升流式厌氧动态膜生物反应器的工艺优化与污水处理效能研究

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厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)是一种基于厌氧膜生物反应器(AnMBR)的新型高效厌氧处理工艺,其将低廉的大孔径(10-200μm)膜材料(如无纺布、尼龙网、钢丝网等)作为膜基材制备动态膜组件,截留悬浮颗粒形成过滤层达到固液分离的目的。AnDMBR具有成本低、出水水质良好、膜清洗简便及可回收生物能源等优点,逐渐得到了广泛的关注。不同运行条件对动态膜形成过程及截留效果均有影响,形成有效稳定且过滤性能良好的动态膜对于AnDMBR的运行至关重要,并且目前尚缺乏对AnDMBR工艺稳定运行的系统研究。因此本文着重考察了膜基材孔径、动态膜形成方式以及污泥循环模式对AnDMBR工艺性能的影响,并开展工艺实验对比AnDMBR和AnMBR运行效能,验证了AnDMBR处理生活污水的应用潜力。本文的主要研究工作和取得的结果如下:(1)基于膜基材孔径会影响动态膜的形成过程和截留效果,考察了200目、300目和500目尼龙网(膜孔径分别为74、48和30μm)对AnDMBR的动态膜结构及工艺性能的影响。结果表明:不同的尼龙网孔径对污水处理性能影响不大,但跨膜压差(TMP)随着膜基材孔径的减小而逐渐增大(三组反应器的TMP增长速率分别为0.14、0.60和1.92 k Pa/d),泥饼层的分析也表明500目的膜组件污染最为严重,比较分析认为200目尼龙网是合适的动态膜基材。(2)考察了两种动态膜形成方式(自生动态膜(SFDM)和预涂动态膜(PCDM))对AnDMBR工艺性能的影响。研究发现采取瞬时高通量抽吸污泥混合液的方式形成PCDM时,AnDMBR的TMP增长速率(0.14 k Pa/d)明显高于SFDM(0.05 k Pa/d),但其对污染物去除和产甲烷率没有明显强化作用。因此认为SFDM比PCDM具有优势。(3)研究了污泥循环增加动态膜表面错流速率(CFV)的方式促进动态膜的形成并控制膜污染。实验结果表明污泥循环(1.1 L/h)对污泥性能有不利影响,一方面经过泵的蠕动使得污泥絮体里的胶体颗粒和有机物分离出来更容易进入到出水中(反应器内上清液和出水中SS浓度增长了3倍左右),另一方面经过出水泵的抽吸作用导致细小颗粒和胶体物质等在膜表面富集、形成致密的泥饼层,加快了动态膜污染,因此认为在处理污水时升流式AnDMBR无需设置污泥循环。(4)在工艺条件优化的基础上,建立了小试升流式AnDMBR和AnMBR装置,比较研究了膜过滤性能、有机物去除与产气效果以及泥饼层的性质。根据水力停留时间(HRT)(24.0、31.6和42.8 h)将运行过程划分为三个周期,实验结果表明:1)尽管微滤膜截留能力较强(平均出水浊度为3 NTU左右),但是其TMP增长速率过快(分别为0.91、1.30和1.70 k Pa/d),而AnDMBR在能保证较低的出水浊度的同时(平均出水浊度为10 NTU左右)依旧具有较低的TMP增长速率(分别为0.01、0.01和0.06 k Pa/d);2)对于污染物去除效果,以污泥混合液的生物降解为主,膜的截留作用为辅,有效的动态膜形成后和微滤膜的截留作用相差不大;3)AnDMBR和AnMBR的产甲烷率及甲烷组分相似;4)泥饼层的性质分析表明,微滤膜因孔径小而堵塞严重,膜表面上沉积了较多的有机物、胶体物质等导致其膜污染较为严重,而动态膜则表现出相对较轻的膜污染。
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