厭氧膜生物反應器處理高濃度有機廢水的中試研究

閆林濤，黃振興，肖小蘭，任紅艷，趙明星，阮文權，繆恒鋒

（江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫214122）

厭氧膜生物反應器處理高濃度有機廢水的中試研究

閆林濤，黃振興，肖小蘭，任紅艷，趙明星，阮文權，繆恒鋒*

（江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫214122）

對厭氧膜生物反應器（AnMBR）處理高濃度有機廢水的運行效能進行了中試研究。在不排泥工況下（SRT無限長），AnMBR的COD去除負荷和沼氣生產強度可分別穩定在4.4～4.8 kg/（m3·d）和2.2 m3/（m3·d）左右；而在排泥條件下（SRT=50 d）兩者可分別穩定在5.2～6.0 kg/（m3·d）和2.9 m3/（m3·d）左右。在整個220 d的運行過程中，AnMBR的COD總去除率都可維持在90%以上，且沼氣中甲烷體積分數基本保持在58%左右。發酵系統中pH較為穩定，保持在7.6～7.8之間；VFA含量始終維持在較低水平。此外，雖然運行過程中有較高濃度的氨氮積累，但是并沒有對厭氧消化性能造成顯著影響，展現了AnMBR對內源性抑制因素的良好耐受力。排泥和不排泥條件下的運行參數對比表明，AnMBR運行過程中SRT的優化非常關鍵，不同SRT會導致發酵體系發生一系列的變化，很大程度上決定了AnMBR的處理效能。中試結果表明，AnMBR可以實現高效厭氧消化系統的快速啟動，而且良好的抗沖擊負荷能力能夠保證消化體系長期高效穩定運行。

厭氧膜生物反應器；高濃度有機廢水；膜通量；厭氧消化

厭氧生物技術是一種低成本的廢水處理技術，尤其在高濃度有機廢水的處理中，降解有機物的同時可以產生沼氣，有效地將廢水處理和能源回收相結合，實現廢物的“減量化、無害化、資源化”。一般說來，傳統厭氧消化的停留時間較長且需要較大的反應容積，傳統高速顆粒污泥厭氧技術（如EGSB，UASB）又難以解決由于廢水較高懸浮物導致的污泥流失問題［1］。因此，厭氧膜生物反應器（Anaerobic Membrane Bioreactor，簡稱AnMBR）作為一種可以實現高負荷并解決污泥流失問題的新型廢水處理技術，引起了國內外的廣泛關注［2-3］。

AnMBR是一種有機結合厭氧生物處理單元和膜分離技術的新型廢水處理工藝［4］，其不僅保留了厭氧技術的諸多優點，而且膜組件的引入可以將微生物完全截留，從而實現SRT和HRT的有效分離。也正因如此，厭氧膜生物反應器具備污泥濃度高、泥齡長、耐沖擊負荷能力強等優點［4-5］，其在高濃度和復雜有機廢水處理方面展現出很好的應用前景。然而，目前國內采用AnMBR工藝處理高濃度復雜有機廢水的相關研究和應用較少。為此，本文中重點討論了AnMBR工藝在高濃度有機廢水厭氧消化過程中的運行效能和特性，旨在為高濃度有機廢水的能源化回收利用提供一種高效穩定的技術途徑。

1　材料與方法

1.1餐廚廢水水質

本實驗所用的實驗進水是取自于蘇州某工廠的高濃度有機廢水。廢水水質如表1所示。廢水中COD為78 000～100 000 mg/L，SS為15.5～21.4 g/L，電導率為8.98～12.4 ms/cm，pH在4左右，此外NH+4-N、Mg2+、Ca2+等無機離子質量濃度較高。

表1　廢水水質Table 1Characteristics of the wastewater

1.2厭氧膜生物反應器

中試規模AnMBR裝置構筑于蘇州某工廠內，其結構如圖1所示，該系統主要包括厭氧反應單元和膜單元。其中膜單元主要由膜分離組件和循環泵組成，該膜分離組件采用管式超濾膜，每根內部包括4根直徑為8 mm、長度為1 m的膜管，總膜面積為0.095 m2，膜材質為PVDF（德國MEMOS），截留相對分子質量為100 kDa。循環泵（25QY-2SS，南方泵業股份有限公司制）的功率為1.1 kW，體積流量為26 L/min，操作壓力為0.23 MPa，提供的錯流速率為2.2 m/s。在AnMBR設計和構筑之前，該膜組件在上述參數下，首先以現場CSTR反應器中的餐廚廢水消化混合液為進水試運行了10個月，獲得的膜平均通量為30 L/（m2·h）；同時結合現場CSTR反應器的實際運行工況，根據相應參數設計和構建AnMBR反應器。AnMBR主體結構由304不銹鋼制成，總體積為1.2 m3，工作容積為1 m3。反應器側壁上留有上、中、下3個取樣口。反應器的溫度通過自動加熱和溫度控制器維持在（39±1）℃。

圖1　厭氧膜生物反應器中試裝置示意Fig.1Schematic diagram of AnMBR

原水經過16目（1 mm）的細格柵去除大于1 mm的雜質，然后與膜濃縮液混合后從底部布水管進入厭氧反應器，由于循環泵提供了較大的循環量，使得厭氧反應器內部產生2.0 m/h的上升流速，能夠保證底物與微生物的充分接觸，因此該反應器沒有外加攪拌裝置。

1.3AnMBR的啟動和運行

AnMBR接種污泥取自于該廠處理廢水的CSTR反應器，接種量為1 m3，其中MLSS為7.1 g/ L，MLVSS/MLSS為0.75。反應器總共運行220 d，分為兩個階段：第一階段（0～140 d）不排泥，即SRT無限長；第二階段（141～220 d）每天從反應器中排出泥水混合液20 L以縮短SRT，即SRT=50 d。在反應器啟動過程中，進水量逐步提升，初期的膜出水量要大于進水量，因此采用出水回流以保證進出水量平衡；在此后的運行過程中則根據膜通量的變化來控制每天的進水量，從而達到進出水平衡。在整個AnMBR的啟動和運行階段，當膜通量降低至（10± 0.5）L/（m2·h）時，采用化學法膜清洗，在此基礎上考察和分析AnMBR系統對高濃度有機廢水的處理效能和特性。

1.4分析方法

每次分別從反應器上、中、下3個取樣口取樣，將3個水樣等體積混合進行指標測定。電導率采用DDS-307電導率儀測定，TN、TP、氨氮、鈣、鎂、CODCr、VFA的測定方法見參考文獻［6］，MLSS、MLVSS、堿度（以CaCO3計）的測定見參考文獻［7］；沼氣產量的測定采用在線濕式流量計計量，甲烷含量采用便攜紅外沼氣分析儀（Gasboard-3200 L，武漢四方光電科技有限公司制）測定。

2　結果與討論

2.1AnMBR的快速啟動和穩定運行

由于接種污泥取自于該工廠處理廢水的CSTR反應器，本身活性較高且對原水具有較好的適應能力，因此在10 d內完成了反應器的啟動。由圖2可以看出，在反應器啟動階段，進水COD容積負荷從2 kg/（m3·d）逐漸提升至7.5 kg/（m3·d），HRT從40 d逐漸降低到11 d，COD的總去除率達到93%以上。但是此后隨著反應器的運行，膜過濾阻力顯著增加，導致膜通量從30 L/（m2·h）急劇下降至11 L/（m2·h），而進水COD容積負荷只能穩定在2.5 kg/（m3·d）左右，HRT穩定在34 d左右。由于膜組件在AnMBR啟動之前已經以現場CSTR反應器中的廢水消化混合液為進水試運行了10個月，獲得的穩定膜平均通量為30 L/（m2·h）。因此中試AnMBR啟動運行后膜過濾阻力的顯著增加可能歸因于以下兩點：其一，在AnMBR的運行初期，由于微生物的生長和富集，污泥濃度和發酵液黏度逐漸升高，從而造成了膜過濾阻力的增加［1，8］；其二，為了提高膜表面的錯流速率，AnMBR配置了大流量的循環泵，循環泵的剪切力會減小污泥的粒徑。研究表明，污泥粒徑的大小是影響膜過濾的主要因素之一，小粒徑污泥會優先吸附在膜表面，且由于其比表面積和比阻更大，因此更容易吸附SMP等溶解性有機物，進而會進一步增加膜的過濾阻力［8］。有鑒于此，為了保障AnMBR的處理負荷，第63天時，在膜分離組件內增加了一根膜管，由兩根膜管串聯運行。最終在第一階段AnMBR的進水COD容積負荷穩定在4.5～4.9 kg/（m3·d），HRT在12～20 d之間。從第141天開始，每天從反應器中排出20 L污泥混合液以考察排泥條件下的運行效能和特性，最終進水COD容積負荷維持在5.8～6.5 kg/（m3·d）左右，HRT在15 d左右。反應器在運行過程中進水量非人為控制，而是由膜通量決定，膜污染引起的膜通量變化導致進水容積負荷和HRT也相應變化。因進水濃度基本維持不變，可知容積負荷和HRT為反比關系。本文從容積負荷的角度來討論反應器的運行性能。

圖2　反應器內運行過程中進水容積負荷變化Fig.2Influent volume loading rate variation during the operating process in the reactor

2.2AnMBR啟動和運行過程中COD的去除

圖3反映了AnMBR啟動和運行過程中COD的變化。在0～140 d的不排泥階段，由于膜對懸浮物質和大分子有機物的截留作用，出水COD維持在1 100～1 500 mg/L之間，但是反應器內污泥混合液上清液COD卻從5800mg/L逐漸上升至18000mg/L，同時污泥濃度和發酵液黏度也顯著增高。根據相關文獻報道，SRT過長會降低微生物代謝活性，甚至會導致污泥中微生物細胞的大量自溶，而污泥胞外多聚物EPS和溶解性產物SMP含量則會隨著SRT的延長而逐漸增加［7，9］。已有研究表明EPS和SMP的積累是加劇膜污染的主要因素之一［8］，而這可能也正是所研究反應器內上清液COD顯著增加的主要誘因之一。總之，污泥濃度、發酵液黏度、EPS和SMP含量均與膜污染程度密切相聯，從而會進一步影響膜通量和AnMBR的運行效能。因此為了避免膜的過度污染和保證反應器的高效穩定運行，在第二階段（141～220 d）通過每天排出20 L的泥水混合液以縮短SRT。AnMBR穩定運行后的結果表明（170～220 d），最終反應器內的上清液COD維持在8 000 mg/L左右，同時膜出水COD維持在870～1 500 mg/L。由此可見，通過縮短SRT可以有效控制反應系統中的溶解性有機質濃度，而大量研究表明，溶解性有機質濃度的降低是減緩膜污染的有效途徑之一［8］。

圖3　反應器內運行過程中COD變化Fig.3COD variation during the operating process in the reactor

根據物料平衡分析，AnMBR的COD去除負荷和總去除率分別可以按照公式（1）和（2）進行計算，其變化如圖4所示。

式（1）（2）中：L為COD去除負荷，lj為進水COD負荷，lmc為膜出水COD負荷，lph為排出泥水混合液COD負荷，R為COD總去除率。

在0～140 d的不排泥階段，COD的總去除率維持在98%左右，COD去除負荷最終可穩定在4.4～4.8 kg/（m3·d）。而在排泥階段的141～220 d，由于部分有機質隨著泥水混合液被排出反應器，COD去除率會有所降低，但是AnMBR的COD總去除率仍可維持在90%左右。此外，在排泥階段雖然部分生物量被排出，但是其代謝活性卻顯著增加，最終反應器COD去除負荷可穩定在5.2～6.0 kg/（m3·d），污泥COD負荷可達0.27 kg/（kg·d）。

圖4　反應器內運行過程中COD總去除率和去除負荷變化Fig.4COD total removal rate and COD removal loading rate variation during the operating process in the reactor

圖5　反應器沼氣生產強度和甲烷含量變化情況Fig.5Biogas production strength and methane content variation during the operating process in the reactor

2.4AnMBR啟動和運行過程中pH、VFA質量濃度和堿度的變化

已有研究表明，在有機負荷較高的情況下，厭氧消化過程極易出現酸化現象，從而會抑制有機物的去除效率。也正因如此，VFA質量濃度和pH等參數通常被用來作為厭氧消化過程的反饋和調控指標［7，10］。中試時對AnMBR啟動和運行過程中pH、VFA質量濃度、堿度的變化進行了跟蹤測定，結果如圖6（a）所示。雖然原水pH在3.6～4.2之間，且不經調節直接進入反應器，但是在AnMBR穩定運行過程中，厭氧系統的pH基本可以維持在7.6～7.8之間。這表明AnMBR系統中的高生物量能夠迅速將原水中自然酸化產生的VFA轉化成甲烷，從而有效避免了反應器嚴重酸化的可能性。反應器內堿度（ALK）和出水VFA質量濃度的變化情況如圖6（b）所示，在啟動階段（0～10 d），微生物處于適應和生長富集時期，進水負荷的快速提升造成系統中食微比（F/M）顯著增加；同時由于產酸菌的生長速率要高于甲烷菌的生長速率，因此該階段有機酸產生速率高于其消耗速率，VFA質量濃度逐漸從650 mg/L上升至1 670 mg/L。此后隨著系統中微生物的富集和適應，VFA質量濃度逐漸下降并趨于穩定，在不排泥的情況下其可以維持在150～200 mg/L，在后期排泥階段最終穩定在50～100 mg/L。以上結果表明，AnMBR的高生物量尤其是產甲烷菌的高效富集，可以有效弱化甚至避免高有機負荷下的VFA積累。

相關文獻［9，11-12］表明，VFA/ALK的比值可以用來判斷厭氧消化的穩定性，如果VFA/ALK的比值小于0.4，說明厭氧消化非常穩定；而當VFA/ALK的

2.3AnMBR啟動和運行過程中沼氣生產強度及甲烷體積分數的變化

由于廢水COD非常高，通過厭氧消化將有機質大量轉化成CH4可以實現能源的高效回收。中試考察了AnMBR啟動和運行過程中沼氣生產強度和甲烷體積分數的變化，結果如圖5所示。由于本實驗的接種污泥取自于現場正常運行的處理高濃度有機廢水的CSTR反應器，活性較高且對原水較易適應，因此在啟動初期，隨著反應器去除負荷從2.0 kg/（m3·d）持續增加至7.4 kg/（m3·d）左右，沼氣生產強度從0.9 m3/（m3·d）迅速提高至2.8 m3/（m3·d）左右。此后隨著膜通量的急劇下降，雖然進水負荷降低至只有2.5 kg/（m3·d）左右，但是沼氣生產強度仍可維持在1.6 m3/（m3·d）左右。第63天時，由于膜分離組件內增加了一根膜管，進水負荷的增加使得沼氣生產強度再次增加至3.2 m3/（m3·d），然后在不排泥階段的后期逐漸下降并穩定在2.2 m3/（m3·d）左右。當AnMBR運行進入排泥階段，進水容積負荷和厭氧污泥活性的顯著增加使得系統處理能力得到有效釋放，沼氣生產強度顯著提升并最終穩定在2.9 m3/（m3·d）。此外，在整個反應器的啟動和運行過程中，沼氣中的甲烷含量則較為穩定，體積分數始終保持在58%左右。比值大于0.8時，厭氧消化非常不穩定，極易發生崩潰。在中試的反應器啟動階段，VFA/ALK從0.08逐漸上升到0.23，始終低于0.4；而在隨后的運行過程中，其基本維持在0.02左右（見圖6（a））。這說明雖然該廢水有機質濃度很高，且啟動過程中進水容積負荷變化明顯，但是AnMBR較強的抗沖擊負荷能力依然可以保證發酵體系的穩定運行。白玲［13］等人在采用浸沒式厭氧膜生物反應器處理啤酒廢水的研究中也充分證明了其良好的穩定性和抗沖擊負荷能力。

圖6　反應器內pH和VFA/ALK的變化情況以及反應器ALK和VFA的變化情況Fig.6pH and VFA/ALK variation during the operating process in the reactor；VFA and ALK variation during the operating process in the reactor

2.5反應器啟動和運行過程中NH4+-N質量濃度的變化情況

高濃度有機廢水中含有一定量的蛋白質、氨基酸等有機氮源，這些有機氮在厭氧消化過程中一部分用以合成細胞物質，絕大部分則被生物降解成氨氮。發酵液中一定量的氨氮可以中和VFA的酸性，從而有助于厭氧消化的穩定運行；但過高的氨氮質量濃度會對微生物特別是產甲烷菌產生毒害作用，從而抑制厭氧消化效率。有鑒于此，中試時對AnMBR啟動和運行過程中的氨氮進行了跟蹤測定，結果如圖7所示。整個厭氧消化過程的進水氨氮質量濃度在180～480 mg/L之間，在不排泥階段出水氨氮質量濃度隨著每天進水水質的變化處在889～1 574 mg/L，而排泥階段則處于665～1 222 mg/ L。結合本文2.2節中的COD降解分析，可以認為該廢水中的有機氮在厭氧消化過程中得到了充分轉化。此外對反應器內部上清液的氨氮質量濃度進行了測定，發現其與出水氨氮質量濃度差別甚微，這說明厭氧膜對氨氮基本沒有截留作用。圖7數據還顯示，排泥階段的氨氮質量濃度要明顯低于不排泥階段，這可能是由于一部分氮素以污泥的形式進行了釋放。發酵體系中氨氮質量濃度的下降可以減弱其對微生物的毒害作用，這也是排泥條件下污泥活性增加的原因之一。

圖7　運行過程中氨氮的變化情況Fig.7NH4+-N variation during the operating process

Koster［14］的研究表明，氨氮對產甲烷活性的半抑制濃度為1 000 mg/L，而在本實驗研究中，反應器內氨氮質量濃度為832～1 241 mg/L，但是有機物的去除和沼氣生產強度依然保持在較高水平。由此可見，AnMBR不僅對外界環境變化有著較好的緩沖能力，而且對消化體系的內源性抑制因素也有著良好的耐受能力。

2.6反應器啟動和運行過程中MLVSS和MLSS濃度的變化情況

由于該廢水中含有一定量的懸浮性固體，伴隨著每天的連續進水，固體有機成分被迅速水解和降解；此外污泥生物量的緩慢增殖和累積也會引起MLVSS和MLSS濃度的變化，因此中試時對反應器啟動和運行過程中MLVSS和MLSS質量濃度進行了跟蹤測定，結果如圖8所示。在0～90 d內，由于膜的截留作用，反應器內的MLVSS和MLSS質量濃度分別從5.3 g/L和7.1 g/L緩慢增加至14.8 g/L和20.0 g/L，且MLVSS/MLSS質量比維持在75%左右。MLVSS質量濃度的緩慢增加主要歸因于生物量的生長和富集；同時也意味著原水中的有機懸浮固體物質得到了有效降解，從而并沒有發生MLVSS的顯著積累。然而，在不排泥階段的后期（91～140 d），MLVSS和MLSS質量濃度卻快速增加，但是此階段并不是微生物的快速生長期，不會出現生物量的快速增殖和富集，因此這種變化應該與反應器內懸浮固體有機質的累積有關。

圖8　運行過程中MLSS、MLVSS及MLVSS/MLSS質量比的變化Fig.8MLSS，MLVSS and MLVSS/MLSS variation during the operating process

此外，如圖3和圖5所示，在不排泥階段后期，雖然發酵體系內上清液COD穩定，但是沼氣生產強度卻顯著降低，這也能側面反映出此時系統中懸浮有機質的降解有所減緩。以上結果表明，過長的SRT會限制餐廚廢水中懸浮有機質的降解，從而會進一步影響AnMBR系統的穩定運行。反應器運行至第141天時，系統進入排泥階段。隨著反應器的運行，MLSS和MLVSS質量濃度逐漸下降并最終分別維持在30 g/L和22 g/L左右。

3　結語

對厭氧膜生物反應器處理高濃度有機廢水的運行效能進行了中試研究。在啟動和運行過程中跟蹤測定并分析了COD的去除、氨氮和VFA質量濃度、沼氣生產強度以及MLVSS質量濃度等一系列重要參數的變化規律，獲得的研究結果可為AnMBR今后處理高濃度有機餐廚廢水的實際工程應用提供一定的理論依據和經驗。

采用AnMBR處理高濃度有機廢水可以實現厭氧消化系統的快速啟動；AnMBR能夠有效降解原水中的液、固相有機質并實現沼氣能源的高效回收，其良好的抗沖擊負荷能力和對外界環境變化的緩沖能力，可以保證發酵體系的穩定運行。

雖然該廢水中含有一定量的VFA，且pH較低；但是在不人為控制pH的條件下，發酵系統中較高的產甲烷活性依然可以將系統中VFA維持在較低水平，有效保證了厭氧消化的穩定性。有機氮在厭氧消化過程中被轉化成氨氮，AnMBR系統中的氨氮質量濃度達到甚至超過了文獻報道的半抑制濃度，但是其厭氧消化性能并未受到顯著影響。這說明AnMBR對厭氧消化的內源性抑制因素也有良好的耐受能力。排泥和不排泥條件下的運行參數對比表明，AnMBR運行過程中SRT的優化非常關鍵，不同SRT會導致發酵體系發生一系列變化，從而很大程度上決定了AnMBR的處理效能。

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Pilot Experiment of Anaerobic Membrane Bioreactor（AnMBR）for Treating High-Concentration Organic Wastewater

YANLintao，HUANGZhenxing，XIAOXiaolan，RENHongyan，ZHAOMingxing，RUANWenquan，MIAOHengfeng
（School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

The operation of a pilot-scale anaerobic membrane bioreactor（AnMBR）for treating high-concentration organic wastewater was investigated.The result showed that AnMBR could finish the fast start-up of a highly efficient anaerobic digestion system and its good anti-shock loading capability could ensure a long-term and stable operation of the digestion system.Without the biomass withdrawal condition（SRT infinitely long），the COD removal loading rate and the biogas production strength of AnMBR were about 4.4～4.8 kg COD/（m3·d）and 2.2 m3/（m3·d），respectively，while they were 5.2～6.0 kg COD/（m3·d）and 2.9 m3/（m3·d）with biomass withdrawal（SRT=50 d）.In the whole process of 220 days，the COD removal rate was about 90%and the CH4content was about58%.The pH was kept at 7.6～7.8 and VFA was at a low level in the digestion system.Furthermore，the high accumulation of ammonia had no significant effect on the digestion performance，which indicated that AnMBR had good tolerance to the endogenous inhibitory factor.A comparison of the operating parameters without biomass withdrawal and with biomass withdrawal conditions showed that the optimization of sludge retention time（SRT）was very important to the AnMBR operation. Different SRTs would lead to a series of variations in the digestion system，which largely determined the processing performance of the AnMBR.

anaerobic membrane bioreactor（AnMBR），high-concentration organic wastewater，flux，anaerobic digestion

X 703

A

1673—1689（2015）12—1248—08

2014-11-01

國家自然科學基金項目（NSFC 21276114）；國家“十二五”科技支撐計劃項目（2011BAC11B05）；中央高校基本科研業務資金專項（JUSRP11435，JUSRP111A12）。

繆恒鋒（1980—），男，江蘇江陰人，工學博士，副教授，主要從事廢水厭氧生物處理研究。E-mail：hfmiao@jiangnan.edu.cn