中试规模温和气候采用分阶段厌氧流化床膜生物反应器处理生活污水外文翻译资料

 2022-09-06 15:31:15

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中试规模温和气候采用分阶段厌氧流化床膜生物反应器处理生活污水

Chungheon Shin a, Perry L. McCarty a,b, Jeonghwan Kim a, Jaeho Bae a,*

a：环境工程，仁荷大学，namgu，inharo 100，仁川，韩国

b：美国土木与环境工程系，斯坦福大学，斯坦福，加利福尼亚94305

重点

（1）在8 - 30℃的温度下，生活污水采用厌氧流化床生物反应器处理。

（2）GAC流态化防止膜污染要超过485天的运行。

（3）水力停留时间为4.5-6.8 h，出水COD低于25mg/L，BOD低于10mg/L。

（4）0.051 gVSS/gCOD的污泥生产量比好氧系统少得多。

（5）沼气的能量潜力是充分的改性植物操作。

文章的信息

文章的历史：

2014年1月6日被承认

2014年2月12日在修订后被承认

2014年2月14日被接受

2014年2月22日在网上公布

关键词：

厌氧 流化床 膜生物反应器 生活污水 能量

摘要

在没有化学清洗的膜的情况下，中试阶段厌氧流化床膜生物反应器（SAF-MBR）可以连续运行485天，其处理过程主要解决的是水温在8 - 30℃之间的生活污水，总的水力停留时间在4.6 - 6.8h之间。在完全驯化之前，生活污水在第一个冬季里8 - 15℃的温度下，平均化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）的去除率平均为81%和85%。然而，随后当完全驯化时，夏天和冬天的生活污水的94%和90%的COD去除率以及98%和90%的BOD5去除率分别获得了平均出水COD不高于23mg/L和BOD5高于9 mg/L。随着主要与二次甲烷生产，0.23千瓦小时/立方米运行能耗的要求可以得到满足，并且可以通过液压变化进一步减少。在所有季节，生物固体生产平均0.051 g挥发性悬浮固体每克COD去除。

1引言

目前的有氧生活污水处理过程消耗了大量的能量。然而，由于气候变化的关注，需要减少化石燃料的使用，人们对更多节约能源的污水处理方法的兴趣正在增加（弗莱斯蒂等人，2006年；卡尔德隆等人，2011年，希门尼斯等人，2011年；McCarty等人，2011年，马丁内斯-索萨等人，2011年，马丁Garcia等人，2013年）。由于为了污水的处理和处置高成本和能源的使用，来自污水处理的污泥生产也受到越来越多的关注。（fytili和zabaniotou，2008年；rulkens，2008年；穆雷等人，2008年；杨等人，2010年）。作为一种低污泥产量的高效节能的污水处理工艺，城市污水厌氧处理作为一种好氧处理的替代的吸引力正在增长。

厌氧处理的两个主要问题是关键微生物的缓慢增长速度和为了满足高质量污水要求的系统的潜在限制。通过史密斯等人最近的评论，为了解决这些问题，厌氧膜生物反应器（AnMBR）过程已经成为能够提供不但需要为生物成长的长的固体停留时间（SRT），即使在较低的温度，还能高质量的出水。（2012年）。然而，膜污染是一个运行的困难，往往伴随着一个高能量成本的控制。为了控制膜污染，几种方法已经被发展了出来。使用最广泛的是气体喷射方法，这种气体喷射据报道需要0.6–1.6 kW·h／m3的预防（Martin et al.，2011）。虽然如Cote等人（2013）建议的那样，有可能提高气体喷射系统的能量效率，定期维修和回收清洗一般被要求用来控制膜污染。对于AnMBRs 额外需要的是为了系统的废水溶解甲烷捕捉低开发成本效益的方法，并用于去除废水中氮、磷营养盐。

最近已经有很多实验室AnMBR最终报告（Smith et al.，2012），但是在典型的温带地区气温低的实际生活污水处理研究很少，实际上只有四个长期半工业规模的研究，这些研究有必要去评估扩大的潜力。在后来，Gimenez等人（2011）在33℃的温度下操作的中试装置HRT范围从20小时至6小时，并获得了适度的COD87％的去除率并伴随着一个相对较高的77mg/L的流出物值，在研究过程中反应器的TSS浓度增加从8mg/L到22mg/L。这里的操作温度过高而不能实际去进行生活污水处理。Dagnew et al. (2011)在22℃和8.5小时的水力停留时间下连续操作一个系统，并获得了79％的COD去除率和渗透的57毫克/升的COD。出水BOD5平均为14mg/L。然而，膜每周化学清理一次，就会增加运行成本。在一个相当长的19.2小时的水力停留时间和7升/平方米/小时的膜通量的情况下，Martinez-Sosa et al. (2011) 在35 - 20℃的温度范围内运行他们自己的系统，分别发现85和25mg/L的出水COD和BOD5值。然而，然而，他们掺入葡萄糖的影响力，使COD从398增加至630毫克/升，所以他们的研究不是真正具有代表性的生活污水处理。

据报道，迄今为止唯一的AnMBR试点研究时间是由加西亚等人在温带气候废水温度下连续进行250天。使用的两种反应器，其中较大的与在其他三个试验性研究使用的膜包含在相邻于主反应器的反应器相似。从气缸而不是沼气用气通氮气，并且水力停留时间（HRT）在膜通量为6升/平方米/小时的条件下设置为恒定16小时。废水温度从20℃降到10℃时，COD去除率从92%降到78%，但是由于某种原因出水BOD5被指示留在5-15毫克/升范围相当恒定。建议是，增加了流出物的COD是在较冷的温度下的非生物降解的溶解性微生物产物（SMP）积累的结果。反应器的VSS浓度达到6600毫克/升。用气体鼓泡膜中的上述研究中，只有一个是相当有限的混合物在20℃的温度下操作，并在该系统中的水里停留时间是一个相当高的16小时。

在所有的上述试规模的报告中还缺乏上述操作和污泥生产的能量需求的重要数据。然而，一个令人鼓舞的新方法，由Kim等人来自于实验室研究的高效节能AnMBR处理生活污水在低温下短HRT堪比有氧系统（2011年），采用分阶段厌氧流化床膜生物反应器（SAF-MBR）。这里，而非气体喷射中，使用流化粒状活性炭（GAC），并采取行动，清理通过物理接触和运动的膜面。GAC还被用作厌氧微生物的支持介质。这个系统的一个附加的优点在于，生长缓慢的微生物可以在反应器中为长的SRT停留，而剩余的废水的悬浮固体可以从反应器中以任何需要的速率被移除,以便其分解的SRT可以从微生物单独管理，从反应器中取出。这允许一个很短的HRT为等效的有机物的去除效率与气体鼓泡膜生物反应器相比。GAC也有很好的趋于水平有机的波动的吸附能力，并可能确实允许较好的去除关注健康的微量有机化合物。

流化床膜生物反应器，随后通过Yoo等进行评价（2013）,在温度为10至25℃范围内，在一个实验室规模的SAF-MBR系统来处理测距筛选的生活废水2毫米。甚至在温度为10℃以及水力停留时间只有2.3小时的情况下，COD和BOD5的去除率分别高于90%和94%。报道的生物固体的产量为0.01-0.03 gVSS/g CODR，这是远低于典型的好氧处理系统的生物固体的产量。此外，该系统是在无膜污染的9升/平方米/小时的固定膜通量的情况下运行310天以上，并且不需要反冲洗或化学清洁。对于实验室规模SAF-MBR系统的运行中的，不包括在再循环管线能量损失的能量需求，估计为0.047千瓦时/立方米，这相当于被报道的该典型气体喷射方法的能量的十分之一。具有这样的低能量需求，所产生的甲烷是足以导致净能量生产。

虽然上述实验室规模SAF-MBR系统展示在温带地区的气温下短的水力停留时间（HRT）内出色的COD去除效率和低污泥产量，但是结果不能反映发生在国内进水废水的特点和温度上的通常的日变化和季节变化。此外，对全尺寸应用程序的工作，扩大规模效应这个问题需要被解决。为实现这一目标，该研究旨在评估测试SAF-MBR系统处理过一段一年多的实时从国内污水处理厂初级筛选废水排放2毫米的连续性能。有机材料的去除效率，污泥的生产，以及用于该系统的能量平衡的效率已经进行了测定，并在下面给出。

2方法

2.1实验工厂的介绍

安装在大韩民国的富川生活污水处理厂的中试规模SAF-MBR系统，，被用来处理筛选2毫米初级流出物，以及被两个反应器所承认，如图Fig. 1。无膜的AFBR提供污水处理的部分，同时有膜的AFBR完成处理过程，为进一步处理和选择处理保留所有固体悬浮物。3.0米高的直径0.65毫米的AFBR具有0.99立方米的反应器容积，并用不锈钢(STS 304)制造。在AFBR反应器柱的顶部，沉降槽（高0.97米，直径0.98米）含有浸没堰（孔径0.8米，1.0cm的切口高度），并用0.73立方米水体积的顶端安装以防止GAC溢流到再循环管线。AFBR反应器包含了有效尺寸0.8-1mm的GAC（卡尔冈F300，USA）的139kg，这部分在设置时占据了反应器体积的25%。该气体首先用0.8mm的孔筛筛选使小颗粒分离。该气体以0.15立方米/分钟（上流为27mu;m/ h的速度）的流速通过安装有流量计（KTM系列，韩国计，韩国）的泵(PIN-5001H, 威乐内联分级泵, 韩国)循环反应器时要保持流态化。对于所使用的再循环率，为GAC消耗了反应器高度的约40％。

长方形的AFMBE，也组成了STS 304，为长0.9米，宽0.4米区域，并用2米深度具有0.77立方米工作体积。一个STS 304（长1.0m，宽1.4m的区域，高度为1.2m）含有一个浸没堰（长0.8m，宽1.2m，以及1.0厘米V型缺口高度），并用1.4立方米总液体体积沉降装置连接在MBR上的顶端防止GAC从反应器损失。五膜组件，每一个持有孔径为0.03微米（由韩国的Cheil Industries提供）的1.85米长的中空纤维聚偏氟乙烯（PVDF）膜，分别安装在MBR上。膜的总表面积为39.5平方米。该AFMBE包含GAC的264千克，当安装后从而占据反应器体积的60％。再循环流速设定至0.53米3 /分钟（75米/小时的上升流速），这是足以扩大GAC到反应器体积的100％，使得所有的膜表面与流化GAC颗粒接触。GAC颗粒沿着膜表面的运动防止低能量消耗的膜污染，这是该系统在传统气体鼓泡系统的独特特征之一。

Fig. 1. 中试规模SAF-MBR系统的示意图

2.2运行条件

该AFBR通过加入从富川污水处理厂消化器得到消化污泥的种子以及含有47克/ L的总悬浮固体（TSS）和36克/升的挥发性悬浮固体（VSS）的100 L后开始工作。基于反应器体积在11.1小时的水力停留时间（HRT）里运行不超过25天，总的COD（化学需氧量）和可溶性COD（SCOD）的去除率接近分别为21％和47％，基于该平均207毫克/升的进水COD。然后HRT为了接下来的60天降低到4.8 h，并且TCOD，SCOD和平均424毫克/升的进水TCOD的去除率分别提高到47％和63％。然后AFBR为了余下的研究在减少了2小时具有12立方米/天的相应流量的水力停留时间内继续运行。所述AFBR流出物的需要的部分通过重力传递流向AFBR，其余部分被送到废液。在对膜流出物管线上的膜通量由泵控制，并且设定为6.1-7.5升/平方米/小时。进入AFMBE的流量由污水流量的浸没式水位传感器控制，操作其开/关阀使得进水流量可以被自动设定为出水流量。从每个反应器中所产生的气体分开收集在不锈钢气体收集装置中，从而使产生的气体的体积和组成可以得到测量。

在AFBR的运行的95天之后，AFMBR在7.5升/平方米/小时的膜通量以及2.6 H相应HRT的情况下开始工作。这被称为系统操作的第0天。来自AFBR的悬浮物带着的微生物是AFMBE唯一播种来源。浪费的散装液体并没有得到实用，直到100天允许VSS在AFNBR反应器里积聚以及在GAC方面促进生物膜发展。第101天，从AFMBR浪费的污泥由AFMBR的散装液体沉降槽通过蠕动泵装置开始被清理。散装消耗率，其定义为定义为AFMBR进水流量除以浪费流量，在第101-340天里保持在5%，然后在10 d内逐渐下降到1%，下降到这里之后为了其他的研究保持在1%。随着时间的推移，膜污染缓慢的上升是由跨膜压差增加指示出来的（TMP）。

为了防止发生过度的TMP增加，在第107天使用膜松弛的方法。在这里，渗透泵每30分钟会停止5分钟，可以有效地将膜通量从7.5改变到6.2升/平方米/小时，水力停留时间达到3.1小时。夏天期间，流量进一步减少到6.7升/平方米/小时，净通量变化到5.6升/平方米/小时，水力停留时间达到3.5小时。在二次下降期间，因为缓慢增加的膜污染以及为了其余部分的研究保持在那里，膜通量被减少到6.1升/平方米/小时。这使净通量改变为5.1升/平方米/小时，但当释放周期改变为在每30分钟期间的10分钟时，在第二个冬天净通量就变为4.1升/平方米/小时，分别得到相应的3.8 h和4.8 h的水力停留时间。

2.3取样和分析方法

对AFBR进水和出水分析样本，透过AFMBR，以及从AFMBR沉降缝的散装液体，分别以两种不同的方式获得。从第1天到第399天，需要抓取的样品从 Fig. 1所示的采样点被收集。收集的样品在2小时内进行了分析，以防止成分发生变化。从第340天起，复合样品通过混合活化的每0.5小时通过采样点采取的样品来制备，以为该系统提供更具有代表性废水特性。在上午9时抓取样品和混合样品之间的比较表明在两者的进水之间只有10% - 20%的差异，对于AFBR流出物有10％的差异，以及AFMBR渗透物之间可以忽略的差异。用于分析的气体样品可以从气体储罐得到。重复的液体和气体样品为了每一个分析都要得到使用并且要平均。

反应器的PH值和温度分别从每个反应器顶部安装的浸没式传感器获得。化学需氧量（COD），总挥发性悬浮固体和挥发性悬浮固体（TSS

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