；Ozgun等人，2013年)。正在进行的研究旨在致力于将污水转化为高水平可再生能源和高质量再生水的技术。
厌氧消化过程由于其能够将有机污染物中的化学键能转化为沼气，沼气是一种可利用的能源，从而引起了广泛的关注(Shizas和Bagley等人, 2004)。然而，有两点限制了污水的直接厌氧消化。首先，厌氧污泥生长特别缓慢，特别是在低有机强度投喂条件下。其次，传统的厌氧消化工艺很难将污泥与废水分离，特别是在处理大量废水时，需要低水力停留时间(HRT)且占地面积小。
厌氧膜生物反应器(AnMBR)将厌氧消化和膜过滤技术相结合，结合了厌氧消化和膜截流固液分离的优点。AnMBR工艺的应用能使城市废水成为可持续的生物能源发电来源，因此是一种高效的废水处理能源(Baral等人，2020)。AnMBR目前已成功应用于工业废水处理，但在大规模应用中，由于污水数量大、成分复杂、污染物浓度不稳定或较低，在实际的城市污水处理中应用并不广泛(Lei 等人，2018)。据报道，AnMBR的有机去除率高、甲烷转化率高、污泥产率低(Chen等人，2017a)。现有关有机物含量较低的废水或合成废水的文献报道的重点是生物能源回收潜力(Hasan 等人，2014；Song 等人，2018)、HRT和固体滞留时间(SRT)对生物能回收的影响(Huang 等人，2011)以及操作温度和生物质浓度对生物能回收的影响(Barreto 等人，2017)、 聚合物和陶瓷膜(Liu等人，2019)和物理清洗和直接膜过滤的适当膜通量(Kimura 等人，2017)之间的区别。
在这些研究中，通常用不同的膜且膜片孔径范围为0.01mu;m至1mu;m来处理的废水。(Watanabe等人，2017)利用0.2mu;m孔径的平板膜模拟了一个实验室规模的浸没式AnMBRs，通过投加模拟的城市污水来研究不同温度下的工艺性能。在另一项研究中，(Huang等人，2011)运行安装了0.45mu;m孔径微滤膜的完全混合厌氧反应器，研究了HRT和SRT对处理性能和膜堵塞的影响。(An等人，2009)通过使用孔径为0.64mu;m的管状膜，对城市污水处理厌氧非织造布膜生物反应器中的膜污染物进行了表征。在另一项研究中，在实际生活污水处理过程中，使用0.08mu;m的平板陶瓷膜组件在两个实验室规模的AnMBRs中研究了污染控制效率(Mei等人，2017)。当处理生活污水时(Yue 等人，2015)采用孔径为0.08mu;m的陶瓷膜对膜污染进行了研究，在中试AnMBR中使用孔径为0.045mu;m的膜处理城市污水(Gouveia 等人，2015a，2015b)。
在AnMBRs中，不同孔径的膜对不同粒径的颗粒、不同的过滤阻力和不同的能耗有不同的保留效果。然而到目前为止，关于不同膜孔大小对AnMBRs长期运行性能(如污染物去除、膜过滤行为和维护)的影响知之甚少。虽然上述研究确实采用不同孔径膜对城市污水进行厌氧消化处理，但笔者认为，由于以下原因，难以得出非常肯定的结论：进水废水的污染物成分不相同，实验中反应器或处理工艺可能不同，最后是污泥或混合液体的性质一般也不同(Cao等人，2016；Christensen 等人，2015)。因此，确定用于城市污水处理的最佳孔径具有重要意义，以实现经济运行和令人满意的工艺性能。此外，还应考虑相同的进料量、相同的反应器和工艺、相同种类的污泥等因素。
因此，本研究在当地污水处理厂安装了两种不同孔径膜(0.4mu;m和0.05mu;m)的AnMBRs。对两种AnMBRs的出水水质、产气量和膜的运行性能进行了评价。同时进行了微生物群落分析。通过与已有研究结果的比较，考察了AnMBRs在不同HRT条件下处理实际的城市污水可行性，以及不同膜孔径(0.4mu;m与0. 05mu;m)对并行AnMBRs的长期性能进行了测定。
2材料与方法
2.1实验室规模的AnMBRs和操作条件
两个实验室规模的AnMBRs (图1(a))，工作容积为20 L，位于日本Tagajo市的森恩污水处理厂(S-WWTP)。将原城市污水从S-WWTP调节池抽运100 L至污水池，使用搅拌器(US540-401, ORIENTAL MOTOR，Japan)连续搅拌。为了使多余的污水在重力作用下回流，修建了一条溢流管道。原废水的基本水质指标见表1。
每个AnMBR的进水均由蠕动泵(FP-100-1515, AS ONE, Japan)从同一污水储存池中抽取。分别将孔径0.4mu;m的AnMBR1和0.05mu;m孔径的AnMBR2(日本三菱化学公司)浸入到每个AnMBR中。使用蠕动泵(FP-100-1515, AS ONE，日本)从每个AnMBR中提取出水。生产的沼气通过膜组件下方的气体扩散器并由隔膜泵(APN-110KV-1，日本磐城)回收，以冲刷膜表面进行污染控制(Martin-Garcia 等人，2011)。在渗透管线上安装了数字式压力表(AP-10S和AP-V85， KEYENCE，日本)，通过多输入数据记录仪(NR500和NR-HA08，KEYENCE，日本)在线测量和记录跨膜压力(TMP)，并连接计算机，由所安装的软件控制。沼气产量由湿气计(W-NK-0.5B，品川，日本)测量。操作温度控制在25°C水浴设备(NTT-20S, EYELA，日本)。流程图如图1(b)所示。
接种污泥取自S-WWTP污水处理厂内的全尺寸污泥处理工艺。为了获得更快和更好的微生物适应，两AnMBRs的HRT为24小时，再辅以实际污水。葡萄糖和甲醇的混合物的化学需氧量(COD)浓度400 mg/L，2周的微生物适应阶段。微生物驯化阶段结束后，HRT为24h，开始长期连续运行。详细的运行条件如HRT、膜面积、通量等见表2。在长期运行期间，除了少量的污泥被取样用于测量污泥特性外，没有多余的污泥被排放。
图1(a) 污水处理厂安装的AnMBRs和实验设施
图1(ｂ) 实验室规模的AnMBRs
在化学需氧量(COD)为400 mg/L的条件下，将葡萄糖和甲醇混合，并持续2周进行微生物的驯化。微生物驯化结束后，设置HRT为24小时，开始长期的连续操作。
表１原废水基本指标
表２运行条件参数
2.2样品采集及分析方法
定期采集进水、出水和混合液样品，分析水质和污泥特性。COD、生化需氧量(BOD)、悬浮物(SS)、混合液悬浮物(MLSS)和混合液挥发性悬浮物(MLVSS)的分析按照标准方法(APHA，2005)进行。利用配备热导检测器的气相色谱仪(GC-8A，日本岛津)测量沼气中CH4、CO２、N2的比例。使用文献中描述的顶空技术(Watanabe 等人，2016)来测定废水中溶解甲烷的数量。所有甲烷气体的测量都归一化到标准温度和压力(STP：0°C，1aTm)。用pH计(DM-32P, TOADKK，日本)和ORP计(RM-30P, TOADKK，日本)测定了离子还原电位(ORP)。用下式计算污泥产率：
其中CODinf、CODeff和CODremoved分别为进水COD浓度(mg/L)、出水COD浓度(mg/L)和COD去除率(mg)。Delta;MLVSS为MLVSS变化量；MLVSS2和MLVSS1分别为两个不同时间的MLVSS值(mg/L)；V为AnMBR的反应体积(L)；Q是某一时间段的污水处理量(L/天)，它是某一时间段。
确定产气量和产气量(L-gas/g-CODrem)的公式如下：
其中Vgas、Q、BPR、CODrem分别为产气量(L/d)、一定时间范围内污水处理能力(L/d)、产气量(L-gas/L-water)、COD去除率(mg/L)。
膜过滤的总阻力(Rt，m－1)由下式计算：
式中TMP为跨膜压力(kPa)，mu;为渗透粘度(Pa·s)，J为通量(m/d)。
2.3 16S rRNA基因分析
对AnMBRs长期实验运行过程中采集的接种污泥和样品进行了微生物群落结构分析。在AnMBR1开始操作的第一天(命名接种)、AnMBR1开始操作后106天(HRT = 12 h) (命名AnMBR1)和AnMBR2开始操作第108天(HRT = 12 h)(命名AnMBR2)采集样本。根据ISOIL for Beads beat kit (Nippon Gene)的制造商说明，从收集的污泥中提取DNA。唯一的例外是使培养时间延长到2 h。对于PCR, 341F (5′-CCT AYG GGR BGC ASC AG-3′)和806R-mix (一种806R(5rsquo;-GGA CTA CHV GGG THT CTA AT3rsquo;)和806R- p(5rsquo;-GGA CTA CCA GGG TAT CTA AG-3rsquo;)按30:1的比例混合物)用于靶向原核16S rRNA基因。采用三步PCR方法制备文库(Ni et al.， 2020)。此外，25个扩增周期包括PCR反应(94°C 5s, 50°C 30s, 68°C 10s)，然后在68°C使用C1000 Touchtrade;热循环器(Bio-Rad Laboratories Inc.，日本)在68°C进行最后的扩展步骤需7分钟。文库制备完成后，使用MiSeq试剂盒v3 (Illumina)进行测序。采用QIIME 1.8.0软件进行序列分析(Caporaso 等人， 2010)。随机选取50,000个测序reads对每个样本进行进一步的数据分析。对以97%为阈值分组的操作分类学单元(Operational Taxonomy Unit, OTU)，利用Green genes数据库进行赋值，测定16S rRNA基因在原核生物中的比例，并进行多样性分析。
2.4 离线膜清洗
在第55天更换AnMBR1中的膜，并对除去的膜进行离线膜清洗和污染物质分析。已有研究表明，污垢分数可用于进一步了解污垢层的贡献(Ferrero等，2012；Kalboussi等人，2017；Kola等人，2014)。离线膜清洗使用的设备与AnMBR系统长期运行使用的设备相同。清洗过程分为物理清洗和化学清洗，分为以下四个步骤(Metzger 等人，2007；Wang 等人，2014；吴等人，2008)：(1)用海绵轻擦被污染的膜外表面；(2)用20 L蒸馏水反冲洗2 h，再浸泡22 h；(3) 20 L次氯酸钠溶液(2g /L)回洗2 h，再浸泡22 h；(4) 20 L柠檬酸(3 g/L)反冲洗2 h，再浸泡22 h。
整个离线清洗过程控制在25°C，每一步清洗完成后用去离子水进行TMP-flux测试。TMP-flux测试使用的设备与脱机膜清洗使用的设备相同，流量范围从0.1 m/day到0.5 m/day不等。这允许获得一系列TMP数据，并记录不同流量的数据。采用达西定律分析膜阻力：
其中Rm为新膜的固有阻力(mminus;1)，Rｃ为滤饼阻力(mminus;1)，Rｐ为孔隙堵塞阻力(mminus;1)，TMP为跨膜压力(kPa)
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[264037]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
